西南酸雨區(qū)混凝土抗壓強(qiáng)度經(jīng)時(shí)變化規(guī)律

馬寶富

(中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100088)

我國(guó)是僅次于歐洲和北美的世界第三大酸雨地區(qū)[1]，中部和西南部等酸雨重災(zāi)區(qū)的大量建筑長(zhǎng)期遭受嚴(yán)重酸腐蝕。據(jù)估計(jì)，僅1999年我國(guó)由酸雨造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)30億元[2]。從室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果[3]可以看出，酸雨侵蝕下混凝土將發(fā)生物理和化學(xué)反應(yīng)，其表面出現(xiàn)孔洞、酥化、開裂和剝落等現(xiàn)象，極大地削減了混凝土抗壓強(qiáng)度，且隨服役期增長(zhǎng)上述劣化程度日益加重，導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)存在嚴(yán)重安全隱患。因此，研究酸雨對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度經(jīng)時(shí)變化規(guī)律十分必要和迫切。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已陸續(xù)開展了酸雨損傷混凝土機(jī)理和對(duì)其外觀、質(zhì)量和強(qiáng)度等影響的研究工作，并取得一定成果。如，F(xiàn)an[4,5]等對(duì)酸雨環(huán)境下混凝土的抗壓強(qiáng)度、質(zhì)量損失和彈性模量進(jìn)行了試驗(yàn)研究，定義并計(jì)算了相應(yīng)的損傷指標(biāo)。張英姿[6,7]通過一系列試驗(yàn)，揭示了酸雨侵蝕下混凝土抗壓、抗拉、抗折性能和彈性模量等的劣化趨勢(shì)。孫鑫鵬[8]采用周期浸泡法和噴淋法模擬廣東地區(qū)酸雨環(huán)境，考慮礦物摻合料和摻合量的影響，研究C50高強(qiáng)混凝土在酸雨侵蝕條件下力學(xué)性能的衰變規(guī)律。

從上述研究可以看出，目前研究大多基于試驗(yàn)室模擬結(jié)果，與實(shí)際情況符合程度有待驗(yàn)證，且關(guān)于該環(huán)境下混凝土強(qiáng)度退化程度隨服役期變化規(guī)律研究鮮見報(bào)道，因而難以對(duì)酸雨侵蝕下混凝土經(jīng)時(shí)抗壓強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)。鑒于此，該文從工程實(shí)測(cè)出發(fā)，對(duì)酸雨侵蝕地區(qū)不同服役期下的混凝土建筑進(jìn)行抽樣調(diào)查，并建立該環(huán)境下混凝土抗壓強(qiáng)度經(jīng)時(shí)預(yù)測(cè)模型，從而為酸雨侵蝕下混凝土結(jié)構(gòu)安全評(píng)估提供技術(shù)支撐。

1 檢測(cè)方案

1.1 檢測(cè)方法

檢測(cè)技術(shù)中，回彈法操作簡(jiǎn)便，對(duì)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件無損傷，可在檢測(cè)中廣泛應(yīng)用，但測(cè)量結(jié)果誤差較大。鉆芯法相比回彈法的測(cè)量結(jié)果可信度高，但會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件造成一定的損傷。鉆芯修正回彈法是對(duì)鉆芯法和回彈法優(yōu)勢(shì)的整合，可方便快捷地對(duì)工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行非破損全面普查，并局部核實(shí)修正，節(jié)約大量檢測(cè)費(fèi)用和時(shí)間，從整體上提高了混凝土強(qiáng)度檢測(cè)精度。鑒于此，該文實(shí)地檢測(cè)中采用鉆芯修正回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度。此次檢測(cè)所涉及的主要儀器和試劑分別為：回彈儀(HT225)、混凝土取芯機(jī)(HZ-110)、沖擊鉆(TSB5500)、橡皮吹和數(shù)顯碳化測(cè)量尺(JW-STH型，測(cè)量精度為0.01 mm)，濃度為1%～2%的酚酞酒精溶液。

