荷載與干濕循環(huán)耦合作用下水工混凝土毛細(xì)吸水性能分析

李志勇

(新民市水利工程質(zhì)量監(jiān)督站，沈陽 110300)

水的作用在混凝土劣化過程中都處于主導(dǎo)地位，一般將混凝土受水的作用劃分成兩類：①化學(xué)反應(yīng)，水作為硫酸鹽、氯鹽等有害離子的重要載體，其在混凝土內(nèi)部的傳輸、分布與硫酸鹽反應(yīng)生成鈣礬石AFt和石膏，或?qū)β入x子與水化產(chǎn)物的結(jié)合效應(yīng)產(chǎn)生量上的影響；②物理反應(yīng)，主要有凍融循環(huán)、干濕循環(huán)等劣化過程，其中凍融循環(huán)是低溫下的水發(fā)生結(jié)冰膨脹，從而產(chǎn)生膨脹應(yīng)力破壞孔隙結(jié)構(gòu)，而干濕循環(huán)則是利用水的溶解性能削弱水化產(chǎn)物顆粒之間的聯(lián)結(jié)力[1-2]。

近年來，為改善水的傳輸性能許多學(xué)者提出改變混凝土配合比、原材料等方法，如摻入橡膠或有機(jī)硅等，雖然可以在一定程度上降低混凝土吸水性，但其親水性質(zhì)并未得到實(shí)質(zhì)性的改變，所以研究水的分布和傳輸機(jī)理仍具有重要意義。裂縫和孔隙是水分的主要傳輸通道，直接決定了水的蒸發(fā)、毛細(xì)吸水以及滲透等機(jī)制的傳輸，而混凝土的多害孔、有害孔、少害孔、無害孔等多尺度孔隙結(jié)構(gòu)又取決于不同應(yīng)力水平的作用，并造成孔隙的相互貫通、破裂和新的裂縫形成，對混凝土吸水性能帶來間接影響。實(shí)際工程中，水工混凝土要承受水的反復(fù)侵蝕和不同應(yīng)力水平的持續(xù)荷載作用，研究混凝土在干濕循環(huán)與持續(xù)荷載耦合作用下的吸水特性是準(zhǔn)確預(yù)測結(jié)構(gòu)使用年限的評估依據(jù)和重要條件。目前，研究混凝土吸水率和滲透率受荷載影響的較多，普遍認(rèn)為水在混凝土中的傳輸性能隨應(yīng)力水平的增加存在一個閾值，<閾值時應(yīng)力水平與傳輸性能成反比，超過閾值時則相反。然而，不同混凝土配合比所引起的累計(jì)吸水量變化的閾值存在明顯差異。

現(xiàn)有研究受限于實(shí)驗(yàn)設(shè)備條件，水工混凝土同時受干濕循環(huán)與荷載耦合作用難度較大，大多數(shù)研究方法都是以荷載產(chǎn)生裂縫后再開展干濕循環(huán)，其描述和預(yù)測的毛細(xì)吸水性能變化特征不夠全面。鑒于此，文章利用改良的混凝土干燥系數(shù)和吸水試驗(yàn)系統(tǒng)，依據(jù)ASTM C1585-2013《水硬水泥混凝土吸水率標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》開展干濕循環(huán)與荷載耦合作用下的毛細(xì)吸水試驗(yàn)，探討水工混凝土毛細(xì)吸水性能受不同干濕循環(huán)次數(shù)和不同應(yīng)力水平的影響特征。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試件制備

水泥選用天瑞集團(tuán)水泥有限公司生產(chǎn)的M32.5砌筑水泥；粗骨料選用天然花崗巖碎石，粒徑5～20mm，密度2.65g/cm3，細(xì)骨料選用渾河河砂，細(xì)度模數(shù)2.5，最大粒徑4.75mm，密度2.40g/cm3；拌合水選用當(dāng)?shù)刈詠硭?。設(shè)計(jì)質(zhì)量配合比為水∶水泥∶中砂∶碎石=0.5∶1∶2∶2。在混凝土標(biāo)準(zhǔn)模具底部中心插入長200mm、外徑15mm的PVC管，采用改進(jìn)的中空混凝土模具制作試件，澆筑完成6h后將PVC官及時拔除，室內(nèi)靜置24h后拆模取出試樣，并放入飽和Ca(OH)2溶液中養(yǎng)護(hù)28d。

試驗(yàn)制備3個150mm×150mm×150mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體石塊用于測定標(biāo)養(yǎng)28d的混凝土抗壓強(qiáng)度，經(jīng)檢測其抗壓強(qiáng)度值18.1MPa；從15個中空試件中隨機(jī)選取3個用于測定抗壓強(qiáng)度，經(jīng)檢測其抗壓強(qiáng)度值18.1MPa，剩余12個用于測定不同干濕循環(huán)次數(shù)和不同應(yīng)力水平耦合作用下的毛細(xì)吸水性能，為了降低毛細(xì)吸水性能受蠕變效應(yīng)的影響，本試驗(yàn)僅考慮前幾次干濕循環(huán)，耦合試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 混凝土所受耦合作用

