鹽凍循環對濕篩混凝土損傷演化研究

雷康，陳波

(1. 湖北凱耀宏建設工程有限公司，湖北 潛江 433100；2.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

中國水能資源豐富，截至2013年底已建各類大壩97 721座，現今工程建設主要集中在中西部地區，這些地區晝夜溫差大，在冬季氣溫大都會降到0℃以下。加之區域多含鹽滯性地下水，導致大多混凝土結構都受到了嚴重損傷，對其高效運行產生了極大影響，如鹽鍋峽的壩基工程、青海朝陽水電工程、甘肅省靖會電力提灌項目等都出現了一定程度損傷問題[1]。

可見鹽凍循環作用下的水工混凝土的損傷、劣化演化的研究對解決實際工程問題具有一定的應用價值，對拓展混凝土耐久性學科具有深遠的科學價值，存在諸多問題亟待解決。且目前該領域研究較少，加之國內外基于常態混凝土受鹽凍循環作用而引起的結構損傷問題已經開展了較為深入的研究，取得了諸多科學成果。徐存東等[2]通過摻入一定量的引氣劑和粉煤灰提高嚴寒地區混凝土的抗侵蝕能力。李文霞[3]等對混凝土材料進行干濕循環、凍融循環以及硫酸鹽侵蝕試驗后發現，硫酸鹽會顯著的加速混凝土材料的劣化。姜磊等[4]通過試驗研究建立考慮凍融循環次數的材料損傷準則，發現混凝土的應力峰值、彈性模量隨凍融次數的增加而降低。以上研究為探究大體積水工混凝土在鹽凍循環作用下的損傷問題墊定了堅實的基礎。本文以水位干濕變區域濕篩混凝土為研究對象，利用動彈性模量測試儀技術對被檢目標進行檢測，基于快凍法推導相對動彈性模量與凍融循環次數之關系，并建立了混凝土損傷演化方程，探究水位變化區處混凝土損傷劣化的規律，以期為實際工程提供相應的技術指導。

1 試驗方法

1.1 試驗原料和混凝土配合比

試驗選用PO42.5普通硅酸鹽水泥，粗骨料選用級配良好的人工碎石，其中小石粒徑為5～20 mm，中石粒徑為20～40 mm，大石粒徑為40～80 mm，中砂選用級配良好的天然河砂，含水率為4.7%，細度模數為2.8，粉煤灰選用Ⅰ級粉煤灰；減水劑、引氣劑選用JM-II型高效減水劑、引氣劑AIR202；水為自來水，澆筑配合比設計[2]見表1，具體規程參考水工混凝土配合比設計規范。

表1 單位立方米混凝土材料用量

1.2 試件制作

研究進行三級配水工濕篩混凝土試驗，試件澆筑依據水工混凝土澆筑規程，將原材料中大于30 mm的粗骨料進行篩除。取過篩之后的混凝土澆筑試件，具體試驗分組見表2。濕篩混凝土試件成型后，用塑料膜覆蓋，以防止水分蒸發，并在20℃±5℃的室內靜置48 h，隨后拆模并統一編號。拆模完成后，立即將試件放入溫度為20℃±5℃、標準養護室內養護至規定期限。

表2 混凝土試件分組

1.3 試驗工況設計和損傷檢測

本試驗中混凝土試件浸泡溶液為5%(質量分數)Na2SO4溶液，試驗在2種工況下進行。

a) 工況1 即水凍循環。試件養護至規定齡期前4 d時，將試件放入20℃±3℃的水中浸泡4 d，吸水飽和。浸泡至規定齡期后，按照組別向試件盒中注入高于試件頂面20 mm的自來水，對應放入HDK-9型混凝土快速凍融試驗機進行60、120、180、240、300、360次凍融循環試驗。

b) 工況2 即鹽凍循環，試件在養護至規范規定齡期4 d前，將其放入溫度為20℃±3℃，質量分數5% Na2SO4配合溶液中自然浸泡4 d飽和后按組別將試件裝入試件盒中，并向試件盒中注入5% Na2SO4配合溶液，溶液高于試件頂面20 mm。對應放入HDK-9型混凝土快速凍融試驗機進行60、120、180、240、300、360次凍融循環試驗。

