王蕭蕭, 馮蓉蓉, 荊磊*, 劉曙光, 閆長旺

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院, 呼和浩特 010051; 2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)內(nèi)蒙古自治區(qū)土木工程結(jié)構(gòu)與力學(xué)重點實驗室, 呼和浩特 010051;3.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院, 呼和浩特 010051; 4.生態(tài)型建筑材料與裝配式結(jié)構(gòu)內(nèi)蒙古自治區(qū)工程研究中心, 呼和浩特 010051)

內(nèi)蒙古屬于寒旱地區(qū),冬季漫長且寒冷干燥,降水量無顯著變化,干旱頻率高,潛在蒸散量大[1]。沿河套灌區(qū)分布的大多數(shù)農(nóng)業(yè)“重灌輕排”,導(dǎo)致排水工程過少,造成該地區(qū)鹽漬化嚴(yán)重[2],使得服役于該地區(qū)的水工建筑物遭受多重環(huán)境因素(如干濕、凍融、鹽漬環(huán)境侵蝕)的耦合作用[3]。惡劣的服役環(huán)境導(dǎo)致大量水工混凝土結(jié)構(gòu)破壞,提前退役,從而造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。內(nèi)蒙古有著非常豐富的浮石礦床,烏蘭哈達(dá)火山群由30多座不同大小的火山組成,其浮石體積含量在1×108m3以上[4],這種天然材料具有多孔、輕質(zhì)高強(qiáng)、耐酸堿腐蝕、熱工性能好等優(yōu)點[5]。將天然浮石作為粗骨料制備混凝土,其多孔結(jié)構(gòu)特征可有效抵抗冰結(jié)晶膨脹壓力[6],并且天然浮石混凝土(natural pumice concrete,NPC)在氯鹽侵蝕環(huán)境中的抗侵蝕能力可以滿足工程使用要求[7-8]。因此開展鹽侵-凍融-干濕協(xié)同耦合作用下天然浮石混凝土的耐久性和可靠性研究,為其在河套灌區(qū)渠道襯砌工程中的應(yīng)用提供理論參考。

寒冷地區(qū)的水利工程混凝土服役性能退化,主要是受到腐蝕介質(zhì)的侵蝕、溫度、濕度的變化等多種損傷因素耦合作用引起的。中外學(xué)者對浮石混凝土的耐久性開展了深入研究。劉思盟等[9]進(jìn)行了橡膠浮石混凝土的抗凍性試驗研究,并建立了橡膠浮石混凝土凍融損傷預(yù)測模型。Polat等[10]研究了凍融循環(huán)作用下天然浮石混凝土的物理力學(xué)性能變化規(guī)律。Samimi等[11]進(jìn)行了硫酸鹽侵蝕下浮石混凝土的力學(xué)性能及耐久性研究。劉倩等[7]研究了天然浮石混凝土在氯鹽侵蝕與干濕循環(huán)耦合作用下的損傷規(guī)律和侵蝕機(jī)理。王仁遠(yuǎn)等[12]研究了天然浮石混凝土在風(fēng)吹沙蝕和凍融耦合作用下的耐久性變化規(guī)律和破壞機(jī)理。同時,專家學(xué)者對浮石混凝土的耐久性進(jìn)行了可靠性評估。高矗等[13]對不同損傷應(yīng)力作用后的天然浮石混凝土抗凍性分析,建立了基于GM(1,1)的抗凍性預(yù)測模型。喬宏霞等[14]基于西部地區(qū)混凝土壽命退化過程采用Weibull分布函數(shù)對壽命進(jìn)行預(yù)測和可靠性評估。目前對于浮石混凝土耐久性的研究集中于單一或雙重因素作用下的退化規(guī)律研究,對于天然浮石混凝土受多重因素(如凍融、干濕、多種鹽離子侵蝕)耦合作用下耐久性研究及可靠性評估尚不充分。

鑒于此,選用河套灌區(qū)渠道襯砌實際服役的環(huán)境溶液,通過開展鹽侵-凍融-干濕耦合作用下的天然浮石混凝土耐久性能試驗,研究質(zhì)量損失率和相對動彈模量的變化規(guī)律,結(jié)合環(huán)境掃描電鏡及能譜分析等方法揭示天然浮石混凝土耐久性退化機(jī)理。以鹽侵-凍融-干濕耦合作用下天然浮石混凝土相對動彈模量實測數(shù)據(jù)為依據(jù),建立基于Weibull分布的天然浮石混凝土可靠度模型,定量研究鹽侵-凍融-干濕耦合作用對天然浮石混凝土耐久性影響并預(yù)測其耐久性壽命。研究可以為河套灌區(qū)天然浮石混凝土的工程應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 材料與試驗方法

