持續(xù)荷載與干濕循環(huán)耦合作用下混凝土毛細(xì)吸水性能試驗(yàn)研究

汪林志，高明中，楊德傳，王 鵬

(1.安徽理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，淮南 236025；2.安徽理工大學(xué)深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，淮南 232001)

0 引 言

水在混凝土內(nèi)的傳輸性能始終是研究混凝土結(jié)構(gòu)耐久性不可規(guī)避的因素。近年來，不少學(xué)者通過改變混凝土的原材料和配合比來改變水的傳輸性能，例如在混凝土內(nèi)摻入有機(jī)硅[6]或橡膠[7]等。這些舉措雖然能夠降低混凝土吸水性能，但始終無法從本質(zhì)上改變其親水性質(zhì)，因此，研究水在混凝土內(nèi)的傳輸和分布仍具有意義。孔隙和裂縫作為混凝土中水分傳輸?shù)闹饕ǖ?，直接決定水在混凝土中滲透、毛細(xì)吸水以及蒸發(fā)等多種機(jī)制的傳輸[8]，而不同荷載水平的作用又影響著混凝土多尺度孔隙結(jié)構(gòu)(無害孔、少害孔、有害孔及多害孔)[9]，引起孔隙的破裂與相互貫通，進(jìn)而形成新裂縫，間接影響混凝土吸水性能。實(shí)際工程中，混凝土不僅處于不同荷載水平的持續(xù)荷載作用下，還要承受水的反復(fù)侵蝕，為此，研究持續(xù)荷載與干濕循環(huán)耦合作用下混凝土的吸水特性是準(zhǔn)確預(yù)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命的重要前提和評(píng)估依據(jù)。在現(xiàn)有研究中，關(guān)于荷載對(duì)混凝土滲透率與吸水率[10-12]影響的探究有很多，普遍都認(rèn)同隨著荷載水平的增加，水在混凝土中的傳輸性能均存在一個(gè)閾值，小于閾值時(shí)，傳輸性能與荷載水平成反比；大于閾值時(shí)，則反之。然而，每個(gè)試驗(yàn)的混凝土配比不同，導(dǎo)致混凝土累計(jì)吸水量變化的閾值也不盡相同。

在現(xiàn)有的研究中，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備條件約束，很難將荷載與干濕循環(huán)耦合作用于混凝土。大部分停留在荷載作用產(chǎn)生裂縫后再進(jìn)行干濕循環(huán)，這種研究方法對(duì)混凝土在現(xiàn)實(shí)中毛細(xì)吸水性能變化的描述與預(yù)測(cè)存在著一定的片面性。基于此，本文依據(jù)ASTM C1585—2013標(biāo)準(zhǔn)，改良混凝土吸水試驗(yàn)系統(tǒng)以及干燥系統(tǒng)，開展荷載與干濕循環(huán)耦合作用下混凝土的毛細(xì)吸水試驗(yàn)，研究不同荷載水平與不同次數(shù)干濕循環(huán)對(duì)混凝土毛細(xì)吸水性能的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料及試件制備

水泥為M 32.5砌筑水泥，淮南舜岳水泥有限責(zé)任公司；細(xì)骨料為淮河河砂，最大粒徑為4.75 mm，細(xì)度模數(shù)為2.4，密度為2.41 g/cm3；粗骨料為粒徑5～15 mm天然花崗巖碎石，密度為2.63 g/cm3；水為實(shí)驗(yàn)室自來水?；炷涟磎(水泥) ∶m(碎石) ∶m(中砂) ∶m(水)=1 ∶2 ∶2 ∶0.5的質(zhì)量配合比制備。利用外徑為15 mm、長(zhǎng)為200 mm的PVC管插入標(biāo)準(zhǔn)混凝土模具底部中心處，如圖1(a)所示,利用改進(jìn)的模具制作中空混凝土試件，在制作后6 h內(nèi)及時(shí)拔出PVC管，24 h后拆模并放入飽和氫氧化鈣溶液中養(yǎng)護(hù)28 d，具體情況見圖1。

