硫酸鹽溶液干濕循環(huán)作用下玄武巖纖維混凝土強(qiáng)度演化模型

甘 磊 馮先偉 沈振中 鄭光和

( 1 河海大學(xué)水利水電學(xué)院, 南京 210098)( 2 水利部堤防安全與病害防治工程技術(shù)研究中心, 鄭州 450003)

混凝土廣泛應(yīng)用于國(guó)防、交通、工民建筑及水利等工程領(lǐng)域. 混凝土在服役過(guò)程中受諸多外部環(huán)境因素影響，如凍融、碳化、化學(xué)侵蝕和堿骨料反應(yīng)等[1-4]. 我國(guó)硫酸鹽侵蝕環(huán)境分布較為廣泛. 硫酸鹽侵蝕是混凝土結(jié)構(gòu)老化的三大主要影響作用之一，水位變幅區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)還受干濕循環(huán)作用，硫酸鹽和干濕循環(huán)復(fù)合作用下的混凝土結(jié)構(gòu)劣化效應(yīng)更顯著[5-6].

近年來(lái)，玄武巖纖維(continuous basalt fiber，CBF)作為一種有效的混凝土外摻材料，被廣泛應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)局部修補(bǔ)和增強(qiáng)加固中. 在硫酸鹽侵蝕和干濕循環(huán)作用下的混凝土物理力學(xué)性能演化方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要通過(guò)宏觀物理力學(xué)指標(biāo)衰減來(lái)表征混凝土損傷. 高潤(rùn)東等[7]研究了不同水灰質(zhì)量比混凝土在硫酸鹽侵蝕和干濕循環(huán)作用下的力學(xué)性能劣化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)相比于普通強(qiáng)度混凝土，高強(qiáng)度混凝土水灰質(zhì)量比小，強(qiáng)度降低程度輕，具有較強(qiáng)的抗硫酸鹽侵蝕能力. 王海龍等[8]和Gou等[9]開展了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)硫酸鈉溶液干濕循環(huán)作用下混凝土力學(xué)性能劣化機(jī)理試驗(yàn)，指出硫酸鹽侵蝕和干濕循環(huán)共同作用下前期混凝土質(zhì)量、強(qiáng)度和延性增加，隨損傷不斷累積，混凝土質(zhì)量和強(qiáng)度逐漸降低，脆性變大. Li等[10]分析了硫酸鹽侵蝕和干濕循環(huán)作用下磷酸鎂鉀水泥砂漿力學(xué)性能劣化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加，砂漿質(zhì)量和抗壓強(qiáng)度逐漸降低. 葛勇等[11]研究了凍融干濕循環(huán)交替作用下受質(zhì)量分?jǐn)?shù)7%硫酸鈉溶液侵蝕混凝土的耐久性能，結(jié)果表明混凝土在硫酸鹽溶液中抗壓強(qiáng)度損失大于水中，適量引氣劑能增強(qiáng)混凝土耐久性. Li等[12]開展了不同濃度硫酸鹽溶液和干濕循環(huán)作用下高延性混凝土單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，隨硫酸鹽溶液濃度增大，高延性混凝土試件抗壓強(qiáng)度逐漸降低，抗壓強(qiáng)度損失率逐漸增加. 上述研究主要涉及干濕循環(huán)和硫酸鹽侵蝕作用對(duì)素混凝土力學(xué)性能的影響，關(guān)于外摻纖維對(duì)硫酸鹽溶液干濕循環(huán)作用下混凝土強(qiáng)度變化規(guī)律的定量分析研究則較少.