放置控溫試件，一次凍融循環歷時2.5～4 h，其中降溫歷時1.5～2.5 h，升溫歷時1.0～1.5 h；降溫和升溫終了時，試件中心溫度應分別控制在-17℃±2℃和8℃±2℃，試件中心和表面的溫差小于28℃。

在以上2種工況下利用NEL-DTA型動彈性模量測試儀檢測每個周期下混凝土試件的動彈性模量。

2 鹽凍循環作用下混凝土損傷研究

2.1 混凝土外觀損傷特征

不同凍融循環次數后，水凍和鹽凍2種情況下的濕篩混凝土試件的外觀損傷見圖1、2，由圖可以看出，試件在經歷2種工況下的凍融循環試驗之后先后經歷了混凝土表面出現麻點坑洞、膠凝材料的流失，細骨料外露、粗骨料出現，混凝土棱角脫落等3個階段。

a) 60次 b)120次 c)180次

d) 240次 e)300次 f)360次圖1 水凍作用下的外觀損傷

a) 60次 b)120次 c)180次

d) 240次 e)300次 f)360次圖2 鹽凍作用下的外觀損傷

對比圖1、2可以看出，當凍融循環次數相同時，鹽凍試驗條件下混凝土外觀損傷程度強于水凍循環試驗，180次凍融循環后，鹽凍試件和水凍試件的表觀特征差異顯著，并且隨著凍融循環次數的增加，鹽凍循環侵蝕作用對混凝土表觀損傷比單一水凍循環要大得多。可見，鹽凍作用在加快混凝土表面損傷速度的同時，也加重了其損傷程度。

2.2 動彈性模量檢測結果

以混凝土相對動彈性模量En、損傷變量Dn對工況1、2條件下的混凝土損傷變量進行定量描述。表3為2種工況下試件在經歷不同凍融循環次數后的動彈性模量，由表3可以看出，隨凍融循環的加強，水凍和鹽凍條件下的濕篩混凝土的動彈性模量逐漸降低，且鹽凍情況下動彈性模量下降速度更快。

表3 不同凍融循環次數后的混凝土動彈性模量

混凝土試件的相對動彈性模量可以通過測試其在不同的測試條件下的動彈性模量并依據式(1)進行計算。

(1)

圖3為不同凍融循環次數后材料的相對動彈性模量變化規律，從圖3可以看出，隨著凍融循環作用的加強，試件的相對動彈性模量不斷降低。300次凍融循環次后，鹽凍作用下材料相對動彈性模量下降到72.38%。可以看出，在凍融循環初期，鹽凍作用下混凝土的相對動彈性模量下降較慢，這是因為硫酸鹽降低了冰點，削弱了混凝土凍融破壞；然而，隨著凍融循環次數增加，鹽凍循環后混凝土的相對動彈性模量的下降幅度大于水凍。總的來說，硫酸鹽侵加速了混凝土材料損傷破壞，增加了材料損傷劣化的速度。

a)水凍圖3 不同凍融循環次數下試件的相對動彈性模量

b)鹽凍續圖3 不同凍融循環次數下試件的相對動彈性模量

由此可推出水凍及鹽凍作用下濕篩混凝土的相對動彈性模量與凍融次數之間的關系見式(2)、(3)。

Es·n=-2.4238×10-4n2+5.6328×10-3n+98.589r=0.981

(2)

Ey·n=-3.0581×10-4n2+4.6732×10-3n+99.0795r=0.993

(3)