圖1 混凝土制備Fig.1 Concrete preparation

制備3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊(150 mm×150 mm×150 mm)，用于測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d混凝土抗壓強(qiáng)度，單軸抗壓強(qiáng)度結(jié)果為17.7 MPa；15個(gè)中空混凝土試件，其中3個(gè)用于測(cè)定中空混凝土的抗壓強(qiáng)度，單軸抗壓強(qiáng)度結(jié)果也為17.7 MPa。剩余12個(gè)用于探究不同荷載水平與不同干濕循環(huán)次數(shù)(N)耦合作用條件下混凝土毛細(xì)吸水性能，同時(shí)為減少蠕變效應(yīng)對(duì)混凝土毛細(xì)吸水影響作用，本試驗(yàn)只討論前幾次干濕循環(huán)情況，具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1。

表1 混凝土所受耦合條件情況Table 1 Coupling conditions of concrete

1.2 吸水試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為減少持續(xù)壓荷載的波動(dòng)，本試驗(yàn)采用機(jī)械加載的方式，利用RRTS-Ⅱ型巖石流變及擾動(dòng)效應(yīng)試驗(yàn)儀[13-14]作為加載裝置，加載時(shí)通過液壓泵將液壓油分別輸送入小油缸和大油缸，大油缸內(nèi)活塞桿混凝土接觸并提供壓應(yīng)力，而小油缸則通過輸油管維持大油缸內(nèi)的壓力，以此構(gòu)成穩(wěn)壓系統(tǒng)，具體如圖2所示。加載采用齒輪和液壓二級(jí)擴(kuò)力，擴(kuò)力比可達(dá)60～100倍(本試驗(yàn)裝置的擴(kuò)力比為72)，擴(kuò)力比K可表示為:

(1)

式中：d1、d2分別為大齒輪和小齒輪直徑；φ1、φ2分別為大油缸和小油缸的活塞直徑。

圖2 RRTS-Ⅱ型巖石流變擾動(dòng)效應(yīng)儀Fig.2 RRTS-Ⅱ rock rheological disturbance effector

定義荷載水平λc為實(shí)際加載應(yīng)力f與試件單軸抗壓強(qiáng)度平均值fc的比值，可表示為：

(2)

混凝土吸水系統(tǒng)基于連通器原理：將橡膠管(外徑為13 mm)分別與混凝土中心孔道的兩端粘連，并用玻璃膠填充連接處(靜置24 h)保證吸水系統(tǒng)的密封性，對(duì)混凝土施加荷載達(dá)到預(yù)定值10 min后，分別將兩根L型(內(nèi)徑為6 mm)玻璃管插入橡膠管中，其中一根L型玻璃管上貼有刻度為精度為0.1 mm的透明刻度尺，從進(jìn)水管注水，每隔一定時(shí)間讀取觀測(cè)管水位高度并記錄，每次吸水過程記錄時(shí)長(zhǎng)為300 min，記錄完后繼續(xù)試件的吸水過程，在吸水24 h后，用鼓風(fēng)機(jī)以5 m/s的風(fēng)速在自然平均溫度為35 ℃的環(huán)境下(平均每天記錄溫度所得)自然風(fēng)干24 h。本次試驗(yàn)設(shè)定荷載水平λc分別為0%、10%、20%、35%，分別記錄第1次、3次、7次干濕循環(huán)吸水過程中觀測(cè)管的水位變化。在試驗(yàn)結(jié)束后，分別對(duì)每個(gè)試件進(jìn)行自然狀態(tài)和飽和狀態(tài)下的含水率測(cè)試，結(jié)果得出自然干燥狀態(tài)含水率平均為2%，飽和狀態(tài)含水率平均為6%。

2 結(jié)果與討論

本次試驗(yàn)中，混凝土試件不僅處于雙向不等應(yīng)力場(chǎng)，同時(shí)還受孔道集中的靜水壓力P0作用，為更好地分析試件的累計(jì)吸水量與各階段吸水率，首先對(duì)試件各處所受應(yīng)力情況進(jìn)行理論計(jì)算。

圖3 試件加載及吸水過程Fig.3 Specimen loading and water absorption process

由于觀測(cè)管的水位高于孔道，所以孔道的靜水壓力為：

P0=γwh

(3)

式中：γw為水的相對(duì)密度；h為觀測(cè)管水位與孔道的高差(如圖3所示)。

在孔道中，每個(gè)方向的集中應(yīng)力P為:

(4)

式中：r為孔道半徑;β為角度。

依據(jù)土力學(xué)理論，集中應(yīng)力P對(duì)距離孔道中心z處的徑向作用應(yīng)力σz為:

(5)

結(jié)合彈性理論，側(cè)壓系數(shù)λ為0時(shí)，雙向應(yīng)力無限板內(nèi)圓形孔的徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力分別為：