1.1 材料和配合比

根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJ 55—2011)以及《水工混凝土試驗規(guī)程》(SL/T 352—2020),制備LC20、LC25、LC30不同強(qiáng)度等級的天然浮石混凝土,配合比如表2所示。

表2 天然浮石混凝土配合比Table 2 Mix ratio of natural pumice concrete

1.2 試驗方法

試驗分別以清水和鹽溶液為介質(zhì)進(jìn)行清水-凍融-干濕循環(huán)和鹽侵-凍融-干濕循環(huán),依據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)中的“快凍法”進(jìn)行凍融循環(huán)試驗,凍融循環(huán)試驗過程如圖1所示。干濕循環(huán)試驗采用直立式半浸入方式進(jìn)行,即試件在介質(zhì)內(nèi)浸泡17 h,隨后放入80 ℃烘箱中烘干6 h,烘干結(jié)束后將試件在干燥環(huán)境中冷卻1 h至室溫,為1次完整的干濕循環(huán),干濕循環(huán)試驗過程如圖2所示。試驗采用首先6次凍融循環(huán),然后再進(jìn)行6次干濕循環(huán)作為1次介質(zhì)-凍融-干濕循環(huán)試驗。每經(jīng)歷1次介質(zhì)-凍融-干濕循環(huán)后,對試件進(jìn)行質(zhì)量和超聲波波速的檢測,超聲波波速與相對動彈模量之間的關(guān)系可表示為

圖1 凍融循環(huán)試驗圖Fig.1 Freeze-thaw cycle test diagram

(1)

式(1)中:E0為混凝土試樣初始動彈模量;Et為經(jīng)歷t次凍融-干濕循環(huán)后試樣的動彈模量;Er為經(jīng)歷t次凍融-干濕循環(huán)試驗后試樣的相對動彈模量;V0為混凝土初始超聲波波速;Vt為經(jīng)歷t次凍融-干濕循環(huán)試驗后試樣的超聲波波速。

當(dāng)天然浮石混凝土試件的質(zhì)量損失率達(dá)到5%或者相對動彈模量下降到60%時,則停止試驗。

表3為天然浮石混凝土的試驗工況。采用環(huán)境掃描電鏡對試樣進(jìn)行電鏡掃描及能譜化學(xué)成分分析,探究多因素耦合作用下天然浮石混凝土的退化機(jī)理,并基于概率統(tǒng)計方法對天然浮石混凝土的退化軌跡進(jìn)行可靠性評估。

表3 天然浮石混凝土的試驗工況Table 3 Test conditions of natural pumice concrete

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 宏觀性能損傷

圖3為不同工況下天然浮石混凝土的質(zhì)量損失率變化曲線?？梢钥闯?工況一和工況二作用下天然浮石混凝土的質(zhì)量損失率總體呈現(xiàn)出上升趨勢,這是因為在凍融-干濕的循環(huán)作用下,天然浮石混凝土試樣表面出現(xiàn)裂縫,孔隙結(jié)構(gòu)被破壞,表面材料剝落導(dǎo)致質(zhì)量損失。在相同循環(huán)周期下,工況二作用下質(zhì)量損失率為工況一的1.16～1.36倍,在鹽侵-凍融-干濕耦合作用下,浮石混凝土腐蝕破壞嚴(yán)重,鹽溶液加速了混凝土表層材料的脫落。此外,與工況一顯著不同的是,工況二作用下天然浮石混凝土在第一次鹽侵-凍融-干濕循環(huán)后均出現(xiàn)質(zhì)量損失率的負(fù)增長,這是因為在鹽侵-凍融-干濕循環(huán)初期鹽溶液進(jìn)入試件內(nèi)部孔隙,鹽溶液與混凝土水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)生成侵蝕產(chǎn)物,同時孔隙內(nèi)鹽溶液濃度升高導(dǎo)致鹽溶液結(jié)晶,孔隙內(nèi)的侵蝕產(chǎn)物與結(jié)晶產(chǎn)物共同填充了天然浮石混凝土的內(nèi)部孔隙[15-16],而此時混凝土尚未出現(xiàn)剝落現(xiàn)象,導(dǎo)致天然浮石混凝土的質(zhì)量增加。

圖3 天然浮石混凝土在不同工況下的質(zhì)量損失率Fig.3 Mass loss rate of natural pumice concrete under various test conditions

