多因素耦合作用混凝土耐久性能的實驗室模擬方法

雷 斌，呂 源，李細(xì)濤，熊進(jìn)剛，丁成平

（南昌大學(xué) 建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330031）

混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題是復(fù)合（雙重或多重）損傷因素同時作用下引起結(jié)構(gòu)混凝土的損傷劣化過程，而且在荷載和復(fù)合環(huán)境因素作用下諸損傷因素間有疊加和正負(fù)效應(yīng)的交互作用，是極復(fù)雜的過程[1-2]。以單一因素來評價結(jié)構(gòu)混凝土的耐久性能和服役壽命可能與實際情況有較大差距，混凝土的耐久性能試驗應(yīng)考慮多因素耦合作用已經(jīng)成為共識[3-4]?，F(xiàn)有的荷載與環(huán)境因素耦合作用實驗室模擬方法中常用的加載裝置主要有彈簧式加載、千斤頂式加載、杠桿式加載和配重式加載等[5-6]。這些加載裝置若沒有應(yīng)力補(bǔ)償?shù)挠行Т胧?，可能?dǎo)致應(yīng)力的損失[7]。

實驗室模擬荷載和環(huán)境因素耦合作用的理想狀態(tài)是在復(fù)雜環(huán)境場中施加工作荷載。但由于環(huán)境模擬空間限制，加載裝置的制作煩瑣且加載過程需要配套應(yīng)力測試系統(tǒng)，使得實驗室模擬荷載和環(huán)境因素耦合作用在技術(shù)操作上十分困難。因此，研究荷載與環(huán)境因素耦合的實驗室模擬方法對于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能壽命預(yù)測和設(shè)計具有重要意義。本文通過對比分析3 種間歇載荷模式和持續(xù)載荷模式，分別對僅受荷載、荷載與凍融耦合、荷載與腐蝕耦合作用下混凝土耐久性的影響，得出與持續(xù)荷載模式試驗結(jié)果最為接近的間歇加載方式，確定混凝土在多因素耦合作用下耐久性能的實驗室模擬方法。

1 實驗室模擬耦合作用的原理

荷載和環(huán)境因素耦合作用對混凝土耐久性能影響的微觀機(jī)理主要表現(xiàn)為：一方面，加載過程在混凝土中產(chǎn)生的微結(jié)構(gòu)損傷使得腐蝕凍融損傷加速；另一方面，腐蝕凍融在混凝土中產(chǎn)生的非均勻劣化反過來會使得加載過程的應(yīng)力重分布及微結(jié)構(gòu)損傷路徑改變[8]。本文模擬多因素耦合的原理為采用間歇載荷模式來模擬持續(xù)模式，即對混凝土試件交替進(jìn)行重復(fù)荷載與耐久性試驗。本研究設(shè)計的這種加載制度能盡量反映這2 種損傷的相互影響。具體操作為：施加重復(fù)荷載后進(jìn)行一定次數(shù)凍融循環(huán)，然后再進(jìn)行重復(fù)荷載，再進(jìn)行一定次數(shù)凍融循環(huán)，交替進(jìn)行直至完成凍融循環(huán)的總次數(shù)。本文取凍融循環(huán)總次數(shù)為50 次，考慮3 種交替方式：重復(fù)荷載與50 次腐蝕凍融循環(huán)交替1 次、重復(fù)荷載與 25 次腐蝕凍融循環(huán)交替 2 次、重復(fù)荷載與10 次腐蝕凍融循環(huán)交替5 次，如圖1 所示。分別測試3 種交替方式混凝土試件耐久性能退化程度，在同時滿足精度和重復(fù)荷載次數(shù)少的條件下，確定實驗室模擬研究 荷載和復(fù)合環(huán)境耦合作用下混凝土耐久性能的加載 制度。

圖1 荷載與凍融耦合作用實驗室模擬方法

然而，為了滿足精度和施加重復(fù)荷載次數(shù)少的要求，還需要進(jìn)一步研究確定經(jīng)過多少次凍融后進(jìn)行一次重復(fù)荷載，亦即需要確定這種交替方式中腐蝕凍融循環(huán)次數(shù)，或者說在總的凍融次數(shù)一定的情況下需要確定施加重復(fù)荷載的次數(shù)。這種加載制度，無需專門制作加力裝置，而只需在一般環(huán)境下使用壓力機(jī)重復(fù)加載。以此加載制度為依據(jù)，進(jìn)一步探究荷載與多種環(huán)境因素耦合作用下混凝土耐久性能有較大的準(zhǔn)確度與較高的可行性，且操作簡便。