(6)

(7)

式中：f為加載應(yīng)力；θ為所求位置與水平的夾角(具體見圖4)；σr為f作用的徑向應(yīng)力；σt為f作用的切向應(yīng)力。

根據(jù)式(6)可知，試件各處所受靜水壓力的影響遠(yuǎn)小于孔道周圍的徑向應(yīng)力，可將其忽略不計(jì)，得到：

(8)

由上述可知，距孔道頂、底部1.73r處出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，且在兩側(cè)最大切向應(yīng)力集中系數(shù)值達(dá)到3。

圖4 試件受力分析Fig.4 Force analysis of the specimen

在靜水壓力忽略不計(jì)情況下，非飽和混凝土中的水分傳輸主要由其內(nèi)部孔隙及喉道內(nèi)液體表面積上張力產(chǎn)生的毛細(xì)吸附作用所主導(dǎo)，通?；炷羻挝幻娣e上的累計(jì)吸水量i(mm)可表示為：

(9)

式中：Δm為某一時(shí)刻累計(jì)吸水質(zhì)量，g；ρw為水的質(zhì)量密度，g/mm3；Ac為試件吸水面積，mm2；S為試件吸水率，mm·min-1/2；t為吸水時(shí)間，min；b為縱軸截距,mm。

2.1 不同耦合條件下混凝土累計(jì)吸水量

不同荷載水平與干濕循環(huán)耦合作用條件下混凝土累計(jì)吸水量情況如圖5所示。由圖5(f)不難發(fā)現(xiàn)在第1次干濕循環(huán)過程中，混凝土累計(jì)吸水量隨著荷載水平的增加呈先減后增的趨勢(shì)，且此趨勢(shì)的閾值λt在10%～20%。然而，由于本試驗(yàn)中混凝土孔道的布置與荷載水平方向相互垂直，使得混凝土處于雙向不等應(yīng)力場(chǎng)中，如圖4(b)所示，孔道附近兩側(cè)處于3倍荷載水平作用影響，對(duì)比實(shí)際混凝土累計(jì)吸水量變化的閾值λt應(yīng)處于30%～60%。

當(dāng)荷載水平λc達(dá)到35%時(shí)，混凝土累計(jì)吸水量突增至3.538 mm，接近4倍無荷載水平作用影響的累計(jì)吸水量。分析認(rèn)為，當(dāng)荷載水平較低時(shí)，混凝土內(nèi)部孔隙和喉道會(huì)產(chǎn)生一定程度壓縮以及部分閉合，從而間接減小混凝土的孔隙度,導(dǎo)致累計(jì)吸水量減少；而當(dāng)荷載水平較高時(shí)，混凝土內(nèi)部的孔隙和喉道因自身強(qiáng)度原因而擴(kuò)展、貫通，發(fā)育成明顯的裂縫，為水的傳輸提供更大尺寸的運(yùn)輸通道以及儲(chǔ)存空間，同時(shí)隨著荷載水平的不斷增加，孔道頂、底部的拉應(yīng)力對(duì)其作用愈加明顯，尤其當(dāng)荷載水平增加至35%時(shí)，孔道頂、底部有明顯的裂縫，極大程度上增加了混凝土內(nèi)部與水的接觸面積，使得在300 min的觀測(cè)時(shí)間內(nèi)，混凝土累計(jì)吸水量突增至無荷載作用的4倍左右。

圖5 不同荷載水平與干濕循環(huán)耦合試件吸水累計(jì)吸水量曲線Fig.5 Cumulative water absorption curves for specimens coupled with dry-wet cycles and different load levels

