紫外線與凍融循環(huán)作用下的混凝土耐久性研究

徐 帆， 賀新星， 王瑞駿， 緱彥強(qiáng)， 李 陽(yáng)

(1.西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院， 陜西 西安 710048； 2.中國(guó)三峽建設(shè)管理有限公司， 四川 成都 610000)

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)水工大體積混凝土的耐久性研究較為深入，而對(duì)面板混凝土耐久性研究還處于初級(jí)階段，工程界目前關(guān)于面板混凝土的耐久性影響研究，仍大多局限于單一因素，然而在實(shí)際的工程環(huán)境中，有些地區(qū)面板混凝土不可能僅僅受到一種破壞[1]。西部地區(qū)特有的強(qiáng)紫外線輻射、高寒的氣候條件及存在大量鹽湖地區(qū)的自然地理?xiàng)l件，對(duì)水工混凝土的耐久性會(huì)產(chǎn)生很大影響[2]。近年來(lái)相關(guān)學(xué)者對(duì)硫酸鹽侵蝕與凍融循環(huán)共同作用下混凝土耐久性進(jìn)行了復(fù)合損傷機(jī)理和混凝土劣化規(guī)律研究，并取得豐碩的成果。張?jiān)魄宓萚3]對(duì)混凝土在硫酸鎂溶液中的抗凍性進(jìn)行了研究，指出不同性能的混凝土，受硫酸鎂溶液的影響程度不同。苑立冬等[4]研究了不同溶液與凍融共同作用下混凝土損傷試驗(yàn)，得出硫酸鹽溶液對(duì)混凝土凍融破壞既存在抑制作用，又存在促進(jìn)作用。李陽(yáng)等[5]研究了不同水灰比的面板混凝土在硫酸鈉溶液中單一凍融循環(huán)、單一硫酸鹽侵蝕及凍融循環(huán)及硫酸鹽侵蝕交替試驗(yàn)下面板混凝土的質(zhì)量損失率及相對(duì)動(dòng)彈模量變化規(guī)律和特點(diǎn)，并得出相應(yīng)規(guī)律。

相比之下，紫外線輻射與凍融共同作用對(duì)混凝土耐久性研究文獻(xiàn)相對(duì)較少[6-10]，紫外線輻射對(duì)混凝土的劣化機(jī)理還未有深入研究，僅通過(guò)老化試驗(yàn)得到混凝土的力學(xué)性能和一些微觀結(jié)構(gòu)的變化，劣化機(jī)制尚未徹底揭示，目前很少有學(xué)者建立相關(guān)的耐久性預(yù)測(cè)模型[11]。因此，本文在前人研究的基礎(chǔ)上考慮凍融循環(huán)因素，通過(guò)研究紫外線輻射在內(nèi)的多因素作用下面板混凝土的耐久性，為預(yù)測(cè)混凝土面板的壽命以及工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料及混凝土配合比

試驗(yàn)材料的選取按照SL228-2013《混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]要求，本次試驗(yàn)采用普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級(jí)為42.5R；粉煤灰采用渭河電廠Ⅱ級(jí)粉煤灰；骨料采用河砂及粒徑5～35mm的天然卵石；外加劑采用聚羧酸高效減水劑以及三萜皂甙高效引氣劑；水采用普通自來(lái)水。試驗(yàn)設(shè)計(jì)了3組不同水灰比的配合比混凝土試件[13]，每組設(shè)置1組試驗(yàn)組(S)與1組對(duì)照組(D)。混凝土28d抗壓強(qiáng)度測(cè)定時(shí)，不同配合比取3個(gè)試件的平均值。混凝土配合比及力學(xué)性能見(jiàn)表1，由表1可知3組試件的28 d抗壓強(qiáng)度均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

1.2 試件制作及試驗(yàn)方法

制作3組規(guī)格為100 mm×100 mm×400 mm的長(zhǎng)方體混凝土試件，制作完成后將試件放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)28 d，到達(dá)試驗(yàn)齡期前的4 d，將試件從養(yǎng)護(hù)箱中取出，試驗(yàn)組試件放入紫外線老化試驗(yàn)箱中進(jìn)行紫外線輻射試驗(yàn)；對(duì)照組則在相同溫度的養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，試驗(yàn)結(jié)束后，將所有試件擦去表面積水，用電子稱(chēng)測(cè)量初始質(zhì)量，并用動(dòng)彈儀測(cè)量初始自振頻率，同時(shí)進(jìn)行相關(guān)的外觀描述及拍照。

