海洋環(huán)境條件海水海砂混凝土加速試驗力學(xué)損傷評估

何旭HE Xu；郁邦永YU Bang-yong；司強SI Qiang；戴玉偉DAI Yu-wei

（①常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院建工學(xué)院，常州 213164；②河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，南京 210098）

0 引言

海洋開發(fā)與島礁建設(shè)伴隨著大量的離岸土建工程，這需要大量砂石資源與水資源。海水海砂混凝土在沿海與離岸工程中的應(yīng)用不僅能就地取材節(jié)省材料成本與運輸成本，同時可以避免由于大量開采河砂引發(fā)的環(huán)境破壞與資源匱乏等問題。因此海水海砂作為建筑材料在沿海開發(fā)和離岸建設(shè)中具有重大的應(yīng)用前景[1]。

通常海洋環(huán)境中混凝土的應(yīng)用從下到上分為浸沒區(qū)、潮汐區(qū)、浪濺區(qū)、大氣區(qū)[2]。在科學(xué)研究中通常采用部分浸沒的試驗?zāi)Ｐ蚚3]，力學(xué)損傷沿試件高度存在明顯差異。為了減少時間成本，學(xué)者們通常采用空氣溫濕循環(huán)并且增加侵蝕溶液濃度的方式加速混凝土的劣化[4]。加速侵蝕后混凝土的劣化時間與實際海洋環(huán)境中混凝土的劣化時間差異明顯。這種力學(xué)損傷的時間差異以及沿高度分布的差異增大了海洋環(huán)境部分浸沒海水海砂混凝土的壽命預(yù)測難度。目前沒有這種加速效果以及壽命分析的相關(guān)研究，從而降低了部分浸沒海洋環(huán)境加速試驗?zāi)Ｐ偷目茖W(xué)價值。

文章根據(jù)海水海砂混凝土部分浸沒溫濕循環(huán)加速試驗結(jié)果，建立海水海砂混凝土力學(xué)損傷理論計算模型，并根據(jù)動彈性模量預(yù)測加速試驗后海水海砂混凝土的劣化時間。這項研究對部分浸沒溫濕循環(huán)加速試驗?zāi)Ｐ偷膽?yīng)用以及該模型加速效果的研究提供理論支撐。

1 力學(xué)損傷模擬模型

在海水化學(xué)內(nèi)侵蝕、外侵蝕、物理結(jié)晶侵蝕的聯(lián)合作用下，溫濕循環(huán)后部分浸沒海砂混凝土不同高度力學(xué)強度（抗壓強度與動彈性模量）均有一定程度損傷。力學(xué)強度損傷與溫濕循環(huán)時間、試件高度、海水海砂混凝土初始力學(xué)強度有關(guān)，初始力學(xué)強度與細骨料種類和配比有關(guān)[5]。因此將溫濕循環(huán)時間t 后的海水海砂混凝土不同部位力學(xué)強度表示為時間t 與初始力學(xué)強度（抗壓強度fc或動彈性模量Ed）的函數(shù)（公式1）：

式中：fc，0—為試件初始抗壓強度（MPa）；

Ed，0—為試件初始動彈性模量（GPa）。

以抗壓強度函數(shù)f（t，fc，0）計算為例，首先考慮函數(shù)與初始抗壓強度的關(guān)系。采用最小二乘法得到：

不同循環(huán)時間的ζ1、ζ2和ζ3不同，故ζ1、ζ2和ζ3可表示為：

由此得到抗壓強度隨循環(huán)時間t 與初始抗壓強度fc的函數(shù)關(guān)系：

同理得到動彈性模量隨循環(huán)時間t 與初始動彈性模量Ed的函數(shù)關(guān)系：

式中α1、α2、α3、β1、β2、β3、γ1、γ2、γ3均為計算系數(shù)。

根據(jù)規(guī)范GBT 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》[6]，動彈性模量降為原動彈性模量60%可認為混凝土損壞，由此根據(jù)公式（3）可計算出混凝土損壞時間與對應(yīng)的損傷部位。