鑒于此，本文開展了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)硫酸鹽溶液和干濕循環(huán)作用下不同體積分?jǐn)?shù)玄武巖纖維混凝土(basalt fiber reinforced concrete, BFRC)侵蝕試驗(yàn)、物理力學(xué)試驗(yàn)和微觀測(cè)試.研究了硫酸鈉溶液干濕循環(huán)作用下BFRC試件的強(qiáng)度變化規(guī)律，建立了BFRC相對(duì)強(qiáng)度系數(shù)演化模型.推導(dǎo)出硫酸鈉溶液干濕循環(huán)作用下BFRC相對(duì)強(qiáng)度系數(shù)與干濕循環(huán)侵蝕周期、纖維摻量的定量關(guān)系式，并將其應(yīng)用于某高鹽地區(qū)輸水渡槽結(jié)構(gòu)應(yīng)力-變形分析.研究結(jié)果可為鹽湖、鹽漬土地區(qū)水位變幅區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性優(yōu)化設(shè)計(jì)和修補(bǔ)加強(qiáng)提供理論依據(jù).

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及配合質(zhì)量比

試驗(yàn)原材料包括P. O 42.5普通硅酸鹽水泥、細(xì)骨料(細(xì)度模數(shù)2.75中砂)、粗骨料(粒徑5～15 mm碎石)、玄武巖纖維和水. 玄武巖纖維采用短切玄武巖纖維，其短切長(zhǎng)度為6 mm，物理性能見表1. BFRC試件的水灰質(zhì)量比為0.49，水泥、細(xì)骨料、粗骨料質(zhì)量比為1∶1.56∶2.55. 采用纖維外摻法進(jìn)行試驗(yàn)試件制備，設(shè)計(jì)考慮了0、0.2%和0.4%三種不同纖維體積分?jǐn)?shù).

表1 玄武巖纖維物理性能

1.2 試件制備及試驗(yàn)設(shè)備

BFRC試件分批澆筑而成. 試樣澆筑前，擦拭試驗(yàn)?zāi)＞?，涂抹脫模? 依據(jù)設(shè)定配合質(zhì)量比稱量拌和料，用攪拌機(jī)攪拌碎石與砂子30 s，將玄武巖纖維均勻撒入攪拌機(jī)攪拌60 s，再將水泥倒入攪拌60 s，最后加水?dāng)嚢?0 s. 將攪拌均勻后的拌和料注入混凝土模具，放置于振動(dòng)臺(tái)上振搗密實(shí)，然后靜置24 h脫模，養(yǎng)護(hù)28 d[13].

試驗(yàn)中采用的主要設(shè)備包括DHG9240A型電熱鼓風(fēng)干燥箱(溫度為25～300 ℃，精度為±1 ℃)、WAW-1000型電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(最大軸向力為1 000 kN，軸向位移測(cè)量范圍為0 ～30 mm)、SEM掃描電子顯微鏡(放大倍數(shù)為5～3×104，分辨率為3 nm). 采用電熱鼓風(fēng)干燥箱烘干BFRC試件，利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行混凝土單軸抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度等測(cè)試.基于SEM微觀掃描電鏡，觀測(cè)分析化學(xué)侵蝕產(chǎn)物和細(xì)觀結(jié)構(gòu).

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

內(nèi)蒙古部分鹽湖、八盤峽水電站等庫(kù)區(qū)水中硫酸根離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)2.5%.在硫酸鹽侵蝕干濕循環(huán)試驗(yàn)中，室內(nèi)試驗(yàn)常配置w(硫酸鈉)=5%的溶液進(jìn)行加速侵蝕.考慮到外摻玄武巖纖維對(duì)混凝土抗侵蝕的改善作用，將w(硫酸鈉)調(diào)整為7%.文獻(xiàn)[14]中將強(qiáng)對(duì)照組w(硫酸鈉)選取為15%. 故本文的BFRC試驗(yàn)中設(shè)定w(硫酸鈉)=7%，15%.試件參數(shù)見表2. 采用室溫自然浸泡和電熱鼓風(fēng)干燥箱干燥來(lái)模擬干濕循環(huán)過(guò)程.根據(jù)GB/T 50082—2009[15]規(guī)定，在硫酸鹽侵蝕干濕循環(huán)試驗(yàn)中，每次循環(huán)內(nèi)BFRC試件浸泡時(shí)間應(yīng)達(dá)到15 h左右.綜合考慮烘干及冷卻時(shí)間，將試件浸泡17 h后取出，控干表面水分，冷卻1 h，放置于干燥箱中于70 ℃干燥6 h，以此為一個(gè)循環(huán)，一次試驗(yàn)周期為24 h，試驗(yàn)共持續(xù)50個(gè)周期.試件抗壓強(qiáng)度采用單軸受壓破壞試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定，抗拉強(qiáng)度采用劈裂抗拉試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定[15].