式中Es·n——水凍條件下的相對動彈性模量；Ey·n——鹽凍條件下的相對動彈性模量；n——凍融次數；r——相關系數。

2.3 混凝土損傷演化方程

混凝土在一定程度上屬于含有孔隙的材料，在澆筑和養護過程中不可避免地會出現很多細微的裂縫和缺陷，在凍融循環作用下，混凝土內部的細微裂縫和缺陷會不斷地擴展，導致混凝土力學性能劣化損傷，極大地降低了混凝土的耐久性和使用壽命[4]。

在推導出混凝土損傷演化方程之前，先做出以下假設[5]：①在凍融之前，混凝土的初始損傷值為0；②混凝土凍融損傷是關于凍融次數的函數，不考慮材料孔隙率、凍融溫度范圍等其他因素影響；③損傷值隨著凍融循環次數的增加而增加，且損傷值都是正值。

根據宏觀唯象損傷力學的概念，定義混凝土損傷變量為[6]：

式中D(n)——不同凍融強度作用后的材料損傷；E(n)——不同凍融強度下材料的彈性模量；E0——凍融前混凝土的動彈性模量；n——凍融循環次數。

根據上述定義，計算水凍、鹽凍2種條件下材料試件損傷隨凍融作用的變化規律結果見表4、圖4。

表4 不同凍融循環次數下的混凝土損傷量

a)水凍

b)鹽凍圖4 不同凍融循環次數下試件的損傷量

并根據表4中采用最小二乘法對數據進行擬合，得到水凍循環作用及鹽凍循環作用下濕篩混凝土的損傷演化方程見式(5)、(6)。

Ds·n=2.4238×10-6n2-5.6×10-5n+0.0114

(5)

Ds·n=3.0581×10-6n2-4.6714×10-5n+0.0092

(6)

式中Ds·n——水凍條件下的混凝土損傷量；Dy·n——鹽凍條件下的混凝土損傷量；n——凍融次數。

式(5)與苑立冬[7]建立的凍融循環作用下混凝土的損傷演化方程相比，具有一定的差異，主要原因是本試驗采用的濕篩混凝土與其采用的常態混凝土在組成成分上有較大的差別，以至于凍融循環作用下混凝土的相對動彈性模量的變化幅度并不一致，因此以相對動彈性模量為損傷變量建立的損傷演化方程會存在不同。諸多學者[8-10]基于不同的試驗條件研究建立了對應的損傷演化方程，形式指數函數、二次函數、對數函數等不盡相同。可知，實驗前提的差異使得混凝土損傷的研究不存在統一標準。

肖前慧[11]基于凍融循環、酸雨、碳化耦合作用環境，探究常態混凝土在該服役環境下結構的損傷演化方程，其損傷方程與本文研究大體一致，但方程的系數存在一定差別。這是因為其試驗前提條件與本文存在一定的差異，本文為凍融循環與硫酸鹽侵蝕耦合外部環境且本文研究對象為濕篩混凝土，可見混凝土材料的配合比設計及其外部環境對其損傷研究具有一定的影響。

3 結論

a) 凍融循環試驗開始后，濕篩混凝土試件經歷了表面出現麻點坑洞到膠凝材料流失細骨料外露再到粗骨料外露的過程，在凍融循環與硫酸鹽侵蝕的共同作用下，混凝土試件損壞更為嚴重，表明了耦合作用加劇了損傷程度。

b) 鹽凍條件下的濕篩混凝土的損傷量相比于水凍條件下的損傷量增幅變化更加明顯，同期二者的動彈性模量都在下降，且鹽凍作用下降得更快，300次凍融循環后，鹽凍循環下材料試件的相對動彈性模量下降到72.38%，表明硫酸鹽凍融相比水凍循環加速了混凝土的損傷破壞。

c) 建立了在水凍以及鹽凍作用條件下濕篩混凝土的相對動彈性模量與凍融循環間的數學模型，并推導出了混凝土的損壞演化方程，研究可以為實際工程提供一定參考。