多因素耦合對(duì)混凝土性能影響范文
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1多因素耦合作用對(duì)混凝土性能影響的研究現(xiàn)狀
1.1凍融循環(huán)與鹽侵蝕雙因素耦合作用慕儒［7］研究了凍融循環(huán)耦合鹽溶液作用下混凝土的性能，選取了五種混凝土，分別為普通水泥混凝土(OPC)、普通引氣混凝土(APC)、高強(qiáng)度混凝土(HSC)、鋼纖維增強(qiáng)混凝土(SFRC)和引氣鋼纖維增強(qiáng)混凝土(FRC)，混凝土的強(qiáng)度等級(jí)分別為C40、C60和C80，鹽溶液為3．5%NaCl和5%Na2SO4溶液。結(jié)果表明:(1)混凝土在3．5%NaCl溶液中快速凍融時(shí)表面剝落非常嚴(yán)重，質(zhì)量損失率遠(yuǎn)大于純水中凍融作用，而在5%Na2SO4溶液中凍融時(shí)的質(zhì)量損失率比在純水中時(shí)要小。(2)因鹽溶液降低冰點(diǎn)的作用，使混凝土凍融過(guò)程中的動(dòng)彈性模量下降速度比在純水中時(shí)慢，導(dǎo)致混凝土在NaCl溶液中凍融壽命比在純水中提高10%～30%。在Na2SO4溶液中凍融時(shí)，低強(qiáng)度等級(jí)混凝土的凍融壽命比在純水中略有增加，但HSC的凍融破壞因硫酸鹽腐蝕作用而提前，而且破壞形態(tài)為脆性破壞。(3)APC在NaCl和Na2SO4溶液凍融時(shí)的質(zhì)量損失只有相應(yīng)非引氣OPC的30%～40%，其相對(duì)動(dòng)彈性模量加速下降的時(shí)間比相應(yīng)非引氣OPC要晚，抗凍融壽命明顯增加。(4)SFRC在NaCl和Na2SO4溶液中的凍融壽命比OPC和APC長(zhǎng)，說(shuō)明鋼纖維對(duì)凍融耦合除冰鹽或硫酸鹽雙重因素作用下混凝土損傷的抑制效果比引氣更加明顯，但它對(duì)混凝土的鹽凍剝蝕幾乎沒(méi)有影響。(5)FRC對(duì)凍融耦合除冰鹽或硫酸鹽雙重因素作用下混凝土損傷的抑制效果最好，其抗凍融壽命大大增加，而且其增加值遠(yuǎn)大于引氣和鋼纖維單獨(dú)增強(qiáng)時(shí)增加值之和，產(chǎn)生顯著的增強(qiáng)復(fù)合效應(yīng)［8］。Janssen［9］等研究了在3．0%濃度NaCl溶液中的混凝土在進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，氯離子顯著加劇了混凝土的凍融質(zhì)量損失，即加劇了混凝土的凍融破壞。余紅發(fā)等［10］在Fick擴(kuò)散定律的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出了氯離子在混凝土中擴(kuò)散行為的新擴(kuò)散方程，克服了Fick擴(kuò)散定律與實(shí)際情況不相符的問(wèn)題，得到混凝土的氯離子擴(kuò)散理論基準(zhǔn)模型，在此基礎(chǔ)上導(dǎo)出混凝土表面剝落氯離子擴(kuò)散理論模型、混凝土凍融循環(huán)氯離子擴(kuò)散理論模型和混凝土損傷氯離子擴(kuò)散理論模型。綜上所述，耦合鹽溶液后，混凝土的抗凍性降低;但對(duì)于不同種類的混凝土的抗凍融能力降低程度不同，引氣或摻鋼纖維可以顯著提高抗凍性。鹽凍雙因素作用下的混凝土劣化程度是遠(yuǎn)大于凍融單因素作用下的混凝土劣化程度的，這是二者相互影響、相互作用的結(jié)果。
1.2荷載與凍融循環(huán)雙因素耦合作用Jacobsen［11］指出荷載對(duì)混凝土凍融循環(huán)破壞主要是由裂縫的存在而產(chǎn)生的，所以初始裂縫將增大凍融循環(huán)的破壞作用。孫偉、慕儒等［12］研究了在凍融循環(huán)和三分點(diǎn)彎曲荷載共同作用下引氣高強(qiáng)混凝土(APC)和非引氣高強(qiáng)混凝土(NPC)的損傷過(guò)程和損傷機(jī)理，施加的荷載比例分別為0、0．1、0．25和0．5。結(jié)果表明:(1)當(dāng)荷載比例為零或者較小時(shí)，兩種高強(qiáng)混凝土都能承受的凍融循環(huán)次數(shù)較多;(2)當(dāng)荷載比例較大時(shí)，兩種高強(qiáng)混凝土破壞時(shí)所經(jīng)受的凍融循環(huán)次數(shù)均下降，且荷載比例越大，能經(jīng)受的凍融循環(huán)次數(shù)越少。