多種不利因素作用下的水工混凝土老化機理研究

郭鵬高

(綏中縣水利事務服務中心，遼寧 綏中125200)

1 凍融破壞下的微觀、宏觀結構

水工混凝土普遍存在堿集料反應、碳化、溶蝕、裂縫和凍融等引起的老化問題，混凝土損傷是各種因素交互作用的結果，而非單一因素的簡單疊加，其破壞過程非常復雜。因此，研究多種不利因素交互作用下的老化機理具有重要意義。

凍融破壞是指在凍融和溫度交變作用下飽水狀態(tài)的混凝土所產(chǎn)生的破壞，宏觀上的凍融破壞表現(xiàn)出力學性能下降、粗細骨料分離、剝落、開裂等，如徐中如院士[1]研究了水工結構的老化機理和安全隱患，并探討了凍融循環(huán)過程中混凝土、砂漿、水泥石等水泥基材料的宏觀破壞特征和物理力學性能變化特點。然而，從微觀結構上探討混凝土凍融破壞的研究較少。

一般地，從微觀結構上凍融破壞表現(xiàn)出以下特征：

1)孔結構的變化：測定凍融前后40mm×40mm×160mm砂漿試件和水泥凈漿試件的孔體積，結果顯示凍融作用大大提高了砂漿和水泥石的孔隙率，尤其是毛細孔(孔徑>50μm)體積明顯增大。如砂漿的孔體積從凍融前的0.0526 cm2/g明顯增大至0.0741 cm2/g，毛細孔所占比例從凍融前的42.5%增大至41.67%；水泥漿的孔體積從0.1206 cm2/g明顯增大至0.1983 cm2/g，毛細孔所占比例從17.20%增大至29.15%。這是由于一些微孔孔徑、體積在反復凍融過程中不斷增大，經(jīng)凍融循環(huán)產(chǎn)生一定的微裂紋。

2)顯微結構的變化：凈漿結構凍融前具有較少細孔，結構整體較為致密，凍融后出現(xiàn)許多蜂窩狀大孔，結構逐漸稀疏，凍融作用增大了其平均孔徑。這是由于水泥基試件受凈水壓力和凍融的雙重作用，結構內部總的孔徑大、大孔徑的孔增多，結構疏松。該條件下，水泥凈漿試件的圓形斷面邊界兩邊的孔結構存在較大差異，并且能夠看到明顯的裂紋，試件中心處的孔徑相對較小，整體致密，而裂縫兩邊的孔徑很大，結構輸送[2-3]。

3)水泥砂漿的結構變化：受凍融前混凝土中的水泥砂漿結構致密，硬化的水泥石能夠完全包裹住骨料，結合力較強，水泥石受凍融作用后變得稀松，骨料與水泥石脫離而形成裂紋。

2 水工混凝土結構失穩(wěn)機理

2.1 宏觀裂縫類型

宏觀裂縫有以下4種類型：

1)不利荷載裂縫：一般是指混凝土在不利荷載作用下因超標應力而產(chǎn)生的部分裂縫。

2)收縮裂縫：包括碳化、干燥、沉降和塑性收縮裂縫。

3)溫度裂縫：因寒潮、基巖高差、新老混凝土結構、基巖約束和溫控不當?shù)纫鸬牧芽p。

4)堿集料反應裂縫：是指在堿性骨料作用下而形成混凝土裂縫。

2.2 結構失穩(wěn)機理

結合試驗分析成果，在荷載作用下混凝土微觀裂縫及應變曲線的演變過程，應力應變曲線，見圖1，以此探討結構的失穩(wěn)機理。

圖1 應力應變曲線

從圖1可以看出：①砂漿與骨料結合面在達到極限應力的30%時開始出現(xiàn)結合裂縫；②外荷載達到30-50%極限應力時結合裂縫呈緩慢發(fā)展；③在達到極限應力的70%時形成砂漿裂縫，砂漿裂縫在達到極限應力75%時發(fā)展緩慢，該過程中結合裂縫不斷增大；④砂漿裂縫在外荷載作用達到界限應力時快速增大，并進一步生成宏觀裂縫，混凝土承載力下降，結構應變軟化并出現(xiàn)裂縫失穩(wěn)破壞[4]。