2 模型應(yīng)用

2.1 部分浸沒溫濕循環(huán)加速試驗

海砂混凝土根據(jù)拌和材料的不同可以分為海水硅質(zhì)海砂混凝土（SSC）、海水珊瑚砂混凝土（CSC）和淡水淡化硅質(zhì)海砂混凝土（DTC），其中SSC 與CSC 為海水海砂混凝土，淡化硅質(zhì)海砂經(jīng)過了脫鹽處理使得DTC 的化學(xué)性質(zhì)更接近于普通混凝土。海水海砂混凝土部分浸沒溫濕循環(huán)加速試驗方案、力學(xué)測試方法與結(jié)果引用He[5]研究成果。混凝土試件大小為直徑71.5mm 高度300mm 的圓柱體，底部70mm 浸沒于8 倍海水溶液中，其余高度暴露于空氣部分進行溫濕循環(huán)。

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)計算海水硅質(zhì)海砂混凝土初始力學(xué)強度與水灰比（W/C）的線性關(guān)系為：

海水珊瑚砂混凝土初始力學(xué)強度與水灰比的線性關(guān)系為：

將公式（4）與公式（5）帶入公式（2）與公式（3）中，可以得到溫濕循環(huán)時間t 后，SSC 或CSC 不同部位抗壓強度與動彈性模量理論值。

將試件分為底部、中部與頂部三個部位：浸沒區(qū)為第一層與第二層圓餅狀試塊，即為試件底部；試件中部為第三層至第六層；試件頂部為第七層與第八層。試件底部、中部、頂部力學(xué)強度即為所在高度范圍對應(yīng)圓餅狀試塊平均值。計算試件底部、中部與頂部抗壓強度與動彈性模量見表1 與表2 所示。

表1 溫濕循環(huán)后不同混凝土動彈性模量（MPa）

表2 溫濕循環(huán)后不同混凝土動彈性模量（GPa）

2.2 力學(xué)性能理論模型與壽命計算

將表1、表2 試驗數(shù)據(jù)帶入公式（2）與公式（3）得到溫濕循環(huán)時間t 后海水海砂混凝土不同部位抗壓強度與動彈性模量計算系數(shù)見表3。

表3 溫濕循環(huán)時間t 后海水海砂混凝土不同部位抗壓強度與動彈性模量公式計算系數(shù)

計算理論值與實驗值的誤差見表4，通過誤差結(jié)果可見，SSC 與CSC 不同部位抗壓強度與動彈性模量理論值與實驗值誤差大部分控制在15%以內(nèi)，因此文章采用的理論計算方法可以一定程度的反映試驗結(jié)果，并預(yù)測溫濕循環(huán)后部分浸沒海水海砂混凝土不同部位的力學(xué)強度。

表4 不同循環(huán)時間海水海砂混凝土不同部位力學(xué)強度計算與試驗結(jié)果誤差

根據(jù)動彈性模量變化判斷不同海砂混凝土損壞需要溫濕循環(huán)時間見表5。結(jié)果顯示，根據(jù)動彈性模量判斷，所有試件頂部最先損壞；對于海水硅質(zhì)海砂混凝土而言，SS2最先損壞；對于海水珊瑚混凝土而言，CS3 最先損壞；相同配合比條件下，海水硅質(zhì)海砂混凝土最易損壞，海水珊瑚混凝土最不易損傷。

表5 不同海砂混凝土損壞需要溫濕循環(huán)時間

3 結(jié)論

文章建立海水海砂混凝土力學(xué)損傷理論計算模型，并根據(jù)動彈性模量預(yù)測加速試驗后海水海砂混凝土的劣化時間，根據(jù)試驗結(jié)果驗證理論計算模型的可行性。這項研究對部分浸沒溫濕循環(huán)加速試驗?zāi)Ｐ偷膽?yīng)用以及該模型加速效果的研究具有科學(xué)意義。

通過力學(xué)損傷理論計算模型以及動彈性模量的壽命分析，結(jié)合試驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)溫濕循環(huán)1 年以后，在浸沒區(qū)海水侵蝕作用下，所有海砂混凝土頂部最先損壞；相同配合比條件下，海水硅質(zhì)海砂混凝土最易損壞，海水珊瑚混凝土最不易損傷。