西部鹽霧腐蝕環(huán)境下基于Wiener模型的纖維混凝土損傷劣化研究

于劍橋, 喬宏霞,2, 朱飛飛, 王新科

(1.蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州730050； 2.蘭州理工大學(xué) 西部土木工程防災(zāi)減災(zāi)教育部工程研究中心, 甘肅 蘭州730050)

1 研究背景

我國(guó)西部地區(qū)存在遼闊的鹽湖帶，由于當(dāng)?shù)丨h(huán)境具有晝夜溫差大、風(fēng)大風(fēng)多、太陽光照射強(qiáng)烈的特點(diǎn)，鹽湖中的碳酸鹽、硫酸鹽、氯鹽等腐蝕性鹽類極易卷入空氣中形成大氣鹽霧[1]。當(dāng)大氣鹽霧與混凝土材料接觸時(shí)，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)性能造成腐蝕破壞并導(dǎo)致其使用壽命縮短。調(diào)查顯示，在西部鹽湖地區(qū)服役的建筑物，由于混凝土受到鹽霧侵蝕平均壽命僅有十幾年，需要頻繁修補(bǔ)才能延長(zhǎng)使用壽命[2]。鹽湖附近的八盤峽大壩混凝土隧洞，因?yàn)殚L(zhǎng)期處于硫酸鹽環(huán)境形成的硫鋁土礦之中，這對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)造成了嚴(yán)重的破壞[3]。新疆克州某節(jié)水防滲渠道在項(xiàng)目交工后不到3年時(shí)間，因鹽脹引起了大范圍開裂，最大開裂寬度達(dá)62 mm，最長(zhǎng)裂縫有17.5 m[4]。可見鹽霧腐蝕環(huán)境下的混凝土耐久性能損傷劣化速度明顯高于內(nèi)陸地區(qū)，尤其是鹽霧中的硫酸根離子對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命影響巨大[5]。硫酸鹽侵蝕作為混凝土腐蝕的主要因素之一，每年給全球建筑領(lǐng)域造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)數(shù)十億美元，促使土木工程界的科研人員關(guān)于硫酸鹽對(duì)混凝土侵蝕機(jī)理以及耐久性能的影響進(jìn)行了大量的試驗(yàn)和分析研究。

針對(duì)硫酸鹽侵蝕混凝土的問題，研究人員[6-8]發(fā)現(xiàn)將纖維摻入混凝土中能夠有效提高其抗硫酸鹽侵蝕的能力。纖維作為一種高強(qiáng)度、耐用、輕質(zhì)的改性材料，可以增強(qiáng)混凝土的密實(shí)度，延緩有害離子的滲透過程[9]。Faiz[10]指出，顆粒纖維、連續(xù)纖維、短纖維可用于混凝土材料中，能夠提高其抗彎、抗沖擊性能，并改變其破壞模式。Kheradmand等[11]認(rèn)為，纖維的增強(qiáng)機(jī)制是通過纖維的橋接效應(yīng)阻止微觀和宏觀裂紋的產(chǎn)生和生長(zhǎng)。劉曙光等[12]通過掃描電鏡(scanning electron microscope, SEM)觀察發(fā)現(xiàn)，在硫酸鈉溶液浸泡350 d后，摻有PVA纖維的試件內(nèi)部鈣礬石聚集在一起并未發(fā)生脫落，PVA纖維數(shù)量的增加可強(qiáng)化約束效果。牛荻濤等[13]研究表明鋼纖維可以顯著改善混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，并通過XRD (X-rays diffraction)圖譜發(fā)現(xiàn)鋼纖維混凝土在硫酸鹽干濕加速侵蝕150次后內(nèi)部未有芒硝生成，且石膏衍射峰強(qiáng)度與普通試件相比大幅度降低，未產(chǎn)生破壞性晶體。張?zhí)m芳等[14]發(fā)現(xiàn)改善玄武巖纖維的摻量能優(yōu)化混凝土耐硫酸鹽腐蝕性能，其最佳摻量為0.3%。混摻纖維混凝土較單摻纖維相比具有潛在的優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)外對(duì)單摻纖維混凝土抗硫酸鹽侵蝕的報(bào)道較多，而對(duì)混摻纖維混凝土的相關(guān)研究較少。