根據(jù)JGJ/T 23—2011《回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》[9]第4.1.3條要求，檢測(cè)按批量檢測(cè)進(jìn)行。根據(jù)檢測(cè)條件，在每個(gè)區(qū)域內(nèi)隨機(jī)抽取一定數(shù)量的梁、柱構(gòu)件進(jìn)行混凝土抗壓強(qiáng)度檢測(cè)，所選取構(gòu)件應(yīng)具有代表性，且在結(jié)構(gòu)空間上盡量均勻分布，且同批次數(shù)量不少于GB/T 50344—2004《建筑結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[10]第3.3.13條所規(guī)定的最小樣本容量。所涉及的具體檢測(cè)項(xiàng)目和抽樣方案如下：

1)回彈法測(cè)試：在所抽選梁、柱構(gòu)件上布置若干測(cè)區(qū)，每個(gè)測(cè)區(qū)用粉筆劃分為4×4的網(wǎng)格(間距50 mm×50 mm)?，F(xiàn)場(chǎng)回彈檢測(cè)如圖1所示。

2)碳化深度測(cè)定：按照J(rèn)GJ/T 23—2011第4.3.1條要求，回彈值測(cè)量完畢后，在有代表性的測(cè)區(qū)上測(cè)量碳化深度值，測(cè)點(diǎn)數(shù)取構(gòu)件測(cè)區(qū)數(shù)的30%，取其平均值作為該構(gòu)件每個(gè)測(cè)區(qū)的碳化深度值。

3)鉆芯法測(cè)試：根據(jù)JGJ/T 23—2011第4.1.6條要求，在回彈法選取的構(gòu)件測(cè)區(qū)中，同一強(qiáng)度等級(jí)或標(biāo)號(hào)的構(gòu)件共鉆取6個(gè)芯樣，并加工成直徑為100 mm、高徑比為1的圓柱體芯樣，于實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行抗壓試驗(yàn)?；炷零@芯試件的抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式如式(1)所示。

(1)

式中，fcor,i為芯樣試件混凝土強(qiáng)度換算值，精確至0.1 MPa；F為試件破壞極限荷載；d為芯樣直徑(mm)；α為不同高徑比的芯樣試件混凝土強(qiáng)度換算系數(shù)，由于高徑比為1，α取為1?，F(xiàn)場(chǎng)所取芯樣如圖2所示。

1.2 混凝土抗壓強(qiáng)度計(jì)算方法

為便于后期數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，先計(jì)算出每個(gè)檢測(cè)批內(nèi)所有測(cè)區(qū)混凝土抗壓強(qiáng)度平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，計(jì)算步驟如下：

1)計(jì)算每一個(gè)測(cè)區(qū)的混凝土回彈強(qiáng)度：剔除3個(gè)最大值和3個(gè)最小值，對(duì)余下的10個(gè)求平均值，作為該測(cè)區(qū)混凝土回彈強(qiáng)度。

2)進(jìn)行角度修正。

3)進(jìn)行澆注面修正。

4)根據(jù)JGJT23—2011附錄A，進(jìn)行碳化深度修正，得出測(cè)區(qū)強(qiáng)度換算值。

5)通過樣本修正系數(shù)法對(duì)混凝土強(qiáng)度換算值進(jìn)行鉆芯修正，修正方法如式(2)～式(3)所示。

(2)

(3)

6)按式(4)和式(5)計(jì)算檢測(cè)批所有測(cè)區(qū)的強(qiáng)度平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

(4)

(5)

2 工程實(shí)測(cè)