表2 試件參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 抗壓強(qiáng)度

硫酸鈉溶液干濕循環(huán)作用下BFRC抗壓強(qiáng)度f(wàn)c的變化曲線見圖1. 由圖1(a)可知，BFRC浸泡在w(硫酸鈉)=7%的溶液中，隨著干濕循環(huán)周期次數(shù)N的增加，3種纖維摻量的混凝土抗壓強(qiáng)度均持續(xù)增大.當(dāng)N=50時(shí)，與自然狀態(tài)下的混凝土相比，φ=0，0.2%，0.4%的BFRC試件抗壓強(qiáng)度分別增加16%、15%和14%.w(硫酸鈉)=7%的溶液中BFRC試件抗壓強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，且隨著纖維摻量的增加，纖維逐漸填充試件內(nèi)部的微小孔洞，使BFRC初期更加密實(shí)，侵蝕通道減少，內(nèi)部的結(jié)晶產(chǎn)物少于未摻纖維混凝土. 由圖1(b)可知，在w(硫酸鈉)=15%的溶液中，當(dāng)N=0～30時(shí)，BFRC試件抗壓強(qiáng)度不斷增大，且N=30次時(shí)達(dá)到最大值，φ=0，0.2%，0.4%的BFRC試件抗壓強(qiáng)度分別較未摻纖維試件增加30%、26%和25%，當(dāng)N>30時(shí)BFRC試件抗壓強(qiáng)度隨侵蝕周期增長(zhǎng)而逐漸下降.

(a) w(硫酸鈉)=7%

2.2 抗拉強(qiáng)度

硫酸鹽溶液干濕循環(huán)作用下BFRC抗拉強(qiáng)度f(wàn)t的變化關(guān)系曲線見圖2. 由圖2(a)可知，當(dāng)BFRC浸泡在w(硫酸鈉)=7%的溶液中，隨著N的增加，BFRC抗拉強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，N=50時(shí)φ=0，0.2%，0.4%的BFRC試件抗拉強(qiáng)度分別為3.31、3.38、3.47 MPa，較未摻纖維試件分別增加18%、15%、15%. 由圖2(b)可知，在w(硫酸鈉)=15%的溶液中，當(dāng)N=0～30時(shí)，BFRC試件抗拉強(qiáng)度不斷增大，在N=30時(shí)達(dá)到最大值，φ=0，0.2%，0.4%的BFRC試件抗拉強(qiáng)度分別較未摻纖維試件增加20%、19%，18%.N>30時(shí)BFRC試件抗拉強(qiáng)度隨N增長(zhǎng)而下降，N>50時(shí)φ=0，0.2%，0.4%的BFRC試件抗拉強(qiáng)度分別為未摻纖維試件的99%、103%、103%.此外，φ=0.4%的BFRC試件抗拉強(qiáng)度較未摻纖維試件和φ=0.2%的BFRC試件分別增大6.11%和2.54%.