為了保證混凝土材料在鹽霧腐蝕環(huán)境下的安全性，有必要判斷混凝土是否在設(shè)計(jì)參考期內(nèi)完成了預(yù)定的使用功能，混凝土耐久性的壽命預(yù)測(cè)已成為土木行業(yè)研究的熱點(diǎn)[15-17]。目前對(duì)纖維混凝土的壽命預(yù)測(cè)模型有確定型模型、Cl-離子擴(kuò)散模型、概率退化模型等。概率退化模型能夠有效捕捉失效機(jī)理和外在環(huán)境引起劣化過程的不確定性。其中基于Wiener過程的方法適用于混凝土由環(huán)境侵蝕、內(nèi)部材料缺陷引起的非單調(diào)退化過程，已逐漸成為混凝土損傷劣化數(shù)據(jù)處理的熱點(diǎn)模型。然而，現(xiàn)有的Wiener退化模型主要適用于混凝土線性劣化過程，并對(duì)不同配比的試件要求具有相同的漂移參數(shù)，具有一定的局限性。鑒于此，本文通過配制和察爾汗鹽湖鹵水相同濃度的SO42-離子腐蝕溶液，開展不同纖維摻量的混凝土室內(nèi)鹽霧腐蝕加速試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)混凝土損傷劣化規(guī)律進(jìn)行分析，利用改進(jìn)后的Wiener模型來進(jìn)行耐久性評(píng)價(jià)參數(shù)可靠度壽命預(yù)測(cè)，最終評(píng)估其模擬纖維混凝土抗鹽霧腐蝕的可靠性。

2 材料與方法

2.1 原材料及配合比

水泥選用阿爾博波特蘭P.O 42.5硅酸鹽水泥，安定性合格；粉煤灰選用祁連山水泥商砼有限公司提供的Ⅱ級(jí)粉煤灰，其比表面積為440 m2/kg，膠凝材料化學(xué)組分見表1。

表1 試驗(yàn)用膠凝材料化學(xué)組成 Wt/%

為了改善膠凝材料的工作性能，使用甘肅省第五建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司提供的聚羧酸系高效減水劑, 減水劑摻量為0.13%；試驗(yàn)所用粗骨料為表觀密度為2 780 kg/m3的碎石子，細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)為2.73的河砂；水選自西部先進(jìn)土木工程材料創(chuàng)新研究中心；混摻鋼纖維(steel fiber, STF)和玄武巖纖維(basalt fiber, BF)可提高混凝土延性、韌性和抗硫酸鹽侵蝕性，并控制裂縫的生成，兩種纖維主要物理性能參數(shù)見表2。

表2 試驗(yàn)用纖維主要物理性能參數(shù)

通過稱量滴定法測(cè)得察爾汗鹽湖鹵水中的離子含量，具體結(jié)果見表3，根據(jù)腐蝕離子SO42-的濃度在實(shí)驗(yàn)室配制濃度為23 g/L的硫酸鈉溶液；試驗(yàn)設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，經(jīng)過大量試配調(diào)整,其配合比見表4。