1.2.1 紫外線輻射試驗(yàn) 本試驗(yàn)采用型號(hào)為SC/ZN-PA紫外線老化試驗(yàn)箱模擬紫外線照射環(huán)境，將養(yǎng)護(hù)到一定齡期的混凝土試件放入試驗(yàn)箱進(jìn)行紫外線輻射試驗(yàn)，箱內(nèi)溫度保持在 35℃。在每組試驗(yàn)進(jìn)行的同時(shí)設(shè)置1組對(duì)照組，在同樣35℃的混凝土養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，用以比較紫外線輻射對(duì)混凝土試件造成的影響，試驗(yàn)過(guò)程如圖1、2所示。

1.2.2 凍融循環(huán)試驗(yàn) 將測(cè)試完畢的試驗(yàn)組試件放入凍融循環(huán)機(jī)的試件盒內(nèi)(如圖3、4所示)，按照GB/T82-09《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[14]進(jìn)行凍融試驗(yàn)，每25次結(jié)束時(shí)，測(cè)量試件的質(zhì)量損失率及相對(duì)動(dòng)彈性模量。

表1 混凝土配合比及力學(xué)性能

圖1紫外線老化試驗(yàn)箱圖2紫外線輻射試驗(yàn)過(guò)程圖3混凝土凍融試驗(yàn)機(jī)圖4凍融循環(huán)機(jī)內(nèi)試件擺放情況

1.3 試驗(yàn)結(jié)果的整理與分析方法

本次凍融循環(huán)試驗(yàn)的結(jié)果以混凝土質(zhì)量損失率、相對(duì)動(dòng)彈模量為標(biāo)準(zhǔn)，具體整理及分析方法按SL191-2008《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[15]要求。紫外線輻射對(duì)于質(zhì)量損失率的影響顯著性采用方差分析，方差分析(analysis of variance，簡(jiǎn)稱(chēng)ANOVA)，是一種實(shí)用、有效的處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，能用于檢驗(yàn)試驗(yàn)過(guò)程中有關(guān)因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響的顯著性，其中雙因素試驗(yàn)的方差分析(two-way analysis of variance)是討論兩個(gè)因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響的顯著性，根據(jù)兩個(gè)因素每種組合水平上的試驗(yàn)次數(shù)，可以分為無(wú)重復(fù)試驗(yàn)和重復(fù)試驗(yàn)的方差分析，本次試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)處理中用到的是無(wú)重復(fù)試驗(yàn)方差分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 質(zhì)量損失率試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1.1 質(zhì)量損失率試驗(yàn)結(jié)果 各組試件的質(zhì)量損失率試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，各組試件在不同凍融次數(shù)下的質(zhì)量損失率變化趨勢(shì)如圖5所示。其中A、B、C分別為水灰比不同的3組試件， A(S)、B(S)、C(S)表示各組試件中的試驗(yàn)組(經(jīng)過(guò)紫外線輻射)，A(D)、B(D)、C(D)表示各組試件中的對(duì)照組(無(wú)紫外線輻射)。

表2 各組試件質(zhì)量損失率 %

2.1.2 質(zhì)量損失率結(jié)果分析

(1)在不同水灰比條件下，C組試件的質(zhì)量損失率最大，A組試件的質(zhì)量損失率最小，可以得出：在一定凍融循環(huán)次數(shù)下，水灰比越大，質(zhì)量損失率越大，混凝土的抗凍性越差。

(2)隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，3組試件的質(zhì)量損失率逐漸增大，但質(zhì)量損失率增長(zhǎng)的速度卻有所差異。對(duì)照組的3組試件，其質(zhì)量損失率增速基本上都呈現(xiàn)出先加速后減速的趨勢(shì)。但試驗(yàn)組的3組試件中，C組試件在凍融循環(huán)試驗(yàn)的早期階段，其質(zhì)量損失率增速就已經(jīng)達(dá)到較高的程度，整體上呈現(xiàn)趨勢(shì)為先減速后勻速。通過(guò)分析該現(xiàn)象，可能由于紫外線輻射對(duì)C組試件的表面砂漿造成不利影響，使其在凍融循環(huán)試驗(yàn)早期便形成了凍融損傷。

(3)在凍融循環(huán)次數(shù)低于125次時(shí)，A組試件(W/C=0.35)對(duì)照組與試驗(yàn)組的質(zhì)量損失率沒(méi)有明顯差異，在循環(huán)次數(shù)125～200次階段之間時(shí)，試驗(yàn)組的質(zhì)量損失率相較于對(duì)照組更大，在循環(huán)次數(shù)200次之后，試驗(yàn)組與對(duì)照組的質(zhì)量損失率基本保持一致；在凍融循環(huán)次數(shù)低于175次時(shí)，B組試件(W/C=0.40)試驗(yàn)組的質(zhì)量損失率相較于對(duì)照組更大，在凍融循環(huán)次數(shù)大于175次后，試驗(yàn)組與對(duì)照組的質(zhì)量損失率基本保持一致；在凍融循環(huán)次數(shù)低于150次，C組試件(W/C=0.45)試驗(yàn)組的質(zhì)量損失率相較于對(duì)照組更大，在循環(huán)次數(shù)大于150次后，試驗(yàn)組與對(duì)照組的質(zhì)量損失率基本保持一致。

