碳酸鹽-凍融耦合作用下建筑混凝土的損傷劣化

于 洋

(中鐵十九局集團(tuán)第一工程有限公司, 遼寧 遼陽 111000)

0 引 言

我國東北地區(qū)四季分明，氣候特征顯著。受溫差變化的影響，室外混凝土建筑均出現(xiàn)了不同程度的破損，加之近年來環(huán)境污染導(dǎo)致的酸雨增多，加重了混凝土建筑物的損傷劣化進(jìn)程。大量混凝土建筑物承載能力降低，嚴(yán)重危害了人民的生命財(cái)產(chǎn)安全[1-2]。因此，有必要對酸性環(huán)境及凍融循環(huán)耦合作用下混凝土的損傷劣化性質(zhì)進(jìn)行研究。

近年來，我國學(xué)者對混凝土損傷劣化方面的研究成果頗豐。方小婉等[3]對混凝土受外界環(huán)境影響后的物理力學(xué)性質(zhì)方面進(jìn)行了研究，為下一步開展混凝土損傷實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。宿小萍等[4]綜合考慮了鹽浸、凍融及干濕三因素對混凝土的影響，通過電鏡掃描、化學(xué)成分鑒定及EDX能譜分析等手段對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。黃靈芝等[5]通過凍融實(shí)驗(yàn)，分析了混凝土損傷層厚度的變化情況，基于三維顆粒流數(shù)值模擬方法建立了損傷混凝土數(shù)值模型。閆景晨等[6]通過數(shù)字圖像技術(shù)(DIC)對幾種不同的混凝土在重復(fù)荷載作用下的損傷情況進(jìn)行了細(xì)觀研究，分析了試樣內(nèi)部裂縫的時(shí)空演化規(guī)律。馮忠居等[7]通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)對高寒地區(qū)橋梁樁基混凝土在復(fù)合鹽凍條件下的力學(xué)特性進(jìn)行了研究，分析了各參數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)、鹽濃度的變化規(guī)律。王晨霞等[8]通過加載實(shí)驗(yàn)，對再生混凝土的抗凍性進(jìn)行了研究，分析了不同凍融循環(huán)次數(shù)下試樣的損傷劣化情況，并建立了損傷模型。夏京亮等[9]對摻加不同類型巖石粉的混凝土試樣的抗動(dòng)性進(jìn)行了研究，對比分析了幾種巖石粉對混凝土抗凍性的效果。王建剛等[10]通過室內(nèi)加載實(shí)驗(yàn)，對再生混凝土進(jìn)行了不同碳化程度、不同凍融循環(huán)次數(shù)及干濕循環(huán)次數(shù)下的耐久性實(shí)驗(yàn)研究。何曉雁等[11]通過抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，掃描電鏡及X射線衍射實(shí)驗(yàn)對不同橡膠摻量的混凝土進(jìn)行了研究，分析了酸性腐蝕和凍融雙重影響后混凝土的物理力學(xué)性質(zhì)。張信龍等[12]針對寒區(qū)混凝土的損傷劣化問題，對不同尾礦砂摻量的混凝土進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析了酸性環(huán)境及凍融作用下混凝土的破壞機(jī)制。李北星等[13]通過抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)及室內(nèi)檢測實(shí)驗(yàn)，對酸性環(huán)境腐蝕、凍融循環(huán)作用后的混凝土進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。王凱等[14]通過酸性環(huán)境下混凝土動(dòng)彈模量的退化規(guī)律，分析了酸性環(huán)境對混凝土的損傷劣化機(jī)制。張向東等[15]通過抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，研究了煤矸石混凝土在酸性環(huán)境和凍融雙重作用下的損傷劣化機(jī)制。Han等[16]通過三軸壓縮實(shí)驗(yàn)對不同化學(xué)溶液作用下混凝土的力學(xué)特性及凍融損傷機(jī)制進(jìn)行了研究。Segovia等[17]對化學(xué)腐蝕作用下鋼筋水泥混凝土的損傷劣化機(jī)制進(jìn)行了研究，建立了一個(gè)力學(xué)和電化學(xué)模型。Ding等[18]通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，對凍融循環(huán)和干濕循環(huán)耦合作用下混凝土的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了分析。Shi等[19]通過稀釋除冰劑對硅酸鹽水泥混凝土的凍融損傷和化學(xué)變化進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究

綜上分析，已有結(jié)論對混凝土受凍融及酸性環(huán)境腐蝕影響進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究，但對碳酸鹽-凍融耦合對混凝土物理力學(xué)特性的研究相對較少。基于此，筆者在已有研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合沈陽某高層民用建筑的工程背景，對不同碳酸鹽侵蝕時(shí)間、不同凍融循環(huán)次數(shù)下的混凝土試樣進(jìn)行了加載前后的實(shí)驗(yàn)研究，分析了二者對混凝土的物理力學(xué)性質(zhì)損傷劣化規(guī)律及破壞機(jī)理，并通過Origin軟件建立了凍融、酸性腐蝕時(shí)間耦合作用下的預(yù)測模型，以期能夠?yàn)楣こ虒?shí)際提供可靠的技術(shù)支持。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料