表3 察爾汗鹽湖鹵水腐蝕離子含量及pH測(cè)試結(jié)果

2.2 試驗(yàn)過程及方法

參照表4中的配合比，根據(jù)《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS 38：2004)[18]，采用如圖1所示的室內(nèi)加速試驗(yàn)循環(huán)制度。先將稱量好的水泥、粉煤灰、砂、石、鋼纖維倒入攪拌機(jī)內(nèi)進(jìn)行干拌。高效減水劑在倒入攪拌機(jī)前與水混合，60 s后添加80%混合溶液轉(zhuǎn)為濕拌。再采用邊攪拌邊撒入的方式，手動(dòng)將玄武巖纖維均勻撒至攪拌機(jī)內(nèi)，以保證纖維均勻分散在混凝土骨料中。最后加入剩余溶液充分?jǐn)嚢?20 s，待攪拌完成后將拌合物裝入100 mm×100 mm×100 mm模具中，經(jīng)振動(dòng)臺(tái)機(jī)械震實(shí)后間隔24 h拆模處理，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d。養(yǎng)護(hù)完成后將干燥處理的試件放入鹽水噴霧機(jī)中進(jìn)行干濕交替試驗(yàn)，鹽霧采用23 g/L的Na2SO4溶液，試驗(yàn)設(shè)計(jì)的循環(huán)制度為：試塊在溫度為(35±2) ℃，濕度為 95%的噴霧狀態(tài)下侵蝕16 h，在烘箱內(nèi)以60 ℃干燥8 h，每24 h為1次試驗(yàn)周期，每隔20 d測(cè)量1次試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)周期為200 d。

表4 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)混凝土配合比

圖1 混凝土室內(nèi)加速試驗(yàn)流程圖

混凝土的抗壓和抗拉耐蝕系數(shù)可反映混凝土暴露在鹽霧環(huán)境下由硫酸鹽侵蝕而導(dǎo)致力學(xué)性能退化的程度，當(dāng)耐蝕系數(shù)達(dá)到0.75時(shí)表明試件已經(jīng)損壞，其表達(dá)式定義如公式(1)、(2)所示。

(1)

(2)

式中：kfc為抗壓耐蝕系數(shù)；fcn、fc0分別為n次試驗(yàn)周期后和初始階段的抗壓強(qiáng)度，MPa；kfts為抗拉耐蝕系數(shù)；ftsn、fts0分別為n次試驗(yàn)周期后和初始階段的劈裂抗拉強(qiáng)度, MPa。

參考《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T 50476—2019)[19]相關(guān)規(guī)定，鹽霧腐蝕環(huán)境下混凝土試件可以選取相對(duì)動(dòng)彈性模量Er、相對(duì)動(dòng)彈性模量評(píng)價(jià)參數(shù)ξ1以及相對(duì)質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)ξ2作為耐久性評(píng)價(jià)參數(shù)，每個(gè)混凝土配合比測(cè)定6組試件數(shù)據(jù)取其平均值作為結(jié)果。當(dāng)相對(duì)動(dòng)彈性模量損失超過40%或質(zhì)量損失率達(dá)到5%時(shí)表明試件已經(jīng)損壞，具體計(jì)算方法見公式(3)～(5)。

(3)

(4)

(5)

式中：Edn、Ed0分別為n次試驗(yàn)周期后和初始階段的動(dòng)彈性模量，MPa；vn、v0分別為n次試驗(yàn)周期后和初始階段測(cè)得的超聲波速，m/s；mn、m0分別為n次試驗(yàn)周期后和初始階段測(cè)得的試件質(zhì)量，kg。

3 結(jié)果與分析

3.1 纖維摻量對(duì)強(qiáng)度的影響

圖2為各個(gè)編號(hào)試塊經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后所測(cè)得的基本力學(xué)性能情況。

由圖2(a)可知，多尺度纖維可以顯著提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。其中2%STF摻量的SBC-3、SBC-4兩組試樣的抗壓強(qiáng)度分別為50.8和49.6 MPa，較JZ組相比提升均超過了10%。這是由于STF與BF纖維混合可起到正混雜效應(yīng)，STF彈性模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了混凝土基體，當(dāng)應(yīng)力傳遞至STF附近時(shí)，剛度較大的STF率先承擔(dān)部分應(yīng)力。適量BF的摻入降低了試件的應(yīng)力集中程度，防止了局部應(yīng)力集中造成的損傷，表現(xiàn)出良好的承載能力。SBC-2、SBC-4與SBC-1、SBC-3相比抗壓強(qiáng)度略有下降，說明BF摻量并非越多越好?；炷林苽溥^程中過量BF容易與膠凝材料攪拌不均勻，在其內(nèi)部會(huì)發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，致使有害微裂縫增多[20]，降低抗壓強(qiáng)度的提高率。韌性是混凝土設(shè)計(jì)中必須保證的另一個(gè)力學(xué)性能參數(shù)，劈裂抗拉強(qiáng)度能夠反映混凝土韌性的優(yōu)劣[21]。

