凍融和碳化共同作用下混凝土損傷分析

肖前慧，牛荻濤

（1.西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055）

目前，環(huán)境問題日益嚴(yán)重，混凝土結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境條件也越來越復(fù)雜，大大影響了混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性能.在寒冷地區(qū)，混凝土結(jié)構(gòu)主要經(jīng)受凍融循環(huán)和大氣中二氧化碳的碳化作用.對于凍融循環(huán)、碳化等單一因素作用下的混凝土耐久性問題，國內(nèi)外已經(jīng)開展了大量的研究工作，其中的許多結(jié)論和經(jīng)驗公式已經(jīng)在學(xué)術(shù)界達(dá)成共識，并且在工程實際中得到了廣泛應(yīng)用和驗證［1－5］.然而，有關(guān)凍融和碳化共同作用下混凝土耐久性問題的研究只是初步和零星的［6－8］.因此，本文開展了混凝土的耐久性試驗，研究了混凝土遭受凍融循環(huán)和碳化共同作用時的內(nèi)部損傷演化過程，并建立了損傷模型.

1 試驗

1.1 原材料及配合比

水泥選用陜西秦嶺水泥總廠的P·O 42.5R 普通硅酸鹽水泥，細(xì)度為3.4%（80μm 方孔篩篩余）；粉煤灰為渭河電廠Ⅱ級粉煤灰，細(xì)度為18%（45μm方孔篩篩余）；細(xì)骨料為西安灞河中砂；粗骨料為陜西涇陽口鎮(zhèn)石灰?guī)r質(zhì)錘破碎石（粒徑5～20mm）；引氣劑采用同濟(jì)大學(xué)以天然野生植物皂類為主要原料研制的SJ－3型高效引氣劑；水為自來水.混凝土的配合比見表1.

表1 混凝土的配合比Table 1 Mix proportion of concrete kg／m3

1.2 試驗方法

混凝土試件凍融循環(huán)和碳化試驗根據(jù)GB／T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，試件尺寸為100 mm×100 mm×400mm.試件成型后帶模養(yǎng)護(hù)24h，拆模后移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室（溫度20±1℃，相對濕度大于95%）養(yǎng)護(hù)30d，之后自然養(yǎng)護(hù)到預(yù)定齡期90d.

由于凍融和碳化作用機(jī)理不同，發(fā)生作用后混凝土結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物也不同，一般而言碳化使結(jié)構(gòu)變致密，而凍融使結(jié)構(gòu)變疏松.因此在試驗中先進(jìn)行凍融還是碳化，都會對2個因素的復(fù)合結(jié)果帶來影響.為了避免這種影響，試驗?zāi)Ｊ椒?組：

（1）凍融－碳化（F50C）：先凍融50次，然后碳化7d，每個循環(huán)為15d，共進(jìn)行4個大循環(huán).

（2）碳化－凍融（CF50）：先碳化7d，然后凍融50次，每個循環(huán)為15d，共進(jìn)行4個大循環(huán).

（3）單一凍融（F）：每25次凍融循環(huán)為1個大循環(huán)，每個大循環(huán)約4d，共進(jìn)行8個大循環(huán).

表2給出了試件分組情況.

表2 試件分組Table 2 Specimen groups

2 結(jié)果與討論

2.1 質(zhì)量變化規(guī)律

混凝土在凍融－碳化試驗?zāi)Ｊ较碌馁|(zhì)量變化規(guī)律如圖1所示.由圖1可以看出，水膠比越大，混凝土試件的質(zhì)量下降速率越大，這與單一凍融試驗?zāi)Ｊ较禄炷猎嚰|(zhì)量變化規(guī)律一致.

圖2～4 分別給出了水膠比為0.35，0.45 和0.55的混凝土試件在單一凍融和凍融－碳化試驗?zāi)Ｊ较碌馁|(zhì)量損失率.由圖2～4可以看出，試件在凍融－碳化試驗?zāi)Ｊ较碌馁|(zhì)量損失率明顯大于在單一凍融試驗?zāi)Ｊ较碌馁|(zhì)量損失率；同時隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試件在凍融－碳化試驗?zāi)Ｊ较碌馁|(zhì)量損失速率增大.