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)選用機(jī)械加載的方式以減少持續(xù)壓荷載的波動，加載裝置選用擾動效應(yīng)試驗(yàn)儀和RRTS-Ⅱ型巖石流變儀。液壓油通過液壓泵被輸送到大、小油缸進(jìn)行加載，混凝土與大油缸活塞桿接觸并提供壓應(yīng)力，大油缸內(nèi)的壓力通過輸油管和小油缸維持系統(tǒng)穩(wěn)定，混凝土加載及吸水過程如圖1所示。

圖1 持續(xù)加載與吸水過程

首先，將混凝土中心孔道的兩端分別于橡膠管(外徑12mm)相黏連，為確保吸水系統(tǒng)的密封性用玻璃膠填充連接處；然后，施加荷載達(dá)到預(yù)定值，在維持10min后把內(nèi)徑6mm的兩根L型玻璃管插入橡膠管內(nèi)，將精度0.1mm的透明刻度尺貼上其中一根L型玻璃管上；最后，向進(jìn)水管注水，對管水位高度每隔一定時間進(jìn)行觀測、讀取、記錄，總時長300min，完成記錄后繼續(xù)進(jìn)行吸水，吸水24h后在自然氣溫30℃的條件下，以5m/s的風(fēng)速用鼓風(fēng)機(jī)吹干，并室內(nèi)風(fēng)干24h。

本試驗(yàn)采用液壓和齒輪二級擴(kuò)力進(jìn)行加載，擴(kuò)大比K最高達(dá)到600～100倍，利用下式計(jì)算擴(kuò)力比K，即：

(1)

式中：φ1、φ2為大、小油缸的活塞直徑；D1、D2為大、小齒輪的直徑。

定義混凝土試件的實(shí)際加載應(yīng)力f和抗壓強(qiáng)度值fc的比值為應(yīng)力水平λc，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：λc=λ/λc×100%。試驗(yàn)設(shè)定0%、10%、20%、30%4種應(yīng)力水平λc，試驗(yàn)觀測干濕循環(huán)第1次、4次、8次吸水過程中的管水位變化。試驗(yàn)結(jié)束后，測試飽和狀態(tài)及自然狀態(tài)下每個試件的含水率，結(jié)果顯示平均值為6%和2%。

2 結(jié)果與分析

2.1 累計(jì)吸水量分析

水工混凝土在不同干濕循環(huán)次數(shù)和應(yīng)力水平耦合作用下的累計(jì)吸水量i，如圖2所示。

(a)λc=0%

從圖3(e)可以看出，第1次干濕循環(huán)時，隨著應(yīng)力水平的增加混凝土累計(jì)吸水量表現(xiàn)出先下降后上升的變化趨勢，該條件下的λt處于10%～20%之間。然而，由于應(yīng)力水平與混凝土的孔道布置方向相垂直使得試件位于雙向不等應(yīng)力場內(nèi)，有3倍應(yīng)力水平作用于孔道附近兩側(cè)，與實(shí)際閾值λt相比應(yīng)處于30%～60%區(qū)間。

應(yīng)力水平λc不斷提高到30%時，混凝土累計(jì)吸水量激增到約4倍于無應(yīng)力水平作用時的量，最高達(dá)到3.55mm。因此，較低應(yīng)力水平下，在一定程度的壓縮作用下混凝土內(nèi)部通道和孔隙會出現(xiàn)部分閉合，間接減小了累計(jì)吸水量和混凝土孔隙度；較高應(yīng)力水平下，因自身強(qiáng)度原因混凝土內(nèi)部的通道和孔隙進(jìn)一步擴(kuò)展、凸岸通，并發(fā)育成比較明顯的裂縫，為水的傳輸提供更大的儲存空間和輸送通道，并且孔道頂、底部的拉應(yīng)力作用隨應(yīng)力水平的增加而更加明顯，特別是應(yīng)力水平提高到30%時孔道頂、底部出現(xiàn)明顯裂縫，大大增加了水與混凝土內(nèi)部的接觸面積，觀測時間達(dá)到300min時試件的累計(jì)吸水量激增到無荷載時的約4倍。