由圖2(b)可知，STF和BF混摻能夠提高混凝土的抗拉強(qiáng)度，其中SBC-3組試樣抗拉強(qiáng)度為4.58 MPa，優(yōu)于JZ組的3.25 MPa,提高了40.92%。這是因?yàn)镾TF與BF的共同作用可以使水泥基體與粗骨料之間粘結(jié)更為緊密，從而在混凝土中形成三維配筋[22]，延緩混凝土的開裂。相同BF摻量下，摻有2%STF的SBC-4組試樣較1%STF的SBC-2組相比，抗拉強(qiáng)度提高了8.11%，可以看出STF對(duì)混凝土抗拉強(qiáng)度提升影響顯著。但是SBC-4組與SBC-3組相比，在STF摻量相同的情況下，抗拉強(qiáng)度降低了3.93%，這是由于過量的BF在混凝土攪拌過程中難以分散，不利于提高混凝土的抗拉效果。

圖2 各混凝土試塊經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后的基本力學(xué)性能

3.2 抗壓及抗拉耐蝕系數(shù)

通過公式(1)、(2)對(duì)每隔1次試驗(yàn)周期所測(cè)得的力學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，可以得到如圖3所示的各混凝土試塊抗壓耐蝕系數(shù)kfc及抗拉耐蝕系數(shù)kfts隨時(shí)間變化的曲線。

由圖3(a)可看出，在整個(gè)試驗(yàn)周期結(jié)束后各配合比混凝土抗壓強(qiáng)度均有所劣化，其損傷程度從大到小依次為：JZ>SBC-2>SBC-1>SBC-4>SBC-3。其中JZ組200 d后kfc降至0.837 1，情況最為嚴(yán)重。而摻雜纖維試件的kfc值相對(duì)較高，其中SBC-3組僅減小了7.87%，為0.921 3，說明STF和BF共同抑制了硫酸鹽對(duì)混凝土強(qiáng)度的侵蝕作用。在試驗(yàn)開始0～40 d內(nèi)，混摻纖維混凝土各試塊的kfc值均有小幅度增大，是由于在腐蝕初期，SO42-還未能侵蝕混凝土內(nèi)部，此時(shí)的混凝土還處于養(yǎng)護(hù)階段。硫酸根離子可與混凝土表面物質(zhì)生成膨脹產(chǎn)物，使混凝土結(jié)構(gòu)致密，膨脹產(chǎn)物的填充作用有利于混凝土抗壓強(qiáng)度的提高并能部分補(bǔ)償硫酸鹽侵蝕造成的負(fù)面影響；在40～200 d，各組試塊抗壓強(qiáng)度均開始下降，1%STF摻量較2%STF摻量的混凝土試件抗壓強(qiáng)度下降速率更快，表明STF的摻量對(duì)混凝土kfc的影響較大。

圖3 各混凝土試塊抗壓及抗拉耐蝕系數(shù)隨時(shí)間變化曲線

隨著侵蝕齡期的延長(zhǎng)，SO42-逐漸向混凝土內(nèi)部遷移，當(dāng)內(nèi)部孔隙沒有容納膨脹產(chǎn)物的空間時(shí)微裂縫便會(huì)快速發(fā)展，從而使混凝土迅速破壞。STF摻量的提高能夠顯著約束由于硫酸鹽侵蝕造成的微裂縫的發(fā)展，從而減緩kfc的減小趨勢(shì)。JZ組因?yàn)闆]有纖維與基體之間的架橋作用，SO42-很快便侵蝕到了混凝土內(nèi)部，所以kfc值增大周期較短，僅在0～20 d便有所體現(xiàn)，隨后進(jìn)入到減小階段，在160 d由于沒有纖維對(duì)微裂縫發(fā)展的抑制作用，kfc減小速率與前期相比明顯加快。