通過對試驗結(jié)果的分析，得出凍融－碳化試驗?zāi)Ｊ较禄炷临|(zhì)量與凍融循環(huán)次數(shù)的函數(shù)關(guān)系如下：

圖1 混凝土在凍融－碳化試驗?zāi)Ｊ较碌馁|(zhì)量變化規(guī)律Fig.1 Variation of concrete mass under the test mode of F50C

圖2 水膠比0.35混凝土在不同試驗?zāi)Ｊ较碌馁|(zhì)量損失率Fig.2 Mass loss rate under different test modes of concrete with water－binder ratio of 0.35

圖3 水膠比0.45混凝土在不同試驗?zāi)Ｊ较碌馁|(zhì)量損失率Fig.3 Mass loss rate under different test modes of concrete with water－binder ratio of 0.45

式中：Gn為混凝土質(zhì)量；n為凍融循環(huán)次數(shù)；k為與混凝土水膠比mw／mb有關(guān)的系數(shù)，k＝－0.125mw／mb＋1.054（R2＝0.986）.

2.2 動彈性模量變化規(guī)律

GB／T 50082—2009中快凍法對凍融后混凝土的實際考察指標(biāo)是動彈性模量.動彈性模量的測定是非破損的，能考察同一試件在凍融過程中內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸破壞的過程.

圖4 水膠比0.55混凝土在不同試驗?zāi)Ｊ较碌馁|(zhì)量損失率Fig.4 Mass loss rate under different test modes of concrete with water－binder ratio of 0.55

圖5分別描述了水膠比為0.35，0.45 及0.55的混凝土試件在凍融－碳化試驗?zāi)Ｊ较碌膭訌椥阅Ａ侩S凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律.由圖5可見，水膠比對混凝土動彈性模量的影響較大，水膠比小的混凝土在相同凍融循環(huán)次數(shù)下的動彈性模量明顯高于水膠比大的混凝土.

圖5 混凝土在凍融－碳化試驗?zāi)Ｊ较碌膭訌椥阅Ａ孔兓?guī)律Fig.5 Variation of concrete dynamic modulus of elasticity under the test mode of F50C

圖6～8分別為水膠比0.35，0.45和0.55的混凝土試件在單一凍融和凍融－碳化試驗?zāi)Ｊ较孪鄬訌椥阅Ａ縀d的變化規(guī)律.由圖6～8可見，水膠比對混凝土相對動彈性模量的影響較大，水膠比小的混凝土在相同凍融循環(huán)次數(shù)下的相對動彈性模量明顯高于水膠比大的混凝土.由圖6～8還可以看出，混凝土在凍融－碳化試驗?zāi)Ｊ较碌南鄬訌椥阅Ａ啃∮谄湓趩我粌鋈谠囼災(zāi)Ｊ较碌南鄬訌椥阅Ａ浚椿炷猎趦鋈冢蓟瘡?fù)合作用下的抗凍性劣于單一凍融作用下的抗凍性.

圖6 水膠比0.35混凝土在不同試驗?zāi)Ｊ较碌南鄬訌椥阅Ａ縁ig.6 Relative dynamic modulus of elasticity under different test modes of concrete with waterbinder ratio of 0.35

圖7 水膠比0.45混凝土在不同試驗?zāi)Ｊ较碌南鄬訌椥阅Ａ縁ig.7 Relative dynamic modulus of elasticity under different test modes of concrete with waterbinder ratio of 0.45

圖8 水膠比0.55混凝土在不同試驗?zāi)Ｊ较碌南鄬訌椥阅Ａ縁ig.8 Relative dynamic modulus of elasticity under different test modes of concrete with waterbinder ratio of 0.55

圖7還描述了水膠比為0.45的混凝土試件在凍融－碳化和碳化－凍融試驗?zāi)Ｊ较孪鄬訌椥阅Ａ侩S凍融循環(huán)次數(shù)增加而變化的規(guī)律.試驗表明，先碳化的混凝土由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得密實因而要比先凍融的混凝土相對動彈性模量高，即抗凍性好.因此，建議寒冷地區(qū)盡量減少冬季施工.

