復雜環境下水工混凝土耐久性評價研究

張 偉，溫玉霞

(1.內蒙古河套灌區管理總局義長灌城管理局，內蒙古 巴彥淖爾 015100；2.內蒙古河套灌區管理總局總干渠管理局，內蒙古 巴彥淖爾 015100)

水工混凝土結構處于具有侵蝕介質的環境下時，其耐久性就會發生劣化，很多混凝土結構并沒有達到設計使用壽命[1- 2]。因此，如何提高水工混凝土的耐久性以及如何對其耐久性劣化過程進行準確評估，成為工程及學術界的熱門話題之一。

影響水工混凝土耐久性的因素有很多，比如人工砂中石粉含量[3]、礦物摻合量[4]、外加劑的摻合量[5- 7]等。外部環境同樣也是混凝土耐久性的主要制約條件，如鹽凍環境、凍融循環，酸性腐蝕等[8- 9]。水工混凝土經常暴露于大氣環境中，因而會受到碳化作用；處于水位變化的地區，混凝土還會受到干濕循環的作用，同時在一些污染比較嚴重的地區，水環境中含有較多的酸性物質，對混凝土造成侵蝕。目前，很多關于混凝土的力學行為研究主要還是集中于單一因素的研究，對復雜壞境、多場耦合作用下的混凝土耐久性研究還是比較少見，因而本文在前人研究基礎上[10]，對不同配合比下的水工混凝土在“碳化-硫酸鹽侵蝕-干濕循環”作用下的耐久性進行了評價研究，可為工程設計提供經驗借鑒。

1 水工混凝土耐久性評價體系建立

可通過數學方法來表達各因素之間的相關關系，現實中通常采用灰色關聯度的方法，灰色關聯度越大，表示關系越密切；灰色關聯度的分析方法一般分為：確定評價指標、獲取數據及確定主行為序列、將數據無量綱化、進行關聯度計算、指標對比排序等五個步驟。其中，計算關聯度的方法有很多種，本文采用鄧氏關聯度模型進行計算表達：

R=W×E

(1)

式中，R—關聯度評價結果矩陣；W—指標權重矩陣；E—關系度矩陣。

采用層次分析法進行主管權重的賦值，首先構建判斷矩陣：

(2)

通過判斷矩陣P，求解出最大特征根λ和特征向量w1(a，b，c)，a、b、c表示評價指標，本文研究指標對象為動彈性模量、抗壓強度、質量損失三項。

采用嫡權法進行客觀權重賦值，其嫡權矩陣為：

(3)

(4)

式中，W2—客觀權重矩陣。

再將w1和W2按照式(5)進行耦合計算，得到各評價指標的實用權重為：

(5)

將式(5)得到權重矩陣以及關系度矩陣相乘，即可得到灰色關聯度值。通過對關聯度值分析，將混凝土的耐久性分為五個等級，見表1。

表1 關聯度取值范圍對應耐久性評價等級

2 耐久性劣化過程試驗研究

2.1 試驗簡介

試驗采用水泥為當地水泥廠生產普通硅酸鹽水泥，細骨料細度模數為2.75，表觀密度2590kg/m3，粗骨料為5～25mm連續級配，表觀密度2750kg/m3，粉煤灰主要成分為二氧化硅、三氧化二鋁、氧化鈣等，密度為2.05g/cm3，試驗過程中加入一定量的引氣劑。試驗共分為三組配合比，具體配比設計情況見表2。按照各組試驗配合比制作成邊長為10cm的標準正方形試件，分別進行碳化-硫酸鹽侵蝕-干濕循環作用下的動彈性模量測試、抗壓強度測試以及質量損失測試(硫酸鈉溶液濃度為5%，碳化箱中CO2濃度為0.5%，干濕循環次數為120次)。