(a) w(硫酸鈉)=7%

2.3 細(xì)觀結(jié)構(gòu)

圖3給出了不同濃度硫酸鹽溶液干濕循環(huán)作用下BFRC試件的局部SEM微觀掃描電鏡圖. 由圖3(a)和(b)可知，在BFRC未受侵蝕的初始自然狀態(tài)，BFRC試件內(nèi)部存在一些初始微裂縫和原始細(xì)小孔洞；玄武巖纖維與水泥漿體結(jié)合緊密，纖維周邊水泥漿體密實(shí)程度得到改善，填補(bǔ)了部分原始缺陷. 由圖3(c)可看出，電鏡放大至800～6 000倍時(shí)，主要侵蝕產(chǎn)物為柱狀和針狀分布的鈣礬石及石膏晶體，說(shuō)明在硫酸鹽溶液干濕循環(huán)作用下混凝土主要發(fā)生石膏型侵蝕和鈣礬石型侵蝕. 由圖3(d)可知，玄武巖纖維裸露處和水泥漿體上均分布有硫酸鹽侵蝕產(chǎn)物，無(wú)論是原始裂縫還是劣化孔隙，都存在鈣礬石及石膏晶體. 在硫酸鹽侵蝕前期，玄武巖纖維與水泥漿體的結(jié)合性能削弱了硫酸根離子入侵對(duì)初期孔洞和缺陷的填充效應(yīng)，一定程度上減緩了混凝土強(qiáng)度的增強(qiáng)效應(yīng)；而在硫酸鹽侵蝕后期，混凝土表層劣化嚴(yán)重，水泥漿體逐漸脫落，內(nèi)部孔洞增大，裂縫逐漸增多，混凝土密實(shí)度大幅降低，致使玄武巖纖維與水泥漿體部分分離，表層積聚大量侵蝕產(chǎn)物，此時(shí)玄武巖纖維主要依靠自身抗拉強(qiáng)度起到阻裂作用.

(a) 初始時(shí)期(初始裂縫細(xì)部)

3 強(qiáng)度演化模型

3.1 抗壓強(qiáng)度演化模型

為研究硫酸鈉溶液干濕循環(huán)作用下BFRC試件的抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)或劣化程度，設(shè)定了一個(gè)能夠定量表征BFRC試件抗壓強(qiáng)度變化程度的相對(duì)抗壓強(qiáng)度系數(shù)Kc，其表達(dá)式為

(1)

式中，fc(N)為干濕循環(huán)侵蝕N次后BFRC試件的抗壓強(qiáng)度；fc0為未受侵蝕的BFRC試件的抗壓強(qiáng)度.

根據(jù)式(1)可計(jì)算得到不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)硫酸鈉溶液干濕循環(huán)作用下BFRC試件的相對(duì)抗壓強(qiáng)度系數(shù).Kc與干濕循環(huán)侵蝕周期次數(shù)N呈較好的二次多項(xiàng)式關(guān)系，采用二次多項(xiàng)表達(dá)式擬合為

Kc=aN2+bN+c

(2)

式中，a、b、c為經(jīng)驗(yàn)常數(shù).由于干濕循環(huán)侵蝕周期次數(shù)N=0時(shí)Kc=1，故c=1.0.

根據(jù)式(2)，對(duì)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)硫酸鈉溶液侵蝕條件下BFRC試件的Kc和N進(jìn)行回歸分析，結(jié)果見圖4.得到w(硫酸鈉)=7%，15%時(shí)BFRC試件的相對(duì)抗壓強(qiáng)度系數(shù)Kc,7和Kc,15的擬合公式分別為

(a) w(硫酸鈉)=7%

(3)

(4)

由圖4可知，對(duì)于w(硫酸鈉)=7%的溶液，干濕循環(huán)作用下BFRC試件的相對(duì)抗壓強(qiáng)度系數(shù)隨干濕循環(huán)侵蝕周期單調(diào)遞增，不同纖維體積分?jǐn)?shù)下的相對(duì)抗壓強(qiáng)度系數(shù)變化速率稍有不同，N=50時(shí)尚未發(fā)現(xiàn)BFRC抗壓強(qiáng)度的峰值拐點(diǎn).對(duì)于w(硫酸鈉)=15%的溶液，干濕循環(huán)作用下BFRC試件的相對(duì)抗壓強(qiáng)度系數(shù)隨干濕循環(huán)侵蝕周期先增后減，當(dāng)N=30時(shí)試件相對(duì)抗壓強(qiáng)度系數(shù)達(dá)到最大，φ=0，0.2%，0.4%對(duì)應(yīng)的BFRC試件相對(duì)抗壓強(qiáng)度系數(shù)分別為1.30、1.26和1.25.N<40時(shí)，未摻纖維混凝土相對(duì)抗壓強(qiáng)度系數(shù)較BFRC試件大，纖維填充了混凝土試件內(nèi)部的裂縫和孔洞，弱化了硫酸鹽侵蝕產(chǎn)物的初期增強(qiáng)效應(yīng)；N>40時(shí)，纖維的增強(qiáng)效果逐漸突顯，延緩了混凝土抗壓強(qiáng)度的劣化速率和進(jìn)程.