盡管在荷載比例較大時(shí)抗凍性降低較大，但是兩種高強(qiáng)混凝土的抗凍性能表現(xiàn)還有所不同，當(dāng)水灰比較大時(shí)，APC高強(qiáng)混凝土能經(jīng)受的凍融循環(huán)次數(shù)稍大于NPC高強(qiáng)混凝土;當(dāng)?shù)退冶葧r(shí)，則是NPC高強(qiáng)混凝土的凍融循環(huán)次數(shù)稍大于APC高強(qiáng)混凝土，這是因?yàn)榈退冶葧r(shí)引氣使APC高強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度降低明顯，在荷載作用下容易斷裂，同時(shí)低水灰比使NPC高強(qiáng)混凝土更為致密，抗凍性提高［13］。劉波［14］研究了C20和C30混凝土在0、0．3、0．5和0．7的荷載比例下抗凍性能，獲得了荷載比例與耐久性的變化關(guān)系以及荷載比例對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土的耐久性的影響規(guī)律。即荷載比例對(duì)混凝土試件的孔隙也有很大的影響，當(dāng)荷載比例為0時(shí)混凝土內(nèi)的孔隙是由水化程度和施工條件決定，比較穩(wěn)定;而隨著荷載比例的加大，混凝土的孔隙慢慢增大，無(wú)害孔向有害孔轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致混凝土的抗凍性能的下降。在荷載比例小于0．3時(shí)，由于加載對(duì)混凝土試件內(nèi)部孔隙的“壓合”作用，抗凍融性能下降的幅度很小，速度很慢;當(dāng)荷載比例大于0．3時(shí)，其下降速度很快，且下降速度隨著荷載比例的加大而加快。嚴(yán)安等［15］考慮到了在荷載和凍融循環(huán)雙因素作用下，臨界裂紋擴(kuò)展破壞的突然性，從結(jié)構(gòu)安全性考慮，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出了混凝土在荷載及凍融同時(shí)作用下可靠度計(jì)算公式;同時(shí)引入“等效凍融循環(huán)壽命”的概念，即應(yīng)力作用下的凍融循環(huán)周期數(shù)nr轉(zhuǎn)化為不受應(yīng)力作用下的等效凍融循環(huán)周期數(shù)nre，只要在受應(yīng)力比r作用下凍融循環(huán)壽命nr次的混凝土失效概率與受應(yīng)力作用下凍融循環(huán)壽命nre次的混凝土失效概率相同，就可得到等效凍融循環(huán)壽命。在失效概率相同的條件下，推導(dǎo)出了不受應(yīng)力作用下的混凝土凍融循環(huán)壽命和不同應(yīng)力狀況下的混凝土凍融循環(huán)壽命的關(guān)系式，由此可以根據(jù)不同應(yīng)力狀況下的混凝土凍融循環(huán)壽命試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下的等效凍融循環(huán)壽命，也可以根據(jù)按標(biāo)準(zhǔn)方法在無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下的測(cè)得的凍融循環(huán)壽命(次數(shù))推算不同應(yīng)力狀況下的混凝土凍融循環(huán)壽命。總之，耦合荷載作用后，混凝土的抗凍性遠(yuǎn)小于混凝土在單獨(dú)凍融循環(huán)作用下的抗凍性;耦合荷載作用后，混凝土的內(nèi)部損傷遠(yuǎn)大于單因素?fù)p傷。即在荷載作用下高性能混凝土的破壞主要為外荷載加速凍融破壞，和不受荷載作用下的凍融循環(huán)破壞不同。
1.3荷載與鹽溶液雙因素耦合作用關(guān)于荷載與鹽侵蝕雙因素耦合作用對(duì)混凝土耐久性的影響，國(guó)內(nèi)外的研究報(bào)道很多。方永浩［16］研究發(fā)現(xiàn)混凝土澆筑或試件成型時(shí)，粗骨料下部砂漿或多或少會(huì)沉降而與粗骨料間形成近似與澆筑面平行的弱結(jié)合層。混凝土試件抗壓強(qiáng)度測(cè)定和持續(xù)壓荷載作用下，混凝土氯離子滲透性測(cè)定時(shí)試件受力方向一般與澆筑面平行，與實(shí)際混凝土工程受力方向不一致，這對(duì)于抗壓強(qiáng)度測(cè)定來(lái)說(shuō)可能影響不大，但對(duì)于持續(xù)壓荷載作用下混凝土氯離子滲透性可能會(huì)有較大的影響，特別是在低應(yīng)力水平時(shí)，受力方向不同可能導(dǎo)致得出完全相反的結(jié)論，即壓荷載作用下的混凝土氯離子滲透性可能還與其受力方向有關(guān)的結(jié)論。