表2 水工混凝土配合比設計 單位：kg/m3

2.2 動彈性模量劣化規律

復雜侵蝕環境下，混凝土的相對動彈性模量值隨循環次數的劣化規律如圖1所示。從圖中可以觀察到：相對動彈性模量(0～30次)均略有上升，而后呈逐漸下降趨勢，且后期減小過程越來越快，表明后期混凝土經過多次的干濕循環和碳化腐蝕后，其內部損傷達到一個閾值，因而其動彈會加速下降；水膠比為0.45和0.5時，其相對動彈性模量相差不大，而水膠比達到0.55，且干濕循環50次后，其相對動彈性模量的下降速度明顯大于0.45和0.5水膠比下的下降速度，可見適當減小水膠比，可提升水工混凝土在碳化-硫酸鹽侵蝕-干濕循環作用下的耐久性。

圖1 相對動彈模量變化規律

2.3 抗壓強度劣化規律

復雜侵蝕環境下，混凝土的抗壓強度耐腐蝕系數隨循環次數的變化規律如圖2所示。從圖2中可以看到：抗壓強度耐腐蝕系數的變化規律與相對動彈性模量的變化規律保持一致；在前期，受碳化和硫酸鹽的侵蝕，在混凝土微孔隙和裂隙處產生碳酸鈣鈣礬石填充物，混凝土密實度提高，使強度略有增加，當侵蝕和循環作用到一定程度后，內部出現膨脹和剝落，抗壓強度逐漸下降；水膠比越大，內部越不密實，后期受侵蝕的強度劣化越明顯。

圖2 抗壓強度耐腐蝕系數變化規律

2.4 質量劣化規律

復雜侵蝕環境下，混凝土的質量損失率隨循環次數的變化規律如圖3所示。質量損失率與抗壓強度的變化原理其實一致，即前期質量增加是由于碳酸鈣鈣礬石的產生并填充混凝土微裂隙，當侵蝕和循環作用到一定程度后，混凝土最薄弱的地方開始出現剝落現象，因而質量下降；水膠比越大，膨脹剝落作用越明顯，后期的質量損失也越大。

圖3 質量損失變化規律

3 復雜環境下混凝土耐久性評價

根據式(2)得到構建判斷矩陣為：

(6)

其中a=1.316，代入數據計算得λ=3.0083，W1=(0.3368，0.4858，0.1774)-1。以S2組實驗數據為例，計算得到的各評價指標的相對重要度的嫡權值矩陣為：W2=(0.347，0.3422，0.3108)-1。通過式(5)計算：可得S2組的實用權重矩陣為：W=(0.3650，0.4761)。

以實驗數據為依托，S2組在循環10次以后的關系度矩陣為：

E10=[0.914 0.878 0.814]

(7)

將W和E10相乘，得到最終的關聯度R10=0.882，同理，將不同循環次數下的實驗值帶入計算，即可得S2組最后的關聯度矩陣：

(8)

從R值的變化規律可以看出，混凝土的耐久性在侵蝕環境及循環作用50次后，由“較好”狀態轉變為中等偏差狀態，這與上文試驗結果比較吻合。

根據上述計算過程，分別得到三組的關聯度值變化趨勢如圖4所示。從圖4中可以看出，不同配合比下關聯度值變化趨勢表現一致，均是先增加后減小的趨勢，這與相對動彈和抗壓強度的變化規律一樣，當循環次數達到30次后，關聯度逐漸減小，表明耐久性逐漸變差，當循環次數達到50次后，耐久性由“較好”轉變為“中等”，當循環次數達到70次左右時，耐久性由“中等”變為“較差”狀態，當循環次數達到100次左右時，耐久性狀態表現為“差”。由此，可以得出不同配合比的混凝土隨侵蝕循環次數耐久性的等級評定表，見表3。在大水膠比(0.55)下，混凝土將率先在70次后進入耐久性“較差”狀態，而0.45和0.5水膠比下，均可達到90次后才進入“較差”狀態，這對于工程設計實踐具有重要的參考意義。

4 結論

針對0.45、0.5以及0.55三組不同水膠比配合比下的混凝土試驗組進行耐久性劣化規律及評價研究，認為在0.45和0.5水膠比下的混凝土可在“碳化-硫酸鹽侵蝕-干濕循環”作用下堅持更長時間(90次)，其耐久性表現更優，而在0.55水膠比下，耐久性稍差，僅能堅持70次左右的循環侵蝕作用，這對于水工混凝土的合理設計使用具有重要意義。

圖4 各組關聯度值變化規律

表3 耐久性隨侵蝕循環次數評價等級結果