總體上，可以將裂縫失穩(wěn)劃分成3個階段，并用能量描述其擴展特征[5]：①第1階段：發(fā)生變形所需的塑性功及自由表面形成所需的表面能大于縫端區(qū)域釋放的應變能力，該過程處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會發(fā)生裂縫的擴展；②第2階段：縫端區(qū)域產(chǎn)生不可逆變形所需的塑性功及形成自由表面所需的表面能等于縫端區(qū)域釋放的應變能力，該階段處于裂縫擴展臨界狀態(tài)；③第3階段：縫端區(qū)域產(chǎn)生不可逆變形所需的塑性功及形成自由表面所需的表面能小于縫端區(qū)域釋放的應變能力，該階段會發(fā)生裂縫擴展失穩(wěn)。

3 碳化對混凝土結構的影響

3.1 碳化過程及其影響因素

混凝土的碳化過程包括水泥其他水化產(chǎn)物、混凝土中的Ca(OH)2與CO2在水存條件下發(fā)生的物理或化學反應和CO2向混凝土內部擴散兩個過程，并且化學反應速率遠大于擴散過程速度，所以CO2的擴散過程控制總的碳化過程[6]。

假設混凝土碳化區(qū)的CO2濃度為0、表面濃度為C0，從外部到內部CO2濃度線性減小，吸收CO2后單位體積混凝土發(fā)生化學反應為恒定量值，則CO2遵循Fick第一定律向混凝土內擴散。針對時間變化與碳化深度間的關系，有學者提出理論數(shù)學模型，其表達式為：

(1)

式中：hD、vD、t為碳化深度、碳化速度系數(shù)和碳化時間；DCO2、C0為有效擴散系數(shù)和環(huán)境中CO2的濃度；m0為單位混凝土吸收的CO2量。其中，各種環(huán)境因素和混凝土的本身性質決定了m0、C0、DCO2數(shù)值。

此外，徐中如等通過碳化試驗提出混凝土碳化深度與各碳化齡期之間的關系[7-8]，其表達式為：

hD=vDtβ

(2)

式中：β為計算參數(shù)，該數(shù)值一般<按Fick第一定律推導的數(shù)值，這是由于混凝土作為一種非均質體主要由粗細集料、水泥石構成，而碳化只是針對水泥石，CO2向粗集料內部擴散速度較緩慢，水泥石的分布特點對CO2的擴散影響較大，所以實際碳化過程與公式(1)的兩個基本假定有較大出入；vD為碳化速度系數(shù)包括環(huán)境中CO2的濃度C0、混凝土中CO2的有效擴散系數(shù)DCO2和單位體積混凝土吸收的CO2量，其中混凝土自身特性決定了m0和DCO2，而環(huán)境因素與C0直接相關。所以，外部環(huán)境因素和材料自身因素是決定混凝土碳化速度的兩大因素。

3.2 碳化對結構性能的影響

脫水過程在一定程度上與碳化對水泥石結構的影響相類似，碳化會導致混凝土發(fā)生不可逆的緩慢收縮甚至表面微裂縫，其實質就是水泥石孔結構和孔孔隙率的改變，這種改變對水泥基的滲透性勢必會造成影響[9]。因此，碳化降低結構的總孔隙率是碳化影響混凝土孔隙結構的主要表現(xiàn)形式。

4 滲流溶蝕對水工結構的影響

4.1 滲流溶蝕病害

在水壓力作用下混凝土作為一種多孔介質會發(fā)生滲漏，從而產(chǎn)生溶蝕。其作用機理為：水泥石中的Ca(OH)2隨滲漏水溶解流失，水泥石中的Ca2+離子濃度下降并致使水化產(chǎn)物中的其他離子溶出，這種溶蝕現(xiàn)象降低了混凝土的抗?jié)B性和強度。

4.2 滲流溶蝕過程分析

水泥石中的Ca2+離子隨滲流過程逐漸溶出，其中Ca(OH)2屬于這些Ca2+離子的最初來源，水泥石中的Ca2+離子濃度會隨Ca(OH)2的溶出進一步下降，水化產(chǎn)物溶解平衡逐漸被打破，并導致水化產(chǎn)物的其他離子和Ca2+離子的溶出，提高了Si/Ca值。水中的CO32-也可以與Ca2+離子反映生成CaCO3，在較小滲流流速下粗糙的混凝土裂縫表面有CaCO3結晶附著，這為裂縫的自愈提供了必要條件。然而，滲流水逐漸帶出CaCO3形成析出物后將逐漸降低這種自愈能力；同時，CaCO3的不斷析出也會給水工結構的耐久性和強度帶來危害。