對(duì)我國(guó)遭受嚴(yán)重酸雨侵蝕的西南地區(qū)30棟在役RC結(jié)構(gòu)或磚混結(jié)構(gòu)內(nèi)鋼筋混凝土構(gòu)件(服役期為10年到60年)，采用文中第1節(jié)所述方法檢測(cè)其混凝土抗壓強(qiáng)度。為便于分析混凝土抗壓強(qiáng)度經(jīng)時(shí)變化規(guī)律，將混凝土強(qiáng)度進(jìn)行歸一化處理，即將各測(cè)區(qū)混凝土實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度與其初始抗壓強(qiáng)度的比值作為新的研究參數(shù)，以下稱為相對(duì)抗壓強(qiáng)度，相對(duì)抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式如式(6)所示。歸一化處理后混凝土相對(duì)抗壓強(qiáng)度變化范圍為0.80～1.42，標(biāo)準(zhǔn)差為0.081。

(6)

3 數(shù)據(jù)處理與分析

3.1 鉆芯修正系數(shù)與服役期的關(guān)系模型

表1為根據(jù)式(2)計(jì)算得到的不同服役期建筑的混凝土強(qiáng)度鉆芯修正系數(shù)，可以看出：鉆芯修正系數(shù)均大于1，即通過鉆芯測(cè)得的混凝土抗壓強(qiáng)度較回彈法測(cè)得的混凝土抗壓強(qiáng)度大，分析其原因?yàn)?，回彈法是基于混凝土表面硬度測(cè)得其抗壓強(qiáng)度，一定年限后，混凝土表面開始風(fēng)化剝蝕、酥化和開裂，其表面硬度降低，而內(nèi)部混凝土所受影響較小，從而導(dǎo)致回彈強(qiáng)度較鉆芯強(qiáng)度低。

基于表1作出鉆芯修正系數(shù)與服役期的關(guān)系散點(diǎn)圖，如圖3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨服役期的增長(zhǎng)，鉆芯修正系數(shù)近似呈線性增大，即回彈強(qiáng)度較混凝土鉆芯強(qiáng)度的誤差逐漸變大，服役51年后，該誤差達(dá)28%。故工程實(shí)踐中，對(duì)于服役期較長(zhǎng)的建筑應(yīng)避免單一采用回彈法測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度，否則精度將無法保證。

表1 不同服役期下混凝土強(qiáng)度鉆芯修正系數(shù)

根據(jù)上述定性分析，選用線性模型對(duì)鉆芯修正系數(shù)與服役期的關(guān)系進(jìn)行回歸分析，結(jié)果見式(7)，其相關(guān)系數(shù)為0.65。為了驗(yàn)證所得模型的適用性，采用該模型對(duì)未納入擬合模型的部分鉆芯數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算并對(duì)比分析，并按式(8)計(jì)算理論值相對(duì)實(shí)測(cè)值的誤差，對(duì)比結(jié)果見表2。

ζ(t)=0.004 22t+0.992,R2=0.65

(7)

(8)

式中，ε為相對(duì)誤差的絕對(duì)值；ζ為鉆芯修正系數(shù)實(shí)測(cè)值；ζ′為鉆芯修正系數(shù)理論值。

表2 鉆芯修正系數(shù)與服役期關(guān)系模型誤差

從表2可以看出，鉆芯修正系數(shù)理論值與實(shí)測(cè)值較為接近，最大誤差為19.5%，平均誤差為13.8%，說明本研究建立的鉆芯修正系數(shù)預(yù)測(cè)模型具有一定的適用性，可用于工程實(shí)際中對(duì)不同服役期建筑混凝土抗壓強(qiáng)度鉆芯修正系數(shù)的快速計(jì)算，以修正回彈結(jié)果。

3.2 混凝土抗壓強(qiáng)度經(jīng)時(shí)預(yù)測(cè)模型

檢測(cè)樣本統(tǒng)計(jì)信息為每個(gè)測(cè)區(qū)混凝土相對(duì)抗壓強(qiáng)度，將樣本以1年為單位歸并，得到一系列子樣本。根據(jù)文獻(xiàn)[11]的研究，在役建筑混凝土強(qiáng)度服從正態(tài)分布，且其平均值和標(biāo)準(zhǔn)差是結(jié)構(gòu)服役時(shí)間的函數(shù)。通過對(duì)本研究中子樣本進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)可證明其均服從正態(tài)分布，因此研究混凝土強(qiáng)度的經(jīng)時(shí)退化規(guī)律就是研究其平均值和標(biāo)準(zhǔn)差隨服役期的變化規(guī)律。