圖4為不同工況下天然浮石混凝土相對動彈模量變化曲線。根據(jù)圖4顯示,隨著凍融-干濕循環(huán)次數(shù)的增多,天然浮石混凝土相對動彈模量呈現(xiàn)顯著的衰減規(guī)律。在相同的凍融-干濕循環(huán)周期下,工況二作用下的損傷速率是工況一的1.11～1.14倍,在鹽溶液的侵蝕下天然浮石混凝土的劣化速率增加。強(qiáng)度最低的A2組相對動彈模量的衰減速率最快,經(jīng)受6次鹽侵-凍融-干濕循環(huán)作用后,相對動彈模量衰減了43.8%,而強(qiáng)度較高的B2、C2組的最大循環(huán)周期比A2組分別延長了16.7%和33.4%。由此表明,多因素耦合作用下天然浮石混凝土耐久性能的改善可以通過提高其強(qiáng)度來實現(xiàn)。天然浮石混凝土強(qiáng)度越低,密實度越差,表面孔隙、裂縫越多,鹽溶液由混凝土表面裂隙進(jìn)入混凝土的內(nèi)部。鹽溶液在混凝土內(nèi)部擴(kuò)散、結(jié)晶[17],在凍融循環(huán)與干濕循環(huán)的交替作用下導(dǎo)致混凝土內(nèi)部裂縫擴(kuò)展[18],造成混凝土內(nèi)部缺陷,使得天然浮石混凝土耐久性降低。

圖4 天然浮石混凝土在不同工況下的相對動彈模量Fig.4 Relative dynamic modulus of natural pumice concrete under various test conditions

2.2 微觀機(jī)理分析

為了進(jìn)一步研究鹽侵-凍融-干濕耦合作用下天然浮石混凝土的耐久性退化機(jī)理,對A2組天然浮石混凝土進(jìn)行環(huán)境電鏡掃描及能譜化學(xué)成分分析。

圖5 A2組天然浮石混凝土裂縫電鏡掃描圖Fig.5 SEM images of cracks in natural pumice concrete of group A2

圖6 A2組天然浮石混凝土水泥石電鏡掃描圖Fig.6 SEM images of cement stone in natural pumice concrete of group A2

圖7 A2組石塊狀物的能譜化學(xué)成分分析Fig.7 Chemical composition analysisof cement-stone in the A2 group using the energy dispersive spectrum

(2)

3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O+Ca(OH)2

(3)

3CaSO4·2H2O+Al2O3·xH2O+(26-x)H2O

(4)

在凍融-干濕循環(huán)作用初期,鹽溶液由天然浮石混凝土表面的微裂縫進(jìn)入混凝土內(nèi)部孔隙,與天然浮石混凝土內(nèi)部的水化產(chǎn)物進(jìn)行化學(xué)反應(yīng),生成的膨脹性腐蝕產(chǎn)物以及鹽結(jié)晶產(chǎn)物[21]填充了浮石混凝土內(nèi)部孔隙。研究表明,晶體體積膨脹率往往高達(dá)130%～300%[22],由此產(chǎn)生的膨脹力導(dǎo)致混凝土的微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展貫通,加劇了外部鹽溶液的滲透,由此產(chǎn)生了更大的滲透壓力與結(jié)晶壓力。上述反應(yīng)產(chǎn)物吸水后體積膨脹導(dǎo)致混凝土內(nèi)部微裂縫的開展。隨著凍融循環(huán)與干濕循環(huán)的交替進(jìn)行,孔隙中結(jié)晶應(yīng)力和靜水壓等作用超出孔壁極限抗拉強(qiáng)度而產(chǎn)生裂縫[23],為后期干濕-凍融破壞提供了侵蝕通道與侵蝕空間,鹽溶液侵蝕破壞加劇,混凝土內(nèi)部出現(xiàn)較大孔隙與貫通裂縫等缺陷,天然浮石混凝土表面骨料、膠凝材料出現(xiàn)剝落現(xiàn)象,天然浮石混凝土的劣化速度加快。這也驗證了在鹽侵-凍融-干濕耦合的作用下天然浮石混凝土的質(zhì)量與相對動彈模量總體呈現(xiàn)減低趨勢,宏觀性能變差的原因,微觀試驗結(jié)果為上述宏觀性能試驗結(jié)果做出良好的論證。

3 天然浮石混凝土可靠性評估

在多種因素耦合作用下,混凝土未達(dá)到設(shè)計規(guī)定的使用壽命,就出現(xiàn)剝落、膨脹等現(xiàn)象,通過可靠性評估,科學(xué)預(yù)測混凝土壽命有著重要意義。在可靠性評估中Weibull分布具有使用較廣泛和適用性高等特點,并依據(jù)可靠度、概率密度等函數(shù)表達(dá),可靠度為混凝土在設(shè)計的時間內(nèi)和多因素耦合作用下仍能繼續(xù)服役的概率[24-25]。