5 水工混凝土組合老化機理

5.1 壓力作用下的滲流機理

各種荷載及其組合是水工混凝土結構產(chǎn)生裂縫的關鍵，而裂縫是發(fā)生滲流的根本原因。因此，結合相關研究有必要深入探討水工混凝土在壓力作用下的滲流機理：

5.1.1 荷載對滲透性的影響

隨應力比η的變化不同強度、不同配合比的混凝土試件滲透系數(shù)k的變化特征，不同應力比η/%下的滲透系數(shù)k，見表1。從表1可以看出：①混凝土抗壓強度與滲透性高度相關，滲透系數(shù)越小則混凝土強度越高；②隨應力比變化各試件滲透系數(shù)的變化規(guī)律相同，應力比<60%條件下，隨應力比的增大各試件滲透系數(shù)呈明顯減小趨勢；③滲透系數(shù)在應力比接近60%時達到最小，滲透系數(shù)在滲透系數(shù)>60%后快速增加。混凝土滲透性受應力作用而發(fā)生改變，這顯然與裂縫狀態(tài)、集料-水泥漿體界面強度等結構變化相關。

表1 不同應力比η/%下的滲透系數(shù)k

壓力引起一定范圍內的新生裂縫及混凝土中與荷載方向偏差較小或與荷載方向平行的原生裂縫，從而增大了結構的滲透性；同時，在一定程度上垂直于壓力方向的原生裂縫存在“壓合”作用，這降低了結構的滲透性。所以，這兩種作用的綜合效應即為壓力對滲透性的影響。針對綜合效應，水泥漿體—集料界面縫在混凝土承受壓力f<極限應力fc的30%時能夠保持穩(wěn)定不發(fā)生擴展，界面縫在f達到極限應力fc的30-50%時將在過渡區(qū)內緩慢擴展，裂縫在f達到極限應力fc的50%以上時就可以擴展到水泥基材中，而f>fc的75%時裂縫在水泥基材中會進一步擴展直至混凝土發(fā)生破壞。

5.1.2 混凝土強度、應力比與滲透系數(shù)的關系

在應力比≤60%時，隨應力比的增大滲透系數(shù)呈減小趨勢，結合其變化趨勢兩者之間存在負指數(shù)函數(shù)關系。因此，可以利用以下公式擬合表1中的試驗數(shù)據(jù)，各參數(shù)擬合值，見表2，擬合公式為：

k=k0e-xη

(3)

式中：k為應力比η<60%時混凝土滲透系數(shù)；k0、α為無應力狀態(tài)下的滲透系數(shù)和回歸系數(shù)。

表2 各參數(shù)擬合值

由表2可知：①應力比與滲透系數(shù)高度相關；②抗壓強度與試件滲透性高度相關，即強度越高混凝土試件的滲透系數(shù)越小。

綜上所述，混凝土滲透性受荷載影響較大，壓應力<60%時荷載與混凝土垂直方向會產(chǎn)生原生裂縫，隨應力比的增大混凝土滲透系數(shù)受一定程度的“壓合”作用而近似呈負指數(shù)函數(shù)減小趨勢。在應力>70%極限應力的條件下，裂縫“壓合”對滲透性的影響作用已小于荷載引起的裂縫擴張作用。

5.2 彎曲荷載作用下的碳化

CO2通過微裂縫向混凝土內部擴散，而裂縫的形成與發(fā)展大多是由荷載所引起的。因此，混凝土碳化率必然會受到結構承受的荷載大小和形式的影響。Caste等學者試驗研究了15cm×28cm×300cm梁構件的碳化深度，并認為承受正常荷載時的碳化深度更大。應力與碳化深度存在的關系如下，其表達式為：

(4)

式中：hDso、hσs試件受應力為0和σs處截面上的碳化深度；hDs為有效深度；h為受力方向與試件平行面的高度；σs為彎曲應力；β為經(jīng)驗系數(shù)。

彎曲應力的存在加速了砂漿的碳化過程和水泥凈漿的硬化，砂漿和水泥漿體的結構變化必然會與這種影響相關聯(lián)。彎曲應力較大時會引起原生裂縫的擴展和新裂縫的形成，進一步加速碳化。一般地，荷載有促進和限制混凝土碳化收縮兩種作用形式，一定應力范圍內荷載有利于減緩混凝土的碳化。