由圖3(a)、3(b)可看出，試驗(yàn)周期結(jié)束后各組試件抗拉耐蝕系數(shù)kfts大小排序依次為：SBC-3>SBC-4>SBC-1>SBC-2>JZ。其中JZ組在200 d后kfts值減小至0.704 6，已經(jīng)達(dá)到損壞。混凝土試塊的kfts與kfc相比，下降減小幅度更為明顯，如SBC-3組的kfts值在試驗(yàn)周期內(nèi)減小了11.57%，比同時(shí)期kfts值降低了3.70%。韌性差是混凝土的固有缺陷，混凝土的抗拉強(qiáng)度只有抗壓強(qiáng)度的1/10左右，且兩者比值會(huì)伴隨著抗壓強(qiáng)度的提高而減小[23]。因此在腐蝕初期，混凝土kfts值的提高周期相對(duì)較短?；炷恋目估瓘?qiáng)度主要是由水泥水化產(chǎn)物C-S-H (calcium-silicate-hydrate )凝膠的微觀結(jié)構(gòu)所決定，STF和BF可與C-S-H凝膠共同作用形成纖維網(wǎng)狀黏合結(jié)構(gòu)，密實(shí)度和抗拉強(qiáng)度有所上升，增強(qiáng)了混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力。SBC-4組與SBC-3組相比，200 d時(shí)kfts值降低了3.9%，這表明高摻量BF會(huì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部形成新缺陷，不利于抵抗硫酸鹽的侵蝕。無纖維摻入的JZ組kfts變化規(guī)律與kfc相似，由于抗拉強(qiáng)度的大小對(duì)環(huán)境變化更為敏感，從試驗(yàn)周期開始kfts便逐漸劣化，在140 d后劣化速率明顯加快直至試塊損壞。

綜合上述試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)STF摻量為2%、BF摻量為0.1%時(shí)，纖維混凝土kfc和kfts值最大,即硫酸鹽對(duì)混凝土的侵蝕力最小。

3.3 耐久性評(píng)價(jià)參數(shù)

圖4為通過公式(3)～(5)計(jì)算得到的不同配合比的各混凝土試塊耐久性評(píng)價(jià)參數(shù)Er、ξ1和ξ2隨時(shí)間變化的曲線。

由圖4可知，各組試件的Er和ξ1變化幅度較為明顯，而ξ2呈波動(dòng)式變化，劣化幅度較為緩慢。JZ組Er和ξ1在200 d時(shí)接近0.6、0，基本達(dá)到所規(guī)定的失效標(biāo)準(zhǔn)。加入纖維的4組試件的Er和ξ1劣化趨勢(shì)呈同步變化，其損傷程度為：SBC-2>SBC-1>SBC-4>SBC-3，較JZ組相比曲線下降段相對(duì)緩慢，在試驗(yàn)周期結(jié)束時(shí)均未失效。在鹽霧腐蝕的初始階段，由于SO42-離子在水化硅酸鈣(C-S-H)表面吸附量較少，C-S-H膠凝結(jié)構(gòu)較為完整[24]，各組試件Er和ξ1均有不同程度的波動(dòng)性提升。隨著時(shí)間的增加，混凝土內(nèi)部膠凝體系逐漸喪失，內(nèi)部形成的缺陷造成測(cè)試時(shí)超聲波速下降，進(jìn)而體現(xiàn)為Er和ξ1的降低。