水泥采用阜新鷹牌水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5型普通硅酸鹽水泥；粉煤灰取自阜新清河門金山熱電廠的Ⅱ級(jí)粉煤灰；細(xì)骨料采用常見的普通河沙，細(xì)度模數(shù)為2.42；粗骨料采用不同級(jí)配碎石，粒徑區(qū)間為5.0～16.0 mm；減水劑采用阜新金凱化工有限公司生產(chǎn)的高效減水劑,w=0.5%；水采用普通生活用水。根據(jù)工業(yè)與民用建筑用混凝土相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，并結(jié)合工程實(shí)際，每立方米混凝土配合比見表1。

表1 混凝土配合比

1.2 方法

為研究碳酸鹽與凍融循環(huán)耦合作用下建筑混凝土的損傷劣化規(guī)律，以Na2CO3溶液模擬混凝土所處的碳酸鹽環(huán)境，分析Na2CO3溶液不同濃度、浸泡時(shí)間對混凝土的影響。將浸泡后的混凝土進(jìn)行凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)，分析凍融循環(huán)對混凝土的影響。最后，對Na2CO3溶液浸泡、凍融后的混凝土試樣進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，分析混凝土受碳酸鹽與凍融循環(huán)耦合作用后的力學(xué)特性。

(1)腐蝕實(shí)驗(yàn)。將制備好的混凝土試樣置于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的Na2CO3溶液中，設(shè)置浸泡時(shí)間分別為24、48、72、96 h。待浸泡達(dá)到浸泡時(shí)間后，擦干表面多余液體稱重，拍照記錄試樣表面侵蝕情況。

(2)凍融實(shí)驗(yàn)。將腐蝕后的混凝土試樣置于快速凍融實(shí)驗(yàn)箱中，設(shè)置凍融循環(huán)次數(shù)分別為10、20、30、40次。待達(dá)到指定凍融循環(huán)次數(shù)后，取出試樣再稱重，拍照記錄試樣表面破損情況，對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行聲波檢測。

(3)單軸壓縮實(shí)驗(yàn)。單軸壓縮實(shí)驗(yàn)在MTS815.02多功能伺服三軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上完成。實(shí)驗(yàn)用混凝土試件為高100 mm、直徑50 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體。凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)及單軸壓縮實(shí)驗(yàn)具體操作過程與韓鐵林等[20]的研究方法相同，不再詳細(xì)介紹。

2 結(jié)果分析

2.1 物理性質(zhì)

圖1為加載前試樣的質(zhì)量損失率、聲波損失率凍融循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系。由圖1可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的逐漸增加，不同浸泡時(shí)間下混凝土試樣的質(zhì)量損失率km逐漸增大，縱波波速的損失率kv同樣逐漸增大；同一凍融循環(huán)次數(shù)下，試樣質(zhì)量損失率與縱波波速損失率同樣隨浸泡時(shí)間的延長逐漸遞增。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以浸泡時(shí)間48 h為例，當(dāng)凍融循環(huán)10次時(shí)，試樣質(zhì)量損失率與縱波波速損失率分別為0.32%和0.65%；當(dāng)凍融循環(huán)增至40次時(shí)，兩指標(biāo)的損失率分別增大至0.63%和1.36%。以凍融循環(huán)20次為例，當(dāng)浸泡時(shí)間為24 h時(shí)，試樣的質(zhì)量損失率與縱波波速損失率分別為0.39%和0.59%；當(dāng)浸泡時(shí)間延長至96 h時(shí)，量指標(biāo)的損失率分別增大至0.69%和1.63%?？梢?，碳酸鹽與凍融循環(huán)顯著加速了混凝土的損傷劣化。

碳酸鹽與混凝土反應(yīng)能產(chǎn)生一定量碳酸鈣，并在溶液中溶解，導(dǎo)致試樣的質(zhì)量減輕，波速降低；凍融循環(huán)使得試樣內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)不斷承受收縮膨脹作用，顆粒間黏結(jié)強(qiáng)度降低，導(dǎo)致試樣表面出現(xiàn)剝落碎屑，進(jìn)而導(dǎo)致試樣的質(zhì)量減輕，波速降低。碳酸鹽與凍融循環(huán)相互促進(jìn)，其中，凍融循環(huán)引發(fā)的凍脹應(yīng)力可加快混凝土表面腐蝕產(chǎn)物的脫落以及內(nèi)部新裂縫的產(chǎn)生，并促使已有微裂縫擴(kuò)展以至貫通，從而為碳酸鹽腐蝕介質(zhì)的進(jìn)一步侵入提供快速通道。

圖1 質(zhì)量、縱波波速損失率與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig. 1 Relationship between mass, p-wave velocity loss rate and number of freeze-thaw cycles

2.2 碳酸鹽影響

對碳酸鹽不同浸泡時(shí)間、不同凍融循環(huán)次數(shù)下的混凝土試樣進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，計(jì)算不同實(shí)驗(yàn)條件下試樣的抗壓強(qiáng)度及彈性模量，并繪制二者對浸泡時(shí)間、凍融循環(huán)次數(shù)的變化曲線，以此來分析混凝土試樣的強(qiáng)度參數(shù)的劣化規(guī)律。