同時(shí)，當(dāng)荷載水平λc相同時(shí)，混凝土累計(jì)吸水量會(huì)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，出現(xiàn)不同程度的減少。在試驗(yàn)過程中，時(shí)常發(fā)現(xiàn)石英管內(nèi)有絮狀物的出現(xiàn)，結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象分析，水在滲入試件內(nèi)部時(shí)，會(huì)溶蝕孔隙或裂縫周圍部分細(xì)小顆粒，而在干濕循環(huán)的干燥過程中，水會(huì)以氣、液兩相狀態(tài)脫離混凝土，此時(shí)由水溶蝕的細(xì)小顆粒便會(huì)部分留存在孔隙與裂縫之中，從而堵塞部分孔隙以及喉道，減小水傳輸通道的尺寸，如此周而復(fù)始的影響，導(dǎo)致混凝土累計(jì)吸水量隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而不斷下降。在低荷載水平時(shí)，無荷載作用第7次干濕循環(huán)的累計(jì)吸水量相較于第1次降低了63.48%，而在荷載水平λc為10%時(shí)其累計(jì)吸水量降低了72.75%，這說明在沒有損傷混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)時(shí)，隨著荷載水平的增加，混凝土累計(jì)吸水量受干濕循環(huán)的影響也會(huì)隨之增大，分析認(rèn)為有兩種原因:其一，混凝土內(nèi)部顆粒之間的黏結(jié)力會(huì)隨著荷載水平的增加而減小，從而更易被水溶蝕；其二，隨著荷載水平的增加，孔隙會(huì)不斷被壓縮，使得孔隙邊緣出現(xiàn)裂紋擴(kuò)展，導(dǎo)致孔隙與水的接觸面積增加，從而導(dǎo)致水溶蝕的細(xì)小顆粒增多。隨著荷載水平的增加，孔道頂、底部所受的拉應(yīng)力對(duì)混凝土累計(jì)吸水量的影響會(huì)變得愈加明顯，拉應(yīng)力對(duì)混凝土的作用影響便不可忽略，此時(shí)混凝土累計(jì)吸水量是由局部的壓應(yīng)力和局部的拉應(yīng)力共同作用所導(dǎo)致的結(jié)果，情況比較復(fù)雜，由于試驗(yàn)的局限性，便不做分析。

2.2 不同耦合條件下試件的吸水率

非飽和混凝土毛細(xì)吸水過程可分為兩個(gè)階段：第一階段是水與混凝土表面剛開始接觸，表面區(qū)域快速吸水的初始階段，此階段定義為混凝土初始吸水率S1。第二階段是水滲入混凝土內(nèi)部孔隙，由于張力作用影響，形成薄膜阻礙水在混凝土內(nèi)部的吸附，此階段定義為混凝土后期吸水率S2[15-16]。因此混凝土累計(jì)吸水量與吸水時(shí)間的關(guān)系曲線表現(xiàn)為雙線性，根據(jù)圖5和式(9)對(duì)不同耦合條件下混凝土累計(jì)吸水量進(jìn)行雙線性擬合，時(shí)間拐點(diǎn)約為7.8 min1/2。得到不同耦合條件下混凝土的初始吸水率S1與后期吸水率S2,并求此兩階段的差值S2-S1,所得擬合參數(shù)如表2所示。

表2 混凝土吸水率以及雙曲線擬合參數(shù)Table 2 Water absorption rate of concrete and parameters for fitting the hyperbolic curve

圖6為荷載水平與干濕循環(huán)耦合作用下混凝土吸水率曲線。由圖6(a)、(b)可以看出，隨著干濕循環(huán)的次數(shù)增加，混凝土的初始吸水率S1、后期吸水率S2都會(huì)相應(yīng)降低。其中在荷載水平λc為35%時(shí)，混凝土各階段吸水率下降最明顯，第7次干濕循環(huán)的初始吸水率S1和后期吸水率S2分別是第1次干濕循環(huán)的24.17%和23.53%，同時(shí)混凝土前、后期兩階段吸水率隨著荷載水平增加出現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，這與混凝土累計(jì)吸水量的規(guī)律相一致。由圖6(c)所示，在干濕循環(huán)為第1次時(shí)，當(dāng)荷載水平λc小于10%時(shí)，混凝土初始吸水率S1大于后期吸水率S2，在荷載水平λc大于10%時(shí)，混凝土后期吸水率S2大于初期吸水率S1,分析認(rèn)為，隨著荷載水平的增加，孔道頂部和底部的拉應(yīng)力對(duì)混凝土的作用愈加明顯，由式(8)可知，在距孔道頂?shù)撞?.73r處徑向應(yīng)力才開始顯現(xiàn)為拉應(yīng)力，而混凝土初始吸水階段的吸水深度并未達(dá)到此處，隨著時(shí)間的推移，毛細(xì)作用深度漸漸達(dá)到拉應(yīng)力顯現(xiàn)區(qū)域，對(duì)于混凝土材料而言，當(dāng)拉應(yīng)力達(dá)到一定程度時(shí)，其對(duì)應(yīng)區(qū)域所發(fā)育的裂縫尺寸會(huì)隨著荷載水平的增加而不斷增加，不斷發(fā)育的裂縫不僅為水滲入提供儲(chǔ)存空間，同時(shí)也間接增大了混凝土的吸水面積，因此導(dǎo)致在荷載水平達(dá)到一定程度時(shí)，混凝土的后期吸水率S2大于初期吸水率S1。而在干濕循環(huán)為第3次時(shí)，混凝土初始吸水率S1大于后期吸水率S2，分析認(rèn)為前幾次干濕循環(huán)過程中，孔道頂部和底部拉應(yīng)力顯現(xiàn)區(qū)域中未經(jīng)水化反應(yīng)的硅酸鹽部分會(huì)進(jìn)行二次養(yǎng)護(hù)，從而降低該區(qū)域的毛細(xì)作用。第7次干濕循環(huán)中，混凝土初始吸水率S1小于后期吸水率S2，分析認(rèn)為，在每次干濕循環(huán)過程中，均會(huì)伴隨著次生孔隙出現(xiàn)，當(dāng)混凝土內(nèi)未水化反應(yīng)部分經(jīng)歷前幾次干濕循環(huán)反應(yīng)后，便不再出現(xiàn)二次養(yǎng)護(hù)的現(xiàn)象，此后混凝土內(nèi)部的毛細(xì)孔會(huì)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而增加，使得后期吸水率S2大于初始吸水率S1。