何世欽［17］研究表明在同一深度處的氯離子含量隨著彎曲荷載的增大而增加;當(dāng)在鹽溶液中浸泡時(shí)間較短時(shí)，氯離子含量受荷載的影響不明顯;隨著浸泡時(shí)間的增加，同一深度處的氯離子含量隨著荷載的增加而增加。金祖權(quán)［18］研究以5%Na2SO4+3．5%NaCl溶液為腐蝕溶液，使用浸泡腐蝕制度和浸烘循環(huán)制度，對(duì)混凝土施加35%和50%的彎曲荷載，測(cè)試混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量隨腐蝕時(shí)間的演變規(guī)律。結(jié)果表明:混凝土在5%Na2SO4+3．5%NaCl浸泡作用下，其膨脹率變化為先增加，然后穩(wěn)定。混凝土通過(guò)浸烘循環(huán)腐蝕加速后，得到混凝土膨脹率變化全過(guò)程包括三個(gè)階段:上升段、穩(wěn)定段和加速上升段;混凝土在彎曲荷載和鹽侵蝕作用下，彎曲荷載加速了混凝土的損傷劣化速度，荷載率越高，混凝土的損傷劣化速度越快。混凝土失效時(shí)間隨彎曲荷載率增加呈乘冪函數(shù)下降。范穎芳等［19］研究發(fā)現(xiàn)，受硫酸鹽腐蝕的混凝土的破壞形式和腐蝕前相同，但開(kāi)裂荷載比腐蝕前提高2～4倍，破壞荷載也比腐蝕前提高30%～60%。總之，混凝土試件在外荷載或應(yīng)力作用下產(chǎn)生微裂縫，加速了各種鹽溶液的滲透和擴(kuò)散，從而加速了混凝土的劣化。
1.4荷載、凍融循環(huán)和鹽侵蝕三因素耦合作用孫偉、慕儒等［20］詳細(xì)研究了混凝土在彎曲荷載－凍融、彎曲荷載－氯鹽、彎曲荷載－復(fù)合鹽、彎曲荷載－鹽湖鹵水、壓荷載－鹽湖鹵水和彎曲荷載－堿集料反應(yīng)下，混凝土的損傷過(guò)程以及氯離子在混凝土中的擴(kuò)散行為，并對(duì)混凝土試驗(yàn)加載裝置不斷更新，形成了高精度、長(zhǎng)壽命、易測(cè)試的彎曲加載系統(tǒng)和壓應(yīng)力加載系統(tǒng)。研究結(jié)果表明:彎曲荷載明顯劣化了混凝土的抗凍性，在高應(yīng)力比下，混凝土的凍融循環(huán)甚至出現(xiàn)脆斷;彎曲荷載也加速了氯離子在混凝土中的擴(kuò)散以及堿集料反應(yīng)對(duì)混凝土造成的損傷。但在壓應(yīng)力小于80%的情況下，氯離子擴(kuò)散并不會(huì)加速。王陣地等研究了路用混凝土中的鋼筋在凍融循環(huán)－氯鹽侵蝕－荷載多因素耦合作用下的銹蝕行為。實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)試件放入含有3．5%NaCl溶液中，并分別對(duì)其施加0．3和0．4的荷載比例，放入快速凍融試驗(yàn)機(jī)中進(jìn)行凍融循環(huán)時(shí)，在高荷載比例的條件下縮短了鋼筋脫鈍的時(shí)間，增大鋼筋發(fā)生銹蝕的風(fēng)險(xiǎn)。曹銀等研究了粉煤灰－礦渣粉混凝土在凍融循環(huán)－氯鹽侵蝕－荷載多因素耦合作用下的耐久性能。提出了殘余應(yīng)變表征混凝土損傷的初步模型;在凍融循環(huán)－氯鹽侵蝕－荷載三因素協(xié)同作用下，鹽凍循環(huán)導(dǎo)致的表面剝蝕仍然是混凝土破壞的主要因素，對(duì)于強(qiáng)度較高的混凝土來(lái)說(shuō)表面剝蝕量很小。外部彎拉應(yīng)力的施加一定程度上加速了鹽凍過(guò)程中的表面剝落和內(nèi)部損傷。
2結(jié)論
綜合分析多因素耦合對(duì)混凝土性能的影響研究可知，多種因素耦合后都會(huì)比單一因素的影響程度大，腐蝕速度快，可以較好地反映實(shí)際工程混凝土的腐蝕情況。但是實(shí)驗(yàn)室模擬還是和實(shí)際工程環(huán)境有一定的差異，一是實(shí)驗(yàn)室多采用快速實(shí)驗(yàn)方法，比如鹽溶液的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際環(huán)境中的濃度，另外實(shí)際工程的荷載作用狀況更為復(fù)雜多變，還有實(shí)際環(huán)境中常常還伴隨有濕度的變化等等。為了能更好反映實(shí)際混凝土工程的現(xiàn)狀，需要就實(shí)際環(huán)境中混凝土工程，在實(shí)際荷載作用下的腐蝕狀況加以觀測(cè)，但是這一工作耗時(shí)長(zhǎng)、工作量巨大，還需要多部門(mén)的配合進(jìn)行。
作者：侯云芬 司武保 單位：北京建筑大學(xué)