進(jìn)一步考慮纖維體積分?jǐn)?shù)與相對(duì)抗拉強(qiáng)度系數(shù)的關(guān)聯(lián)，將φ作為自變量，以擬合公式(3)和(4)的系數(shù)作為因變量，建立二次多項(xiàng)式函數(shù)，分別回代入式(3)和(4)，則可得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%和15%的硫酸鈉溶液在干濕循環(huán)作用下BFRC試件的相對(duì)抗壓強(qiáng)度系數(shù)演化模型公式分別為

Kc,7=(1.838 3φ2-0.003 6φ-1.130 7×10-5)N+

(-62.5φ2-0.025φ+0.003 9)N+1

(5)

Kc,15=(-10.481φ2+0.079φ-0.000 5)N2+

(462.5φ2-3.425φ+0.024 7)N+1

(6)

擬合模型結(jié)果與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值對(duì)比見圖5.由圖可知，w(硫酸鈉)=7%，15%的溶液干濕循環(huán)作用下混凝土抗壓強(qiáng)度系數(shù)試驗(yàn)值均緊密分布在其對(duì)應(yīng)的三維模型表面周邊.試驗(yàn)值的平均相對(duì)誤差(MRE)、均方根誤差(RMSE)和決定系數(shù)R2分別為0.380 5%、5.514 0×10-3、0.989 6，擬合模型計(jì)算值的平均相對(duì)誤差、均方根誤差和決定系數(shù)分別為0.984 0%、1.470 3×10-2、0.982 1.

(a) w(硫酸鈉)=7%

3.2 抗拉強(qiáng)度演化模型

引入能定量表征BFRC試件抗拉強(qiáng)度變化程度的相對(duì)抗拉強(qiáng)度系數(shù)Kt，其表達(dá)式為

(7)

式中，ft(N)為干濕循環(huán)侵蝕N次后BFRC試件的抗拉強(qiáng)度；ft0為未受侵蝕BFRC試件的抗拉強(qiáng)度.

按照式(7)計(jì)算得到不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的硫酸鈉溶液在干濕循環(huán)作用下BFRC試件的相對(duì)抗拉強(qiáng)度系數(shù).采用二次多項(xiàng)表達(dá)式擬合Kt與N可得

Kt=a′N2+b′N+c′

(8)

式中，a′、b′、c′為經(jīng)驗(yàn)常數(shù).當(dāng)N=0時(shí)，Kt=1，故c′=1.0.

根據(jù)式(8)，對(duì)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)硫酸鈉溶液下BFRC試件的Kt和N進(jìn)行回歸分析，結(jié)果見圖6.則w(硫酸鈉)=7%，15%時(shí)BFRC相對(duì)抗拉強(qiáng)度系數(shù)Kt,7和Kt,15的擬合公式分別為

(a) w(硫酸鈉)=7%

(9)

(10)