按服役期將所有測(cè)區(qū)以1年為單位進(jìn)行歸并，可得17個(gè)子樣本，子樣本容量分布情況見圖4，對(duì)新得子樣本進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)可證明每個(gè)子樣本服從正態(tài)分布，其相應(yīng)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差見表3。繪制子樣本混凝土相對(duì)抗壓強(qiáng)度的均值和標(biāo)準(zhǔn)差與服役期的關(guān)系折線圖，如圖5所示。通過折線圖可以發(fā)現(xiàn)，混凝土相對(duì)抗壓強(qiáng)度均值在一定年限內(nèi)呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，隨后開始下降，分析其原因?yàn)椋夯炷脸跗谒饔卯a(chǎn)生的水泥凝膠體填充了內(nèi)部毛細(xì)孔，增大了混凝土密實(shí)度，且碳化初期混凝土強(qiáng)度有一定提高；服役一定年限以后，混凝土在侵蝕介質(zhì)作用下變酥、開裂、出現(xiàn)孔洞，劣化作用占主導(dǎo)地位，隨服役期增長(zhǎng)，劣化作用累加，混凝土抗壓強(qiáng)度開始呈降低趨勢(shì)。相對(duì)抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差隨服役期的增長(zhǎng)呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，表明在服役一定時(shí)間后，強(qiáng)度離散性逐漸變大。

表3 以1年為單位歸并后子樣本容量、均值和標(biāo)準(zhǔn)差

根據(jù)定性分析結(jié)果和折線圖趨勢(shì)，選擇如式(9)～式(11)所示3種模型對(duì)圖6中均值散點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)擬合。

μ1(t)=at2+bt+c

(9)

μ2(t)=ae-b(ln t-c)2

(10)

μ3(t)=(a+bt)e-c(t-d)

(11)

式中，t為服役期；μ(t)為某一服役期下的混凝土相對(duì)抗壓強(qiáng)度均值；a、b、c為擬合參數(shù)。

通過對(duì)比分析擬合結(jié)果，3種模型中二次函數(shù)模型擬合度最好，其相關(guān)系數(shù)為0.58，表明所得模型可用于預(yù)測(cè)酸雨侵蝕環(huán)境下混凝土相對(duì)抗壓強(qiáng)度經(jīng)時(shí)變化規(guī)律，預(yù)測(cè)模型如式(12)所示。可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)t=0時(shí)，相對(duì)抗壓強(qiáng)度近似為1，與實(shí)際相符，表明所建立的模型準(zhǔn)確性較好。

μ(t)=-2.44×10-4t2+1.21×10-2t+1.02

(12)

4 結(jié) 論

該文采用鉆芯修正回彈法，首次對(duì)酸雨侵蝕環(huán)境下不同服役期建筑進(jìn)行了混凝土抗壓強(qiáng)度的工程實(shí)測(cè)，基于參數(shù)分析，建立了該環(huán)境下混凝土抗壓強(qiáng)度經(jīng)時(shí)預(yù)測(cè)模型。

a.隨服役期的增長(zhǎng)，回彈強(qiáng)度較混凝土鉆芯強(qiáng)度的誤差逐漸變大，故實(shí)際工程中對(duì)于服役期較長(zhǎng)的建筑應(yīng)避免單一采用回彈法。

b.隨服役期的增長(zhǎng)，遭受酸雨侵蝕后混凝土抗壓強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢(shì)，而強(qiáng)度離散性逐漸變大。

c.基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立了酸雨侵蝕下混凝土抗壓強(qiáng)度經(jīng)時(shí)預(yù)測(cè)模型，具有一定的準(zhǔn)確性和適用性，可用于不同服役期下混凝土抗壓強(qiáng)度快速評(píng)估。