圖2 強(qiáng)度參數(shù)與碳酸鹽浸泡時(shí)間的關(guān)系Fig. 2 Relationship between strength parameters and soaking time of carbonate

2.3 凍融循環(huán)影響

圖3為混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度與彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的分布曲線。由圖3可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的逐漸增加，不同浸泡時(shí)間下試樣的抗壓強(qiáng)度、彈性模量均呈逐漸遞減變化趨勢。以浸泡時(shí)間48 h為例，當(dāng)凍融循環(huán)10次時(shí)，混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度為76.47 MPa，彈性模量為10.59 GPa；當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)分別為20、30、40次時(shí)，試樣的抗壓強(qiáng)度分別減小了17.44%、32.66%和49.73%，彈性模量分別減小了22.24%、26.18%和38.67%?？梢姡炷猎趦鋈谘h(huán)下承載能力顯著降低，且凍融循環(huán)次數(shù)越多，試樣的承載能力越低。原因是混凝土在凍融循環(huán)作用下，其內(nèi)部孔隙中的水分不斷的進(jìn)行固態(tài)與液態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)化，體積則不斷的在膨脹與收縮之間循環(huán)，混凝土孔隙周圍的骨架結(jié)構(gòu)不斷進(jìn)行拉伸作用，使得骨架的承載能力降低。但隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土內(nèi)部骨架在反復(fù)拉伸作用下迅速屈服，凍融導(dǎo)致的損傷逐漸減小，使得抗壓強(qiáng)度和彈性模量降幅逐漸減小，曲線逐漸趨緩。

圖3 強(qiáng)度參數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig. 3 Relationship between strength parameters and number of freeze-thaw cycles

2.4 碳酸鹽-凍融耦合影響

圖4為混凝土強(qiáng)度參數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)、碳酸鹽浸泡時(shí)間的三維分布曲面。從圖4可以明顯看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)和碳酸鹽溶液浸泡時(shí)間的同時(shí)增加，混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度、彈性模量均呈逐漸減小的變化趨勢。產(chǎn)生強(qiáng)度參數(shù)遞減的原因與前文一致，需要補(bǔ)充的是在碳酸鹽-凍融耦合作用下，混凝土試樣的劣化程度加重，碳酸鹽侵蝕導(dǎo)致試樣表面及內(nèi)部孔隙增大，孔隙中水分增多，凍融循環(huán)導(dǎo)致孔隙中水分凍結(jié)膨脹作用更強(qiáng)，進(jìn)而骨架結(jié)構(gòu)拉伸更嚴(yán)重。采用Origin軟件對抗壓強(qiáng)度、彈性模量同時(shí)隨凍融循環(huán)和浸泡時(shí)間進(jìn)行三維曲面擬合，發(fā)現(xiàn)兩參數(shù)與凍融循環(huán)和浸泡時(shí)間之間關(guān)系為

(1)

式中：Z——強(qiáng)度參數(shù)；

n——凍融循環(huán)次數(shù)；

t——碳酸鹽浸泡時(shí)間；

Z0、B、C、D——擬合參數(shù)。

混凝土抗壓強(qiáng)度的擬合參數(shù)Z0、B、C、D分別為23.41、86.72、186.06、44.44，相關(guān)系數(shù)R2為0.983 7?；炷翉椥阅Ａ康臄M合參數(shù)Z0、B、C、D分別為5.10、12.02、95.51、37.20，相關(guān)系數(shù)R2為0.920 3。由此可知，文中混凝土的強(qiáng)度參數(shù)與凍融循環(huán)和浸泡時(shí)間相關(guān)度均在0.9以上，具有較好的相關(guān)性。

圖4 強(qiáng)度參數(shù)與凍融循環(huán)、浸泡時(shí)間的關(guān)系Fig. 4 Relationship between strength parameters and freeze-thaw cycle and soaking time

3 結(jié) 論

(1)逐漸增加凍融循環(huán)次數(shù)，不同浸泡時(shí)間下混凝土試樣的質(zhì)量損失率和縱波波速的損失率逐漸增大。同一凍融循環(huán)次數(shù)下，試樣質(zhì)量損失率與縱波波速損失率同樣隨浸泡時(shí)間的延長逐漸遞增。

(2)同一凍融循環(huán)次數(shù)下，隨著碳酸鹽浸泡時(shí)間的逐漸延長，試樣抗壓強(qiáng)度、彈性模量均呈逐漸遞減變化趨勢，且降幅逐漸減小。同一碳酸鹽浸泡時(shí)間下，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的逐漸增加，試樣抗壓強(qiáng)度、彈性模量均呈逐漸遞減的變化趨勢，且降幅逐漸減小。

(3)Origin軟件三維曲面擬合顯示，混凝土的強(qiáng)度參數(shù)與凍融循環(huán)、碳酸鹽腐蝕時(shí)間之間滿足指數(shù)函數(shù)遞減關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均在0.9以上，表明文中所得指數(shù)函數(shù)適用于凍融循環(huán)與碳酸鹽腐蝕下的混凝土強(qiáng)度預(yù)測。