由圖6可知，對(duì)于w(硫酸鈉)=7%溶液，干濕循環(huán)作用下BFRC試件的Kt,7隨干濕循環(huán)侵蝕周期單調(diào)遞增，不同纖維體積分?jǐn)?shù)下相對(duì)抗拉強(qiáng)度系數(shù)變化速率稍有不同，3種纖維體積分?jǐn)?shù)的混凝土經(jīng)受硫酸鈉溶液干濕循環(huán)侵蝕50次后仍未發(fā)現(xiàn)混凝土抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)峰值拐點(diǎn).對(duì)于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的硫酸鈉溶液，干濕循環(huán)作用下BFRC試件的Kt,15隨干濕循環(huán)侵蝕周期先增后減，當(dāng)N=30時(shí)試件相對(duì)抗拉強(qiáng)度系數(shù)達(dá)到最大值，φ=0，0.2%，0.4%對(duì)應(yīng)的BFRC試件的相對(duì)抗拉強(qiáng)度分別為1.20、1.19、1.18.硫酸鈉溶液干濕循環(huán)侵蝕40次前未摻纖維混凝土的相對(duì)抗拉強(qiáng)度系數(shù)較大；N>40時(shí)，玄武巖纖維的增強(qiáng)效果逐漸突顯，混凝土抗拉強(qiáng)度消減速率減緩.

進(jìn)一步考慮纖維體積分?jǐn)?shù)與相對(duì)抗拉強(qiáng)度系數(shù)的關(guān)系，將φ作為自變量，以擬合公式(9)和(10)的系數(shù)作為因變量，建立二次多項(xiàng)式函數(shù)，分別回代入式(9)和(10)，便可得到硫酸鈉溶液干濕循環(huán)作用下BFRC試件的相對(duì)抗拉強(qiáng)度系數(shù)演化模型為

Kt,7=(0.802 5φ2+0.006 6φ-5.813 3×10-5)N2+

(-0.65φ+0.006 5)N+1

(11)

Kt,15=(1.436 2φ2+0.011 4φ-0.000 3)N2+

(-75φ2-0.4φ+0.015 9)N+1

(12)

擬合模型結(jié)果與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值對(duì)比見圖7.由圖可知，w(硫酸鈉)=7%，15%溶液，干濕循環(huán)作用下BFRC試件的相對(duì)抗拉強(qiáng)度系數(shù)均緊密分布在其對(duì)應(yīng)的三維模型表面周邊.試驗(yàn)值的平均相對(duì)誤差、均方根誤差和決定系數(shù)分別為0.228 3%、3.847 0×10-3、0.995 6，擬合模型計(jì)算值的平均相對(duì)誤差、均方根誤差和決定系數(shù)分別為0.662 8%、9.253 0×10-3、0.984 9.

(a) w(硫酸鈉)=7%

3.3 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證硫酸鈉溶液干濕循環(huán)作用下BFRC試件的相對(duì)抗壓和抗拉強(qiáng)度系數(shù)模型的合理性，通過(guò)擬合模型與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值的4種評(píng)估指標(biāo)(平均絕對(duì)誤差、平均相對(duì)誤差、均方根誤差和決定系數(shù))來(lái)評(píng)價(jià)擬合模型.

2組不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)硫酸鈉溶液干濕循環(huán)作用下BFRC試件的相對(duì)抗壓、抗拉強(qiáng)度系數(shù)試驗(yàn)值均緊密分布在對(duì)應(yīng)的演化模型表面周邊. BFRC試件的相對(duì)強(qiáng)度系數(shù)模型評(píng)估指標(biāo)見表3. 由表可知，BFRC試件的相對(duì)強(qiáng)度系數(shù)擬合模型計(jì)算值和試驗(yàn)值的平均絕對(duì)誤差(MAE)、平均相對(duì)誤差、均方根誤差的最大值分別為1.146 0×10-2、0.984 0%、1.470 3×10-2，決定系數(shù)最小值為0.982 1.

表3 BFRC相對(duì)強(qiáng)度系數(shù)模型的評(píng)估指標(biāo)比較

綜上可知，BFRC試件的相對(duì)強(qiáng)度系數(shù)與纖維體積分?jǐn)?shù)、干濕循環(huán)次數(shù)的相關(guān)性強(qiáng).本文提出的硫酸鈉溶液干濕循環(huán)作用下BFRC試件的抗壓和抗拉強(qiáng)度系數(shù)模型是合理的，可用于描述質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%和15%的硫酸鈉溶液干濕循環(huán)作用下BFRC試件的強(qiáng)度演化規(guī)律.