圖6 荷載水平與干濕循環(huán)耦合作用下混凝土吸水率曲線Fig.6 Water absorption rate curves of concrete under coupled load levels and wet-dry cycles

2.3 累計(jì)吸水量及各階段吸水率回歸分析

為分析在不同荷載水平與干濕循環(huán)次數(shù)耦合作用下混凝土累計(jì)吸水量以及各階段吸水率的變化情況。以荷載水平和干濕循環(huán)次數(shù)為自變量，分別對(duì)混凝土累計(jì)吸水量、初始吸水率和后期吸水率進(jìn)行非線性曲面擬合，經(jīng)過多次擬合對(duì)比，得到累計(jì)吸水量Rational Taylor非線性回歸模型如式(10)所示，以及初始吸水率和后期吸水率Gauss Cum非線性回歸模型如式(11)和式(12)所示。

(10)

(11)

(12)

圖7為累計(jì)吸水量及各階段吸水率回歸曲面。如圖7所示，構(gòu)建可視化模型來直觀分析不同荷載水平和干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)混凝土累計(jì)吸水量、初始吸水率以及后期吸水率的作用影響。

圖7 累計(jì)吸水量及各階段吸水率回歸曲面Fig.7 Cumulative water absorption and regression surfaces for each stage of water absorption

總體上，在荷載水平和干濕循環(huán)次數(shù)耦合條件作用下，混凝土累計(jì)吸水量、初始吸水率以及后期吸水率的變化趨勢(shì)相似。在荷載水平λc為35%時(shí)，混凝土吸水特性參數(shù)受干濕循環(huán)影響最大，同時(shí)在第1次干濕循環(huán)時(shí)，混凝土吸水特性相關(guān)參數(shù)受荷載水平影響最顯著，且隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，荷載水平對(duì)混凝土吸水特性的影響逐漸減弱，這與2.1節(jié)以及2.2節(jié)所得結(jié)論相似，因此上述模型能夠較好地描述不同荷載水平和干濕循環(huán)次數(shù)耦合條件作用下，混凝土的毛細(xì)吸水性能。

3 結(jié) 論

(1)混凝土的累計(jì)吸水量與各階段吸水率均隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加出現(xiàn)不同程度的減小，且在荷載水平λc為35%時(shí)，受干濕循環(huán)影響作用最為顯著。

(2)在側(cè)壓系數(shù)λ為0的雙向不等應(yīng)力場(chǎng)中，混凝土的初始吸水率S1隨著荷載水平的增加呈先減小后增加的規(guī)律，其荷載水平的閾值λt在10%～20%內(nèi)，同時(shí)此閾值λt隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而減小。

(3)在側(cè)壓系數(shù)λ為0的雙向不等應(yīng)力場(chǎng)中，混凝土后期吸水率S2與初始吸水率S1的差值隨著荷載水平增加逐漸減小，甚至有后期吸水率S2大于初始吸水率S1的情況出現(xiàn)。

(4)分別采用Rational Taylor和Gauss Cum回歸模型，較好地描述在不同荷載水平和干濕循環(huán)次數(shù)耦合條件作用下，混凝土的毛細(xì)吸水性能。