3 凍融和碳化共同作用下混凝土的損傷模型

由圖6～8可見，混凝土在凍融循環(huán)和碳化共同作用下，其相對動彈性模量Ed與凍融循環(huán)次數(shù)n的關(guān)系可以用函數(shù)表示，即Ed＝f（n），函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)為

通過對微分方程求解并代入邊界條件，得到凍融循環(huán)和碳化共同作用下混凝土相對動彈性模量演化方程如下：

式中：a1，a0分別為與混凝土材料相關(guān)的參數(shù).

按式（2）對凍融循環(huán)和碳化共同作用下混凝土試件C3的相對動彈性模量進(jìn)行擬合，結(jié)果見圖9.

圖9 凍融－碳化共同作用下混凝土相對動彈性模量演化方程擬合Fig.9 Evolution equation simulation of concrete relative dynamic modulus of elasticity under freeze－thaw cycles and carbonization

通過試驗結(jié)果和擬合結(jié)果的對比分析可知，使用式（2）對混凝土相對動彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系進(jìn)行擬合，兩者具有很好的相關(guān)性.

4 結(jié)論

（1）混凝土在凍融－碳化試驗?zāi)Ｊ较碌馁|(zhì)量損失率大于單一凍融試驗?zāi)Ｊ较碌馁|(zhì)量損失率；混凝土在凍融－碳化試驗?zāi)Ｊ较碌南鄬訌椥阅Ａ啃∮趩我粌鋈谠囼災(zāi)Ｊ较碌南鄬訌椥阅Ａ浚椿炷猎趦鋈冢蓟瘡?fù)合作用下的抗凍性劣于單一凍融作用下的抗凍性.

（2）先碳化的混凝土由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得密實而要比先凍融的混凝土在劣化過程中的相對動彈性模量高，即抗凍性好.因此，建議寒冷地區(qū)盡量減少冬季施工.

（3）通過對試驗結(jié)果中混凝土質(zhì)量的分析，建立了凍融和碳化共同作用下不同水膠比混凝土的質(zhì)量與凍融循環(huán)次數(shù)的函數(shù)關(guān)系.

（4）建立了凍融和碳化共同作用下混凝土相對動彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)的函數(shù)關(guān)系，該函數(shù)擬合精度較高.

［1］HOBBS D W.Carbonation of concrete containing PFA［J］.Magazine of Concrete Research，1994，46（166）：35－38.

［2］PAPADAKIS V G，VAYENAS C G，F(xiàn)ARDIS M N.Fundamental modeling and experimental investigation of concrete carbonation［J］.ACI Materials Journal，1991，88（4）：363－373.

［3］VESIKARI E.Service life design of concrete structure with regard to frost resistance of concrete，publication No.5［R］.Oslo：Nordic Concrete Research，1986：215－228.

［4］牛荻濤.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性與壽命預(yù)測［M］.北京：科學(xué)出版社，2003：55－79.NIU Ditao.Durability and life forecast of reinforced concrete structure［M］.Beijing：Science Press，2003：55－79.（in Chinese）

［5］張譽(yù)，蔣利學(xué)，張偉平，等.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性概論［M］.上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2003：79－81，226－232.ZHANG Yu，JIANG Lixue，ZHANG Weiping，et al.Conspectus of concrete structure durability［M］.Shanghai：Shanghai Science and Technology Press，2003：79－81，226－232.（in Chinese）

［6］金祖權(quán).西部地區(qū)嚴(yán)酷環(huán)境下混凝土的耐久性與壽命預(yù)測［D］.南京：東南大學(xué)，2006.JIN Zuquan.Durability and life forecast of concrete under astringent environment in western areas［D］.Nanjing：Southeast University，2006.（in Chinese）

［7］余紅發(fā)，慕儒，孫偉，等.彎曲荷載、化學(xué)腐蝕和碳化作用及其復(fù)合對混凝土抗凍性的影響［J］.硅酸鹽 學(xué)報，2005，33（4）：492－499.YU Hongfa，MU Ru，SUN Wei，et al.Effects of flexural loads，chemical attack，carbonation and their combination on freezing thawing durability of concretes［J］.Journal of the Chinese Ceramic Society，2005，33（4）：492－499.（in Chinese）

［8］燕坤.多重因素作用下碳化混凝土的抗凍性［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2007.YAN Kun.The capability of carbonated concrete in resisting to freeze－thaw cycles under the effect of multiple factors［D］.Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2007.（in Chinese）