4 工程應(yīng)用

以某高鹽地區(qū)輸水渡槽[16]為例，采用所提出的強(qiáng)度系數(shù)模型，分析BFRC試件的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及彈性模量等參數(shù)隨硫酸鹽溶液干濕循環(huán)作用次數(shù)變化情況下的輸水渡槽結(jié)構(gòu)受力變形特性. 該渡槽斷面為矩形，槽身凈高3.4 m，凈寬3.3 m，壁厚12 cm，設(shè)計(jì)引水流量為18 m3/s，水深3.03 m.不考慮下部支墩結(jié)構(gòu)，將此段渡槽簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁，將槽身兩端設(shè)置可動(dòng)鉸支座約束，渡槽荷載工況考慮渡槽自重和設(shè)計(jì)水深產(chǎn)生的水荷載.整體有限元網(wǎng)格見圖8.規(guī)定壓應(yīng)力為負(fù)，拉應(yīng)力為正. 模型坐標(biāo)系遵守右手法則，X為順渡槽方向，Y為渡槽橫向. 該渡槽輸水槽身分別采用φ=0，0.2%，0.4%的BFRC，豎桿材料為C40混凝土，上、下橫系桿及槽身板材料為C30混凝土，下弦桿材料為C50混凝土. 依據(jù)規(guī)范[17]，具體材料參數(shù)見表4. 渡槽槽身BFRC抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度通過(guò)強(qiáng)度系數(shù)模型確定.BFRC彈性模量的轉(zhuǎn)換公式為[17]

表4 混凝土材料參數(shù)

圖8 渡槽槽身有限元網(wǎng)格

(13)

式中，Ec為混凝土彈性模量.本文采用邊長(zhǎng)為100 mm的立方體試件，根據(jù)規(guī)范[18]，需乘以強(qiáng)度尺寸換算系數(shù)0.95.

分析w(硫酸鈉)=7%，15%的溶液，干濕循環(huán)作用下在不同纖維體積分?jǐn)?shù)(0、0.2%、0.4%)時(shí)混凝土渡槽槽身應(yīng)力和變形的演變規(guī)律. 假定經(jīng)受數(shù)次干濕循環(huán)作用后，渡槽槽身壓應(yīng)力和拉應(yīng)力超過(guò)強(qiáng)度系數(shù)模型中抗壓強(qiáng)度或抗拉強(qiáng)度時(shí)，認(rèn)為渡槽發(fā)生破壞. 典型工況下φ=0.2%時(shí)渡槽應(yīng)力分布圖見圖9. 圖中，σ1和σ3分別為第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力.由圖9(a)和(b)可知，槽身最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在槽身板與槽底板交接處，為2.37 MPa，小于其允許抗拉強(qiáng)度2.78 MPa；槽身最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在槽身板、槽底板和上橫系桿部位，為7.18 MPa. 由圖9(c)和(d)可知，槽身最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在槽身板與槽底板交接處，為2.40 MPa，槽身抗拉強(qiáng)度為2.39 MPa，渡槽已發(fā)生受拉破壞；槽身最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在槽身板、槽底板和上橫系桿部位，為7.084 MPa. 由圖9(e)和(f)可知，槽身最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在槽身板與槽底板交接處，為2.33 MPa，槽身抗拉強(qiáng)度為2.30 MPa，渡槽已發(fā)生受拉破壞；槽身最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在槽身板、槽底板和上橫系桿部位，為7.37 MPa.