相同應(yīng)力水平λc下，隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加混凝土累計(jì)吸水量會出現(xiàn)不同程度的減小。試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)管內(nèi)出現(xiàn)絮狀物，究其原因是水滲入混凝土內(nèi)部時會溶蝕裂縫或孔隙周邊的細(xì)小顆粒，而在干濕循環(huán)的干燥時以液、氣兩相態(tài)脫離混凝土，此時裂縫和孔隙中就會留存水所溶蝕的細(xì)小顆粒，堵塞部分通道以及孔隙，水傳輸通道有所減小，長期以往，隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加混凝土累計(jì)吸水量逐漸減小。無荷載作用時，相較于第1次干濕循環(huán)第8次的累計(jì)吸水量減小67.39%；應(yīng)力水平達(dá)到λc10%時，相較于第1次干濕循環(huán)第8次的累計(jì)吸水量減小73.08%。研究表明，混凝土內(nèi)部布存在損傷時，干濕循環(huán)對混凝土累計(jì)吸水量的影響會隨著應(yīng)力水平的增加而增大。究其原因，隨著應(yīng)力水平的不斷增加試件內(nèi)部顆粒之間的黏結(jié)力減小，使得水溶蝕難度下降；另外，孔隙會隨著應(yīng)力水平的增大不斷被壓縮，孔隙邊緣裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展致使水與孔隙的接觸面積加大，在一定程度上增加了水溶蝕的細(xì)小顆粒?；炷晾塾?jì)吸水率受孔道低、頂部所受拉應(yīng)力的影響，隨著應(yīng)力水平的增加會變得更加明顯，混凝土受拉應(yīng)力的影響較大，此時局部拉應(yīng)力和局部壓應(yīng)力共同決定了混凝土的累計(jì)吸水量，影響過程比較復(fù)雜，受試驗(yàn)條件限制不再深入分析。

2.2 吸水率分析

總體上，可以將混凝土非飽和毛細(xì)吸水過程劃分成2個階段：階段1是混凝土表面與水開始接觸快速吸水的初始階段，定義該階段初始吸水率S1；階段2是水滲入試件內(nèi)部孔隙形成薄膜，受張力作用可以抑制水在內(nèi)部的吸附，定義該階段后期吸水率S2。因此，吸水試件與累計(jì)吸水量之間表現(xiàn)為雙線性曲線關(guān)系，通過雙線性擬合耦合作用下的累計(jì)吸水量，發(fā)現(xiàn)吸水時間突變點(diǎn)為60min。不同耦合作用下的S1、S2以及兩者的差值S2-Sl計(jì)算結(jié)果，如表2和圖3所示。

表2 吸水率和雙曲線擬合值

從表2可以看出，混凝土的初始吸水率S1和后期吸水率S2均隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加逐漸下降，應(yīng)力水平λc達(dá)到30%時各階段吸水率明顯下降，第8次干濕循環(huán)是第1次干濕循環(huán)初始吸水率S1和后期吸水率S2的24.73%、23.53%，該變化規(guī)律與累計(jì)吸水率保持一致。

(a)初始吸水率S1

從圖4可以看出，應(yīng)力水平較低情況下，混凝土后期吸水率S2<初始吸水率，隨著應(yīng)力水平的增加兩階段的吸水率均不斷下降；應(yīng)力水平超過20%時，混凝土初始吸水率S1和后期吸水率S2的近似相等，甚至

2.3 回歸分析

為揭示不同干濕循環(huán)次數(shù)和應(yīng)力水平耦合作用下混凝土個階段吸水率以及吸水量變化規(guī)律，設(shè)自變量為干濕循環(huán)次數(shù)和應(yīng)力水平，利用Origin軟件擬合累計(jì)吸水量Rational Yaylor以及初始吸水率和后期吸水率Gauss Cum非線性回歸模型，具體表達(dá)式為：

(2)

(3)

(4)

通過分析不同干濕循環(huán)次數(shù)和應(yīng)力水平對混凝土初始吸水率、后期吸水率以及累計(jì)吸水量的影響，結(jié)果表明混凝土受不同干濕循環(huán)次數(shù)和應(yīng)力水平耦合作用下的初始吸水率、后期吸水率以及累計(jì)吸水量變化趨勢相同。應(yīng)力水平λc到30%時，干濕循環(huán)次數(shù)對混凝土吸水特性的影響最為顯著，第1次干濕循環(huán)時應(yīng)力水平對吸水特性相關(guān)參數(shù)影響最大，混凝土吸水特性受應(yīng)力水平的影響隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加逐漸減弱，該結(jié)論與前文保持一致。因此，該模型可以直觀地反映不同干濕循環(huán)次數(shù)和應(yīng)力水平耦合作用下的混凝土毛細(xì)吸水性能[3]。

3 結(jié) 論

1)隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加混凝土各階段吸水率和累計(jì)吸水量均表現(xiàn)出一定程度的減小，并且應(yīng)力水平λc達(dá)到30%時，干濕循環(huán)次數(shù)對混凝土吸水特性的影響最為顯著。

2)在雙向不等應(yīng)力場中，隨應(yīng)力水平的增加混凝土初始吸水率S1表現(xiàn)出先下降后上升的趨勢，閾值λt處于10%～20%范圍內(nèi)，該條件下干濕循環(huán)次數(shù)越多則閾值λt越小。隨著應(yīng)力水平的增加混凝土S2與S1之間的差值逐漸減小，甚至出現(xiàn)

3)利用Origin軟件擬合累計(jì)吸水量Rational Yaylor以及初始吸水率和后期吸水率Gauss Cum非線性回歸模型，結(jié)果顯示該模型可以直觀地反映不同干濕循環(huán)次數(shù)和應(yīng)力水平耦合作用下的混凝土毛細(xì)吸水性能。