3.1 閾值確立

根據(jù)上述宏觀性能試驗結(jié)果,在不同溶液中進(jìn)行的凍融-干濕循環(huán)試驗中,相比于質(zhì)量損失率,相對動彈模量總是先達(dá)到規(guī)范要求而停止試驗,因此選取相對動彈模量作為混凝土的損傷評價參數(shù)能更準(zhǔn)確反映天然浮石混凝土的損傷程度。基于相對動彈模量損傷評價參數(shù)定義損傷度D=1-Er,以損傷度D為退化數(shù)據(jù)并作為耐久性評價指標(biāo),當(dāng)D=0.4時認(rèn)為天然浮石混凝土達(dá)到破壞狀態(tài)[26],為試件的失效閾值?；诙囗検交貧w[27]對多因素耦合作用下?lián)p傷度與天然浮石混凝土壽命進(jìn)行擬合,進(jìn)而得到天然浮石混凝土在多因素耦合作用下?lián)p傷度D=0.4的偽失效壽命,即閾值壽命,結(jié)果由表4所示。

表4 多因素耦合作用下天然浮石混凝土的閾值壽命Table 4 Threshold life of natural pumice concrete when many elements are combined

3.2 擬合度檢驗與模型建立

假設(shè)天然浮石混凝土內(nèi)部是均勻連續(xù)的,多因素耦合作用下其內(nèi)部各點均服從相同損傷退化規(guī)律[28]。采用二參數(shù)Weibull(以下簡稱Weibull)分布模型[29],對表4中多因素耦合作用下天然浮石混凝土閾值壽命數(shù)據(jù)進(jìn)行A-D檢驗,判斷其閾值壽命是否服從Weibull分布。表5為天然浮石混凝土閾值壽命的Weibull分布檢驗,由表5可知,天然浮石混凝土閾值壽命服從Weibull分布,因此基于Weibull分布對多因素耦合作用下天然浮石混凝土壽命建立可靠度模型并進(jìn)行可靠性評估。

表5 閾值壽命數(shù)據(jù)的A-D檢驗Table 5 A-D test for threshold life data

3.3 參數(shù)估計與可靠性評估

將表5中閾值壽命數(shù)據(jù)升序排列并進(jìn)行中位秩[30]計算,并聯(lián)合式(2)可靠度函數(shù)R(n)應(yīng)用最小二乘法(least square method,LSE)[31]進(jìn)行參數(shù)估計,得β與η值,如表6所示。依照表6數(shù)據(jù)得到多因素耦合作用下天然浮石混凝土的可靠度模型并做出其可靠度壽命曲線,如圖8所示。

(5)

圖8 天然浮石混凝土可靠度壽命曲線Fig.8 Natural pumice concrete reliability life curves

表6 Weibull參數(shù)估計Table 6 Weibull parameter estimation

式(5)中:η為尺度參數(shù);β為形狀參數(shù);n為多因素耦合作用下天然浮石混凝土壽命即循環(huán)次數(shù)。

圖8為天然浮石混凝土可靠度壽命曲線。由圖8可知,在多因素耦合作用下天然浮石混凝土均呈現(xiàn)出3個階段,即可靠度為1的安全階段,可靠度介于0～1的損傷階段和可靠度為0的失效階段。此外,同工況不同強(qiáng)度下,天然浮石混凝土安全階段滯留時長都呈現(xiàn)出A組

4 結(jié)論

(1)天然浮石混凝土在鹽侵-凍融-干濕耦合作用下的質(zhì)量損失率呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢,其相對動彈模量隨著凍融-干濕循環(huán)次數(shù)的增加逐漸下降,且與清水溶液試驗條件相比,鹽溶液侵蝕下天然浮石混凝土宏觀性能損傷速度加快。

(2)在凍融循環(huán)與干濕循環(huán)的交替作用下,鹽溶液在天然浮石混凝土內(nèi)部擴(kuò)散、腐蝕、結(jié)晶膨脹導(dǎo)致混凝土內(nèi)部微裂縫擴(kuò)展,當(dāng)膨脹應(yīng)力超過天然浮石混凝土的抗拉極限時,浮石混凝土內(nèi)部出現(xiàn)貫通裂縫,浮石混凝土劣化速度加快,使得混凝土的耐久性下降。

(3)當(dāng)天然浮石混凝土可靠性安全階段持續(xù)越久,其安全儲備能力越強(qiáng),耐久性能越好。當(dāng)R(n)=0.8時,天然浮石混凝土的預(yù)測壽命n0.8(A1、A2、B1、B2、C1、C2)分別為6.565、5.410、7.817、6.620、8.799、7.484次。