圖4 各混凝土試塊耐久性評(píng)價(jià)參數(shù)Er、ξ1和ξ2隨時(shí)間變化曲線

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，STF摻量的增加能夠減少SO42-造成的Er和ξ1損失，但是當(dāng)BF摻量超過0.1%時(shí)，則Er、ξ1損失又會(huì)增加。各組試件ξ2在很長(zhǎng)一段侵蝕齡期內(nèi)大于1.0，其中JZ組在100 d后開始小于1.0，在200 d時(shí)為0.78，質(zhì)量損失最為嚴(yán)重；SBC-3在160 d后才小于1.0，在200 d時(shí)為0.95，未產(chǎn)生膠凝材料脫落現(xiàn)象。早期ξ2的增加可以用硫酸鹽與水泥水化產(chǎn)物來解釋，新生成的膨脹產(chǎn)物為塊狀石膏和鈣礬石，增加了混凝土內(nèi)部的密實(shí)度。隨著侵蝕齡期的增加，積累的膨脹產(chǎn)物在混凝土內(nèi)部形成微裂縫，裂縫間斷產(chǎn)生的集中應(yīng)力造成膠凝材料的脫落，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土質(zhì)量的下降。由于試件中積存的膨脹應(yīng)力可以被纖維分擔(dān)，在試驗(yàn)結(jié)束后，摻有纖維的各組試件ξ2較JZ組相比質(zhì)量損失并不明顯，從而使其耐久性提高。

通過不同配合比的各混凝土試塊耐久性評(píng)價(jià)參數(shù)隨時(shí)間變化規(guī)律可知，Er和ξ1對(duì)于環(huán)境的影響因素具有敏感性，能較好地體現(xiàn)試件的損傷劣化程度。而ξ2上下波動(dòng)幅度較低，不能夠完全反映鹽霧環(huán)境對(duì)質(zhì)量變化的影響規(guī)律，因此所體現(xiàn)的耐久性退化指標(biāo)相對(duì)較差。

3.4 基于改進(jìn)Wiener模型的可靠性壽命預(yù)測(cè)

由于混凝土耐久性的劣化趨勢(shì)具有一定的隨機(jī)性，可以建立基于Wiener隨機(jī)過程下的纖維混凝土損傷劣化模型，使用概率分布函數(shù)來預(yù)測(cè)混凝土的剩余壽命。本文選取相對(duì)動(dòng)彈性模量評(píng)價(jià)參數(shù)作為Wiener隨機(jī)分布函數(shù)的預(yù)測(cè)目標(biāo)，建立了反映纖維混凝土在鹽霧腐蝕環(huán)境下試件壽命的可靠性模型。

3.4.1 模型的改進(jìn) 標(biāo)準(zhǔn)的Wiener模型假設(shè)每個(gè)性能指標(biāo)的劣化趨勢(shì)由隨機(jī)過程描述，它具有以下性質(zhì)：(1)初始退化值的概率為0；(2)退化增量對(duì)于不同的時(shí)間間隔是相互獨(dú)立的；(3)服從隨機(jī)過程的分配。但對(duì)于纖維混凝土在實(shí)際的鹽霧加速試驗(yàn)中，相對(duì)動(dòng)彈性模量的損傷走向還會(huì)沿著某一概率趨勢(shì)逐步偏離初始階段，所以需要考慮帶漂移系數(shù)的Wiener模型。

帶有漂移系數(shù)α的Wiener模型可由公式(6)所示，并需要滿足以下條件：(1)Y(t)為一個(gè)單獨(dú)穩(wěn)定的變量；(2)Y(0)=0,Y(t)通過α逐步遠(yuǎn)離初始退化值；(3)Y(t)～N(α,σ2t)的正態(tài)分布。

Y(t)=αt+σW(t)

(6)

式中：α和σ分別為漂移系數(shù)和布朗擴(kuò)散系數(shù)；W(t)為一次標(biāo)準(zhǔn)的Wiener過程，能夠反映鹽霧腐蝕環(huán)境下由不確定性造成的數(shù)據(jù)誤差。

目前，大多數(shù)帶有漂移系數(shù)的Wiener模型均將研究對(duì)象的劣化過程假設(shè)成關(guān)于時(shí)間疊加的線性函數(shù)，但是在本次試驗(yàn)中可以明顯地觀察到，纖維混凝土的動(dòng)彈性模量存在非線性退化過程，需要進(jìn)行線性轉(zhuǎn)化。此外，不同配合比的混凝土具有各自不同的漂移系數(shù)，因此本文考慮了隨機(jī)效應(yīng)約束對(duì)漂移系數(shù)的影響，并對(duì)傳統(tǒng)帶漂移系數(shù)的Wiener模型進(jìn)行了改進(jìn)。