2 耦合作用模擬試驗設(shè)計

試驗研究中制作了3 種不同強(qiáng)度等級（C30、C40和 C50）混凝土并考慮了 3 種壓力水平（20%、40%和 60%）。設(shè)計了僅受荷載、荷載與凍融循環(huán)耦合以及荷載與腐蝕耦合3 種工作條件，其中的荷載采用間歇載荷和持續(xù)載荷模式 2 種加載方式。試驗中腐蝕溶液為硫酸鈉、氯化鈉、氯化鎂按m∶m∶m=1∶1∶1 的比例配制成濃度為10%的混合溶液。將荷載和腐蝕耦合作用下的試驗結(jié)果用于驗證分析，以評估間歇載荷模式在實驗室模擬荷載和其他環(huán)境因素耦合作用的適用性?；炷恋呐浜媳仍O(shè)計及抗壓強(qiáng)度見表1。

表1 混凝土的配合比及28 d 抗壓強(qiáng)度

2.1 間歇載荷模式耦合作用

間歇載荷模式采用為P1（重復(fù)荷載交替1 次），P2（重復(fù)荷載交替2 次）和P3（重復(fù)荷載交替5 次）3 種方案。間歇載荷模式中每次重復(fù)荷載的具體操作為：先用15%的28 d 抗壓強(qiáng)度荷載水平對試件進(jìn)行試壓，確保試件與壓力機(jī)上下表面貼合，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，然后以 0.5 MPa/s 的速率加載至目標(biāo)應(yīng)力水平，持載30 s，然后再以0.5 MPa/s 的速率卸載，重復(fù)加載、卸載5 次。僅受荷載、荷載與凍融循環(huán)耦合以及荷載與腐蝕耦合這 3 種工作條件的試驗同時進(jìn)行。即荷載與凍融循環(huán)耦合試驗按照圖1 交替加載后的試件放置在裝有腐蝕溶液的凍融箱內(nèi)（凍融循環(huán)），而荷載與腐蝕凍融循環(huán)耦合試驗按照圖1 交替加載后的試件放置在放置裝有腐蝕溶液的盆中（不需凍融循環(huán)），僅受荷載試驗按照按照圖1 交替加載后的試件則放置在裝有清水的盆中（不需凍融循環(huán)）。

2.2 持續(xù)載荷模式耦合作用

持續(xù)載荷是通過給試件設(shè)計制作一套夾具，然后擰緊螺絲或用千斤頂?shù)确绞綄υ嚰┘雍奢d（應(yīng)力），再用此帶著夾具的試件進(jìn)行耐久性能試驗。本試驗選取圖 2(a)中加載裝置進(jìn)行持續(xù)荷載加載。該持載裝置由上下2塊承載板、4根不銹鋼螺栓（螺桿長度為480 mm）、定制不銹鋼螺母、2 塊小墊板（100 mm× 100 mm）、蝶型彈簧。加載板四角處留有圓孔。試驗時將3 塊混凝土試塊放入持載裝置，使混凝土試件上下對齊，以免加載時試件偏心受壓。然后稍微擰緊螺母，將其放置在微機(jī)控制電液伺服壓力試驗機(jī)的圓盤上。在螺桿長度的中點處貼120-3AA 免焊接引線應(yīng)變片，再通過4根導(dǎo)線連接到靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀，如圖2(b)所示。調(diào)試好靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀和壓力機(jī)后，以0.5 MPa/s 速率加載，達(dá)到預(yù)定荷載后壓力試驗機(jī)恒載保持15 min，擰緊螺母，然后以 0.5 MPa/s 的速率卸載。卸載完成后將此帶持載裝置的試件分別放入裝有腐蝕溶液的凍融箱（凍融循環(huán)）、腐蝕溶液（不需凍融循環(huán)）和清水（不需凍融循環(huán)）中，如圖2(c)所示。

圖2 持續(xù)加載模式耦合作用

3 結(jié)果與分析

采用 GBT50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[9]中抗壓強(qiáng)度損失率公式進(jìn)行分析，從而得出混凝土相對抗壓強(qiáng)度損失率，見表9。

式中：Q為經(jīng)過荷載與環(huán)境因素耦合作用后混凝土抗壓強(qiáng)度損失率（%）；f0為混凝土28 d 抗壓強(qiáng)度；f1為荷載與環(huán)境因素耦合作用后混凝土抗壓強(qiáng)度。

3.1 加載方式的影響

如圖3 所示，在僅受荷載時，低應(yīng)力水平（20%）下，混凝土的抗壓強(qiáng)度損失率的絕對值隨交替載荷循環(huán)次數(shù)的增加而增加，因為不同強(qiáng)度混凝土在低應(yīng)力水平（20%）下，隨著重復(fù)荷載交替加載次數(shù)的增加而增加。但是，在高應(yīng)力水平（40%和 60%）下，隨著交替重復(fù)荷載循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土抗壓強(qiáng)度降低，抗壓強(qiáng)度損失逐漸增大。例如，當(dāng)交替加載次數(shù)從1 次增加到5 次時，C50 混凝土的抗壓強(qiáng)度損失率在20%應(yīng)力水平下，從-0.4%降低到-4.0%；在40%應(yīng)力水平下，從 3.4%降低到 7.0%；在 60%水平下，從5.3%降至14.8%。