5.3 碳化和凍融組合作用的試驗研究

水工結構普遍存在碳化和凍融破壞等病害，混凝土的微觀結構與其凍融破壞、碳化過程密切相關，水工結構反過來又會受凍融和碳化的影響。因此，混凝土凍融破壞、碳化為相互促進、相互制約的過程，同時碳化能夠在不同程度上提高混凝土的抗凍性[10-13]。

5.3.1 原材料分析

混凝土試件及試驗所用砂漿、水泥凈漿，混凝土試件凍融配合比，見表3。在相對濕度≥90%、溫度20℃±2℃、CO2濃度20%±5%標養(yǎng)條件下碳化14d和28d，然后開展凍融循環(huán)試驗以探討碳化對水泥基材料抗凍性的影響。

表3 混凝土試件凍融配合比

為了探討水泥材料碳化性能受凍融循環(huán)的影響，利用C-4059型自振頻率測試紙測定經(jīng)不同凍融循環(huán)和不同碳化時間后試件的自振頻率，計算確定其相對動彈性模量。水泥基材料的相對動彈性模量，見表4。

表4 水泥基材料的相對動彈性模量

表4 水泥基材料的相對動彈性模量

5.3.2 數(shù)據(jù)分析

從表4可以看出：①水泥基材料抗凍性經(jīng)碳化作用能夠得到一定的改善，凍融循環(huán)次數(shù)相同時，碳化后的混凝土、砂漿和水泥凈漿試件的相對動彈性模量有所提高，即碳化試件發(fā)生凍融破壞時經(jīng)歷的凍融循環(huán)次數(shù)更多，但總體變化不太明顯；②水泥基材碳化后生成的碳酸鈣，沉積于試件內部的毛細孔中，改變了試件的微觀結構，即>100μm的毛細孔體積減小而<100μm的有所增大，這種填充作用降低了其總孔隙率，水工結構更加致密。具體而言，>100μm的毛細孔體積減小則代表試件受到的總膨脹減少；由于增大了水分遷移難度，這使得滲透壓力的增長變得緩慢，因此碳化增強了試件的抗凍性。在一定碳化程度下，試件的抗凍融破壞能力隨碳化時間的延長而增強，碳化14d的試件抗凍性低于碳化28d。

5.4 凍融循環(huán)對抗碳化性能的影響

水泥基材料在經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后的碳化試驗結果，水泥基材料碳化和凍融后的碳化深度，見表5。

表5 水泥基材料碳化和凍融后的碳化深度

續(xù)表5 水泥基材料碳化和凍融后的碳化深度

從表5可以看出：①水泥基材料的抗碳化性能會受凍融作用而大大下降，混凝土、砂漿、水泥凈漿以及強度較高或較低的試件，經(jīng)凍融循環(huán)次數(shù)越多則抗碳化性能越差。如，經(jīng)歷15次凍融后A2、C2的28d碳化深度分別增加了近50%和70%，其他試件的增加幅度也較為明顯；②結合前文分析，凍融循環(huán)作用下水泥基材料試件會產(chǎn)生滲透壓力和膨脹壓力，即水在運動過程中會將原先封閉的孔隙連通，結構內部組織疏松使得總孔隙率增大，并且試件的孔隙率及其受到的破壞程度隨著凍融次數(shù)的增加而增大。按照碳化機理將增大其碳化系數(shù)，因此CO2能夠更加迅速的擴散到結構內部，大大降低了其抗碳化性；③針對不同水泥基材料抗碳化能力，從小到大排序依次為混凝土<砂漿<凈漿，這是由于試件的密實性和儲備Ca(OH)2量的大小是決定水泥基材料碳化速率的關鍵因素。以上試件中，水泥凈漿的密實性和儲備Ca(OH)2量最高，所以其抗碳化性能最好。

6 結 論

文章結合實際監(jiān)測資料和相關試驗數(shù)據(jù)，從宏觀和微觀兩個層面探討了水工結構老化病變機理，重點研究了結構裂縫的產(chǎn)生與失穩(wěn)機理、水工混凝土的組合老化機理、水泥石溶蝕碳化過程及影響、凍融作用下的結構變化等內容，主要結論為：

1)碳化能夠在一定程度上降低水工結構的毛細孔隙體積，使混凝土抗凍性有所提高，但整體提高幅度較小。

2)凍融循環(huán)能夠加速碳化，因此在水工結構設計時要注重考慮混凝土碳化受凍融作用的影響。