圖9 典型工況下φ=0.2%時(shí)渡槽應(yīng)力分布圖

典型工況下φ=0.2%時(shí)渡槽位移分布圖見圖10.由圖可知，槽身未受干濕循環(huán)作用、w(硫酸鈉)=7%溶液干濕循環(huán)148次和w(硫酸鈉)=15%溶液干濕循環(huán)60次時(shí)的渡槽最大位移均出現(xiàn)在槽底板處，數(shù)值分別為10.71 、10.00 和11.56 mm.

圖10 典型工況下φ=0.2%時(shí)渡槽位移分布圖

不同干濕循環(huán)周期下BFRC渡槽槽身應(yīng)力、位移極值及其分布位置見表5. 由表可知，w(硫酸鈉)=7%溶液干濕循環(huán)作用下，對(duì)于φ=0，0.2%，0.4%的混凝土渡槽，N=126，148，244時(shí)槽身破壞；w(硫酸鈉)=15%硫酸鹽干濕循環(huán)作用下，對(duì)于φ=0，0.2%，0.4%的混凝土渡槽，N=57，60，64次時(shí)槽身破壞.相比普通混凝土，w(硫酸鈉)=7%溶液干濕循環(huán)作用下，φ=0.2%，0.4%的BFRC渡槽槽身破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的N分別增加了0.17和0.94倍；w(硫酸鈉)=15%溶液干濕循環(huán)作用下，φ=0.2%，0.4%的BFRC渡槽槽身破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的N分別增加了0.05和0.12倍. 隨著φ的增加，渡槽抵抗硫酸鹽干濕循環(huán)侵蝕周期增長(zhǎng)，表明摻入玄武巖纖維有效減緩了渡槽的劣化進(jìn)程. 研究成果可為鹽湖、鹽漬土地區(qū)水位變幅區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性優(yōu)化設(shè)計(jì)和修補(bǔ)加強(qiáng)提供理論依據(jù).

表5 BFRC渡槽破壞時(shí)刻的應(yīng)力和位移極值

5 結(jié)論

1) 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%的硫酸鈉溶液干濕循環(huán)作用下BFRC試件相對(duì)強(qiáng)度系數(shù)隨侵蝕周期單調(diào)遞增.纖維的摻入在一定程度上抑制了硫酸鈉溶液干濕循環(huán)作用對(duì)混凝土初期抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)，素混凝土的相對(duì)抗壓和抗拉強(qiáng)度系數(shù)大于纖維混凝土.

2) 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的硫酸鈉溶液干濕循環(huán)作用下BFRC相對(duì)強(qiáng)度系數(shù)隨侵蝕周期先增后減.硫酸鈉溶液干濕循環(huán)侵蝕40次后，纖維的增強(qiáng)效果逐漸突顯，纖維依靠自身抗拉強(qiáng)度起到增韌阻裂，延緩了混凝土抗壓和抗拉強(qiáng)度的劣化速率和進(jìn)程.

3) 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%和15%的硫酸鈉溶液干濕循環(huán)50次以內(nèi)，所有試驗(yàn)值和擬合模型計(jì)算值的平均絕對(duì)誤差、平均相對(duì)誤差、均方根誤差的最大值分別為1.146 0×10-2、0.984 0%、1.470 3×10-2，決定系數(shù)最小值為0.982 1，表明模型是合理的.

4) 摻入玄武巖纖維有效減緩了硫酸鹽溶液干濕循環(huán)作用下渡槽的劣化進(jìn)程.相比普通混凝土，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%的硫酸鈉溶液干濕循環(huán)作用下，纖維體積分?jǐn)?shù)為0.2%和0.4%的BFRC渡槽槽身破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的干濕循環(huán)次數(shù)分別增加0.17和0.94倍；質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的硫酸鈉溶液干濕循環(huán)作用下，纖維體積分?jǐn)?shù)為0.2%和0.4%的BFRC渡槽槽身破壞時(shí)分別增加0.05和0.12倍. 研究成果可為鹽湖、鹽漬土地區(qū)水位變幅區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性優(yōu)化設(shè)計(jì)和修補(bǔ)加強(qiáng)提供理論依據(jù).