圖3 載荷模式對僅受荷載的混凝土抗壓強(qiáng)度損失的影響

在20%的低應(yīng)力水平下，混凝土中的隨機(jī)初始缺陷（空隙和微裂紋）是相對封閉的。在此階段，混凝土被壓實，抗壓強(qiáng)度因此提高；且隨著重復(fù)荷載交替次數(shù)增加，混凝土的壓實度略有增加[10-11]。在40%的應(yīng)力水平下，隨著初始的隨機(jī)缺陷開始緩慢發(fā)展，內(nèi)部的微裂紋開始連接，混凝土的內(nèi)部破壞逐漸累積，隨著重復(fù)荷載交替次數(shù)的增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度下降，抗壓強(qiáng)度損失率增大；當(dāng)壓應(yīng)力水平達(dá)到60%時，混凝土的抗壓強(qiáng)度損失率會隨著重復(fù)荷載交替次數(shù)的增加而增大。

在荷載和凍融共同作用的情況下，不同強(qiáng)度等級的混凝土抗壓強(qiáng)度損失率隨著在低應(yīng)力水平（20%）下隨重復(fù)荷載交替次數(shù)的增加而增大，如圖4 所示，此趨勢與僅受荷載時相似。然而在荷載和凍融耦合作用下，混凝土抗壓強(qiáng)度低于僅受荷載時的抗壓強(qiáng)度，且抗壓強(qiáng)度損失率為正。這表明：在載荷和凍融循環(huán)共同作用下，混凝土強(qiáng)度下降更為明顯。凍融重復(fù)循環(huán)對混凝土耐久性的影響比荷載的影響更大。例如，當(dāng)重復(fù)荷載交替次數(shù)從1 次增加到5 次時，C50 混凝土抗壓強(qiáng)度損失在 20%應(yīng)力水平下從 18.3%降低到10.5%，在40%應(yīng)力水平下從22.4%降低到29.5%，在壓力水平為60%時從23.6%降至34%。在間歇載荷模式中，混凝土的內(nèi)部破壞隨著重復(fù)荷載交替次數(shù)的增加而逐漸增大。此外，損壞不僅是由于反復(fù)的機(jī)械荷載引起的，而且還由于凍融腐蝕引起的。更重要的是，當(dāng)這些混凝土試件經(jīng)受凍融循環(huán)時，由于溫度應(yīng)力導(dǎo)致混凝土內(nèi)部損壞加劇，并且微裂紋的數(shù)量和寬度可能會增加。這些隨機(jī)的微裂紋會讓有害離子進(jìn)入混凝土，從而進(jìn)一步破壞其微觀結(jié)構(gòu)并使之變得更松散，從而進(jìn)一步降低其在反復(fù)加載下的力學(xué)性能[12-13]。

圖4 加載方式對荷載和凍融耦合作用下混凝土抗壓強(qiáng)度損失率的影響

圖3 和圖4 均表明，在持續(xù)載荷的模式下，混凝土的抗壓強(qiáng)度損失率基本上低于重復(fù)荷載交替1 次時抗壓強(qiáng)度損失率，而高于重復(fù)荷載交替5 次抗壓強(qiáng)度損失率。間歇載荷和持續(xù)載荷之間的區(qū)別在于，間歇載荷在卸載過程中包含可逆的瞬時彈性變形。因此，采用循環(huán)加載系統(tǒng)會在卸載后產(chǎn)生最大的塑性變形，即將殘余變形增加到一定水平（相對恒定）。混凝土的可逆彈性變形在很長一段時間內(nèi)變得穩(wěn)定。但是隨著模擬試驗中重復(fù)加載交替次數(shù)的增加，混凝土的內(nèi)部破壞增加，并使混凝土的性能下降超過持續(xù)加載模式下的性能下降，尤其是在較高應(yīng)力水平（40%和60%）下，如圖3 和圖4 所示。而持續(xù)載荷模式與各種間歇載荷模式下，各強(qiáng)度等級混凝土抗壓強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度損失率隨應(yīng)力水平增加而變化的趨勢是一致的，這表明，在實驗室中使用間歇加載方法來模擬混凝土在持續(xù)加載和其他環(huán)境因素耦合作用下的耐久性能是可行的，但是哪種間歇載荷模式與持續(xù)加載模式的試驗結(jié)果最為接近，需要進(jìn)一步分析才能確定。