從以上分析結(jié)果可知，紫外線輻射對(duì)低強(qiáng)混凝土的抗凍性影響主要體現(xiàn)在凍融循環(huán)的早期，而對(duì)高強(qiáng)混凝土影響，卻需要經(jīng)歷一定次數(shù)的凍融循環(huán)后方能表現(xiàn)出來(lái)。

圖5 各組試件的質(zhì)量損失率

2.1.3 方差分析 從表2中雖可得出水灰比與凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)質(zhì)量損失率有明顯的影響，但紫外線輻射對(duì)質(zhì)量損失率是否有明顯的影響難以直接判斷，因此采用方差分析的方法來(lái)檢驗(yàn)紫外線輻射對(duì)于質(zhì)量損失率的影響是否顯著。

以?xún)鋈谘h(huán)次數(shù)與紫外線輻射為影響因素進(jìn)行雙因素?zé)o重復(fù)試驗(yàn)的方差分析，對(duì)于紫外線因素，F(xiàn)服從自由度為(1，11)的F分布，方差分析結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 方差分析結(jié)果

由表3可以看出，紫外線輻射對(duì)A、B、C組混凝土質(zhì)量損失率試驗(yàn)結(jié)果均有顯著影響。

2.2 相對(duì)動(dòng)彈性模量試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 相對(duì)動(dòng)彈性模量試驗(yàn)結(jié)果 各組試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4，各組試件在不同凍融次數(shù)下的動(dòng)彈模量變化趨勢(shì)如圖6所示。

表4 各組試件相對(duì)動(dòng)彈模量 %

圖6 各組試件的相對(duì)動(dòng)彈模量

2.2.2 相對(duì)動(dòng)彈性模量結(jié)果分析

(1)在不同水灰比條件下，在對(duì)照組試件中，C組試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量下降最多，A組試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量下降最少。可以得出：在一定凍融循環(huán)次數(shù)下，水灰比越小，相對(duì)動(dòng)彈性模量越高，混凝土的抗凍性越好，這與質(zhì)量損失率試驗(yàn)結(jié)果相吻合。

(2)在不同紫外線輻射條件下，3組試件中考慮紫外線輻射的試驗(yàn)組試件相較于未考慮紫外線輻射的對(duì)照組試件，其動(dòng)彈模量的變化規(guī)律有所區(qū)別，且在不同的凍融試驗(yàn)階段，相對(duì)動(dòng)彈模量隨著水灰比的不同而有所差異。其中，A組試件在凍融循環(huán)試驗(yàn)的中期階段，試驗(yàn)組的相對(duì)動(dòng)彈模量相較于對(duì)照組更低，而在試驗(yàn)的其他階段試驗(yàn)組與對(duì)照組的相對(duì)動(dòng)彈模量基本一致；B組與C組試件在凍融循環(huán)試驗(yàn)前期階段，試驗(yàn)組的相對(duì)動(dòng)彈模量相較于對(duì)照組更低，在試驗(yàn)的其他階段，試驗(yàn)組與對(duì)照組的相對(duì)動(dòng)彈模量沒(méi)有明顯區(qū)別。

3 考慮紫外線輻射作用的凍融循環(huán)損傷模型研究

損傷度是用來(lái)描述材料受到荷載等外部因素以后，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的受損傷狀態(tài)以及這種狀態(tài)對(duì)于材料的力學(xué)以及外觀性能的影響。從損傷理論角度理解，混凝土結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的各種微裂紋和微缺陷可以看作一個(gè)材料內(nèi)連續(xù)分布的損傷場(chǎng)。相對(duì)動(dòng)彈性模量指標(biāo)在凍融循環(huán)試驗(yàn)中便于測(cè)量和分析，同時(shí)也是描述混凝土材料內(nèi)部變化的一個(gè)重要指標(biāo)，可以將相對(duì)動(dòng)彈性模量用來(lái)定量地分析混凝土材料的內(nèi)部損傷程度，因此損傷度Dn(損傷變量)定義如下：

(1)

式中：Dn為循環(huán)n次后混凝土的損傷度，%；En為凍融循環(huán)n次后動(dòng)彈模量值，MPa；E0為混凝土初始動(dòng)彈模量值，MPa。