相對(duì)動(dòng)彈性模量從初始時(shí)間0到t的退化過程可由公式(7)表示：

(7)

式中：W(t;η)為關(guān)于t的非線性函數(shù)；η為函數(shù)W(t;η)的中間變量。

在退化的全過程中必然存在一個(gè)t時(shí)刻的正向單調(diào)增函數(shù)：

(8)

使得Y(t)=Y(0)+bγ，其中b為函數(shù)的斜率。令Y(0)=a,a為常數(shù)，最終可將非線性函數(shù)轉(zhuǎn)化為關(guān)于γ的線性關(guān)系式：

Y(γ)=a+bγ

(9)

在混凝土耐久性劣化過程中，試件耐久性能退化量Y(t)經(jīng)過侵蝕齡期T第1次達(dá)到規(guī)定的失效標(biāo)準(zhǔn)Dt所用的時(shí)間即為失效時(shí)間，表達(dá)式為：

T=inf{t|Y(t)|≥Dt}

(10)

即Y(t)取T∈[0,t]內(nèi)的最大值，在未考慮隨機(jī)效應(yīng)約束對(duì)漂移系數(shù)的影響時(shí)，t時(shí)刻試件耐久性的可靠度R1(t)為：

(11)

式中：Φ(x)表示服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布N(0,1)的取值概率，x∈(-∞,x)。

(12)

(13)

式中：μi=Δyi,max/Δtmax,Δyi,max為第i個(gè)試樣個(gè)體在Δtmax齡期時(shí)相對(duì)動(dòng)彈性模量的最大變化量。

(14)

3.4.2 可靠性評(píng)估 本文選取耐久性能較好的SBC-3組試樣為例，對(duì)其相對(duì)動(dòng)彈性模量進(jìn)行剩余壽命可靠度預(yù)測(cè)。在2.2小節(jié)中已經(jīng)講到當(dāng)混凝土Er的損失達(dá)到0.4時(shí)可認(rèn)定其已破壞。SBC-3中所測(cè)6組試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量隨時(shí)間損傷變化值如表5所示。

表5 相對(duì)動(dòng)彈性模量隨時(shí)間損傷變化值

表5中時(shí)間變化量為20 d，所有試樣初始損傷變化值均為0，當(dāng)損傷變化值達(dá)到0.4時(shí)判定混凝土失效。為反映在鹽霧腐蝕環(huán)境下混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量損失的增加過程，取失效值與初始值之差0.4作為退化量Y(t)。

將各組試塊損傷變化的平均值通過最小二乘法與冪函數(shù)進(jìn)行損傷劣化方程擬合，得出擬合度大于96%的退化軌跡：

Y(t)=9.61292×10-9t3.08098

(15)

對(duì)公式(15)兩邊取對(duì)數(shù)，根據(jù)公式(7)～(9)，令x=lnY(t)-lna，γ=lnt,則將非線性冪函數(shù)方程轉(zhuǎn)化成x關(guān)于γ的線性關(guān)系式：

x(γ)=lnY(t)- lna=blnt=bγ

(16)

從定義x(0)=0出發(fā)，可計(jì)算參數(shù)lna的值如公式(17)所示：

(17)

此時(shí)失效標(biāo)準(zhǔn)Dt為：

Dt=ln 0.4-lna=4.38

(18)

(19)

(20)

由此可得出圖5所示的可靠度函數(shù)變化圖，通過此類方法可以運(yùn)用改進(jìn)后的Wiener模型對(duì)各組混凝土試塊的動(dòng)彈性模量進(jìn)行剩余壽命可靠度評(píng)估，其結(jié)果如圖6所示。