3.2 對比分析

為了進(jìn)一步分析在實驗室中使用間歇加載方法模擬混凝土在持續(xù)加載和其他環(huán)境因素耦合作用下的耐久性的可行性，將混凝土在這2 種載荷模式下的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了比較。采用式（2）計算交替加載模式下混凝土的抗壓強(qiáng)度與持續(xù)加載下混凝土的抗壓強(qiáng)度之比。

式中：S是2 種加載模式混凝土抗壓強(qiáng)度之比，fI是間歇加載模式下RAC 的抗壓強(qiáng)度，fS是持續(xù)加載模式下混凝土的抗壓強(qiáng)度。僅受荷載以及荷載與凍融耦合作用 2 種情況對應(yīng)于S的計算結(jié)果如圖 5 所示。根據(jù)GB/T 50082-2009 的標(biāo)準(zhǔn)，抗壓強(qiáng)度偏差在15%以內(nèi)，則認(rèn)為試驗足夠準(zhǔn)確，可以滿足工程要求。

圖5 僅受荷載和荷載與凍融耦合作用下混凝土的S 值

在僅受荷載的情況下，P1 方案的S值為 0.95～1.05，最大偏差為5%；P2 的S值范圍為0.96～1.05，最大偏差為5%；P3 的S值為0.88～1.03，最大偏差為12%?？梢钥闯?，P2 方案的變異系數(shù)最低（2.6%），平均值非常接近1.0（0.992）。這表明 P2 方案最接近持續(xù)加載模式。在負(fù)載加上鹽溶液凍融循環(huán)的情況下，方案1 的S值為0.80～1.13，僅單一荷載模式下的最大偏差為 20%。P2 方案的S值為 0.85～0.97，最大偏差為 15%。P3 方案的S值為 0.79～1.07，最大偏差為 21%。這些觀察結(jié)果表明，模擬的效果與加載的效果略有不同。但P2 方案中的變異系數(shù)最低（5.5%），平均值為0.912，表明它最適合在實驗室中模擬持續(xù)加載模式，并且 P2 方案的測出強(qiáng)度略小于持續(xù)加載模式下的強(qiáng)度，可以安全地用于混凝土的耐用性設(shè)計。

3.3 進(jìn)一步實驗驗證

為了驗證提出的間歇載荷模式對載荷和其他環(huán)境因素耦合作用時的適用性，對載荷和鹽溶液腐蝕耦合作用下混凝土耐久性能進(jìn)行試驗。間歇載荷模式的 3種方案與持續(xù)載荷模式混凝土抗壓強(qiáng)度之比S值如圖6所示。

圖6 荷載和腐蝕耦合作用下混凝土的S 值

由圖可知，P1 方案的S值為 0.96～1.03，最大偏差為4%；而P2 方案的范圍為0.97～1.02，最大偏差為3%；P3 方案的S值為0.96～1.04，最大偏差為4%。3種方案S值的均值接近1.0，變異系數(shù)小于5%。其中，P2 方案的變異系數(shù)最低（2.3%）。這表明在載荷和鹽溶液腐蝕的耦合作用下，在實驗室條件下通過交替加載方法模擬的混凝土的耐久性符合精度要求；在這種情況下，P2 方案（交替加載 2 次）取得了最佳效果。

4 結(jié)語

本文通過比較分析持續(xù)載荷模式與3 種間歇載荷模式（重復(fù)荷載交替1 次、2 次和5 次）對僅受荷載、荷載與腐蝕凍融以及荷載與腐蝕3 種工作條件下混凝土耐久性能影響，研究混凝土在多因素耦合作用下的耐久性能模擬方法，得出以下結(jié)論：僅受荷載時，混凝土抗壓強(qiáng)度先增大后減小，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度損失在20%應(yīng)力水平下為負(fù)值，并隨著應(yīng)力水平的增大而增加到正值（40%和 60%）。然而在荷載、凍融腐蝕耦合時，混凝土的抗壓強(qiáng)度下降。荷載與腐蝕凍融循環(huán)作用下，在低應(yīng)力水平（20%）時混凝土抗壓強(qiáng)度低于其28 d 的抗壓強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度損失率為正值且隨重復(fù)荷載交替次數(shù)的增加而持續(xù)增大。在較高應(yīng)力水平（40%和 60%）時，隨重復(fù)荷載交替次數(shù)的增加，混凝土抗壓強(qiáng)度損失率迅速增大。混凝土在間歇載荷模式下的強(qiáng)度衰減規(guī)律與持續(xù)載荷模式下的強(qiáng)度衰減規(guī)律一致。使用間歇載荷來模擬混凝土在荷載和環(huán)境因素共同作用下的耐久性能是可行的，并且 P2 方案（重復(fù)荷載交替2 次）試驗結(jié)果與持續(xù)載荷模式最為接近。