由于混凝土材料的特殊性以及混凝土結(jié)構(gòu)復(fù)雜的荷載作用，想要建立一個(gè)能適用所有狀態(tài)下混凝土結(jié)構(gòu)損傷本構(gòu)方程是非常困難的，所以很多研究人員在理論研究的過(guò)程中，通過(guò)相應(yīng)的條件假設(shè)和近似分析，總結(jié)了各種狀態(tài)下不同的損傷模型。本文在已有的一些凍融循環(huán)損傷模型研究基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)據(jù)擬合為本次試驗(yàn)結(jié)果建立合適的損傷模型。

(1)修正的Loland混凝土損傷模型[16]：

(2)

式中：D為凍融循環(huán)n次后混凝土的損傷度;D0為試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)的損傷度，D0=0；β為材料參數(shù)；σmax為混凝土在一個(gè)凍融循環(huán)作用內(nèi)所承受的最大平均靜水壓力；n為凍融循環(huán)次數(shù)。

由于混凝土內(nèi)部液相壓力測(cè)量復(fù)雜，上式簡(jiǎn)化為：

D=1-[1-pn]k

(3)

式中：p，k可由試驗(yàn)結(jié)果擬合確定。

將試驗(yàn)的數(shù)據(jù)代入上述損傷模型中，可以得到各組試件的凍融損傷模型，見(jiàn)表5。

各組擬合曲線與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值的對(duì)比圖見(jiàn)圖7～12所示。

表5 各組試件擬合曲線公式

圖7 A(S)組損傷度擬合曲線圖8 A(D)組損傷度擬合曲線圖9 B(S)組損傷度擬合曲線

圖10 B(D)組損傷度擬合曲線圖11 C(S)組損傷度擬合曲線圖12 C(D)組損傷度擬合曲線

由圖7～12可知，A組試件的損傷度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)出先加速后減速的趨勢(shì)，而C組試件的損傷度在試驗(yàn)剛開(kāi)始階段增加較快，然后勻速增加。造成這種區(qū)別的原因可能是C組試件表面受到紫外線作用更為顯著，在凍融循環(huán)開(kāi)始階段表面的砂漿就快速損傷，這與之前紫外線對(duì)低水灰比混凝土抗凍性的影響在更早的時(shí)段表現(xiàn)出來(lái)的結(jié)論相吻合。

各組擬合得到的損傷度模型與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合，且相關(guān)系數(shù)R都在0.93以上，說(shuō)明損傷模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合精度較高，所以建立的凍融循環(huán)損傷度模型對(duì)本次試驗(yàn)結(jié)果來(lái)說(shuō)是合理的。該損傷度模型對(duì)于試驗(yàn)組及對(duì)照組的擬合結(jié)果都較好，且沒(méi)有較大區(qū)別，所以紫外線輻射因素造成的耐久性影響也處于該凍融循環(huán)損傷模型的合理范圍內(nèi)。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)紫外線輻射與凍融循環(huán)試驗(yàn)方法的設(shè)計(jì)，對(duì)不同水灰比的面板混凝土進(jìn)行了紫外線輻射試驗(yàn)及凍融循環(huán)試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得出以下結(jié)論：

(1)在其他條件一定的情況下，水灰比越低的混凝土抗凍性能越強(qiáng)，表現(xiàn)為質(zhì)量損失率低，相對(duì)動(dòng)彈性模量大，因此對(duì)于有抗凍性要求的混凝土選擇合適的水灰比十分重要。

(2)經(jīng)紫外線輻射的混凝土抗凍性能變差，且隨著水灰比的不同在凍融循環(huán)試驗(yàn)的不同階段表現(xiàn)出來(lái)。紫外線輻射對(duì)低強(qiáng)混凝土的抗凍性影響主要是在凍融循環(huán)的早期表現(xiàn)出來(lái)，而對(duì)高強(qiáng)混凝土在進(jìn)行一定次數(shù)的凍融循環(huán)試驗(yàn)后才能表現(xiàn)出來(lái)。這可能是由于紫外線輻射對(duì)混凝土的表面砂漿造成了不利影響，使之在凍融損傷早期便快速剝落，而由水灰比不同，高強(qiáng)混凝土凍融損傷產(chǎn)生的時(shí)間更晚。在一定凍融循環(huán)次數(shù)后紫外線輻射對(duì)混凝土抗凍性的影響逐漸消失，本次試驗(yàn)在275次凍融循環(huán)后，經(jīng)紫外線輻射的混凝土抗凍性與未經(jīng)輻射的混凝土相同。

(3)本文選用的凍融循環(huán)損傷模型能較好地?cái)M合考慮紫外線作用的凍融循環(huán)損傷。