圖5 不同分析模型下的可靠度變化曲線對(duì)比 圖6 各組混凝土試塊剩余壽命可靠度函數(shù)曲線

由圖5可以看出，固定漂移系數(shù)的Wiener退化過程預(yù)測(cè)結(jié)果偏保守，整體可靠度相對(duì)較低。隨機(jī)效應(yīng)約束下的Wiener退化過程能夠考慮各個(gè)試樣不同的劣化速率，因此可靠度變化曲線較為平緩。根據(jù)改進(jìn)的Wiener預(yù)測(cè)模型可以看出SBC-3組試樣在115 d后的相對(duì)動(dòng)彈性模量開始逐漸劣化，基本符合試驗(yàn)所呈現(xiàn)的劣化過程，在354 d時(shí)達(dá)到失效標(biāo)準(zhǔn)，其可靠度降為0。通過圖6對(duì)比各組混凝土剩余壽命可靠度曲線可得，JZ組在208 d時(shí)遭到破壞，這和試驗(yàn)過程中Er和ξ1在200 d時(shí)接近0.6、0的數(shù)據(jù)相吻合，表明改進(jìn)Wiener模型能夠較好地適用于鹽霧腐蝕環(huán)境下混凝土耐久性可靠性評(píng)估。多尺度混雜纖維的加入可以提高混凝土在鹽霧環(huán)境中的服役壽命，就結(jié)果而言，服役時(shí)長(zhǎng)的大小為：SBC-3>SBC-4>SBC-1>SBC-2，具體時(shí)間由高到低分別為：354、330、270、230 d。

4 結(jié) 論

(1)本文通過對(duì)察爾汗鹽湖實(shí)地取樣分析其鹵水主要腐蝕離子含量后，制備同濃度硫酸鈉鹽霧對(duì)纖維混凝土進(jìn)行室內(nèi)加速試驗(yàn)，較好地還原了西部鹽霧地區(qū)對(duì)混凝土材料的破壞過程，明確了混雜纖維的摻入能夠顯著提升混凝土在該地區(qū)的耐久性。

(2)通過對(duì)比各組試件力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，摻入纖維能夠顯著提高混凝土的抗壓及抗拉強(qiáng)度?；炷恋目箟杭翱估臀g系數(shù)隨著STF摻量的提高而增強(qiáng)，過高BF摻量的加入會(huì)導(dǎo)致力學(xué)耐蝕系數(shù)降低。其中SBC-3組較JZ組相比，抗壓強(qiáng)度提高了13.39%，抗拉強(qiáng)度提高了40.92%，處于鹽霧腐蝕環(huán)境下200 d后抗壓及抗拉耐蝕系數(shù)分別提高了10.06%和25.50%。

(3)在室內(nèi)鹽霧腐蝕加速壽命試驗(yàn)中，相對(duì)動(dòng)彈性模量與質(zhì)量損失相比，對(duì)環(huán)境因素的影響更具有敏感性。在試驗(yàn)達(dá)到規(guī)定齡期200 d時(shí)，各組混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量評(píng)價(jià)參數(shù)大小分別為：SBC-3>SBC-4>SBC-1>SBC-2>JZ。其中未摻纖維混凝土已經(jīng)接近破壞標(biāo)準(zhǔn)，而摻有纖維的各組試樣遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到失效標(biāo)準(zhǔn)。說明STF、BF的摻入可以提高混凝土的耐久性，能夠克服西部硫酸鹽鹽霧環(huán)境下建筑物易于損傷破壞的問題。

(4)將相對(duì)動(dòng)彈性模量損失作為關(guān)鍵劣化因素，建立西部鹽霧腐蝕環(huán)境下纖維混凝土壽命預(yù)測(cè)模型是可行的。改進(jìn)后的Wiener模型能夠凸顯出個(gè)體差異，考慮了隨機(jī)效應(yīng)約束對(duì)漂移系數(shù)的影響，在已測(cè)得部分使用壽命的情況下，預(yù)測(cè)出的剩余壽命可靠度和試驗(yàn)情況更為相符。在實(shí)際工程中，提前對(duì)處于鹽霧腐蝕環(huán)境的纖維混凝土進(jìn)行檢測(cè)和維護(hù)將更為方便。