透水混凝土凍融試驗及其壽命預(yù)測★

曹 楊 李 靖 路 然

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，云南 昆明 650201； 2.山東省泰安市寧陽縣建筑工程管理局，山東 寧陽 271400)

透水混凝土凍融試驗及其壽命預(yù)測★

曹 楊1李 靖1路 然2

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，云南 昆明 650201； 2.山東省泰安市寧陽縣建筑工程管理局，山東 寧陽 271400)

在國內(nèi)外混凝土抗凍性理論研究的基礎(chǔ)上，對透水混凝土凍融循環(huán)累計損傷的數(shù)學(xué)模型和動彈性模量衰減模型進行了對比，并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)預(yù)測了透水混凝土使用壽命，為今后同類工程提供參考。

透水混凝土，凍融試驗，壽命，海綿城市

0 引言

“海綿城市”作為時下一個熱門的關(guān)鍵詞，已經(jīng)得到了國家領(lǐng)導(dǎo)人以及各領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者的關(guān)注。2013年12月12日，習(xí)近平總書記在《中央城鎮(zhèn)化工作會議》的講話中強調(diào)：“提升城市排水系統(tǒng)時要優(yōu)先考慮把有限的雨水留下來，優(yōu)先考慮更多利用自然力量排水，建設(shè)自然存積、自然滲透、自然凈化的海綿城市”；在2017年的兩會上，李克強總理政府工作報告中提到：統(tǒng)籌城市地上地下建設(shè)，再開工建設(shè)城市地下綜合管廊2 000 km以上，啟動消除城區(qū)重點易澇區(qū)段三年行動，推進海綿城市建設(shè)，使城市既有“面子”，更有“里子”[1]。

而在海綿城市建設(shè)中使用最廣泛的材料就是透水混凝土，目前，國內(nèi)外對透水混凝土研究技術(shù)已經(jīng)趨近成熟，但在低溫環(huán)境下的研究仍不完善，本篇文章將基于透水混凝土凍融試驗對其壽命預(yù)測。

1 試驗制備

根據(jù)孔思宇[2]理論分析，骨料、水灰比、骨灰比，聚合物、攪拌、成型工藝及養(yǎng)護條件是影響透水混凝土力學(xué)性能的因素。

在透水混凝土的制備過程中，其制作工藝直接影響透水混凝土的孔隙率和強度指標(biāo)，國內(nèi)外的一些學(xué)者對透水混凝土的成型方法有了大量研究，其效果也不盡相同，就目前而言，根據(jù)吳冬[5]的試驗理論研究，試驗將采用手工插搗與機械振搗的方式相結(jié)合制作方法(手工插搗10次、機械振搗10 s)，這樣的制作工藝可以讓孔隙率和強度能夠達到最佳。

2 凍融試驗

根據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》，將養(yǎng)護24 d的標(biāo)準(zhǔn)試件放在(20±2)℃水中浸泡4 d，在試件養(yǎng)護第28天時，開始進行凍融試驗，在凍融循環(huán)過程中，每隔15次～50次凍融循環(huán)后將試件取出測試其動彈性模量和重量，并對外觀進行細致記錄。試驗采用KDS-60型號的快凍試驗機。

3 試驗分析

目前國內(nèi)外專家對高強混凝土的抗凍性與壽命預(yù)測已經(jīng)建立了相關(guān)模型，但在透水混凝土方面的研究還不是很完善，劉志勇[6]認為定量檢測混凝土結(jié)構(gòu)損傷變量主要有以下5個指標(biāo),與其相對應(yīng)的壽命預(yù)測模型也可分為5類：1)混凝土質(zhì)量損失率；2)混凝土強度損失率；3)通過測量試件凍融循環(huán)過程中超聲聲速的變化；4)斷裂能或斷裂韌性降低率；5)直接測試混凝土動彈性模量。

因為透水混凝土的多孔性，內(nèi)部機理的復(fù)雜多變，而且考慮到試驗的經(jīng)濟性，本次試驗主要檢測指標(biāo)為動彈性模量，以殘余動彈性模量與原有量的比值或動彈性模量損失率來表示,相應(yīng)的模型稱為相對動彈性模量衰減模型或累積損傷模型。盡管采用相對動彈性模量反映混凝土損傷狀況時存在劣點問題,但這一損傷變量基本能夠反映混凝土結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài),而且這樣的檢測使用的試件數(shù)量相對較少,能方便地測試損傷過程,因此本文采用相對動彈性模量為損傷變量,以未引氣的透水混凝土的快速凍融試驗結(jié)果為例對凍融循環(huán)壽命預(yù)測模型進行對比研究。

3.1 動彈性模量衰減模型

因為混凝土衰變速率為dEt/dN,該速率與(0～t)時間的動彈性模量衰減量成正比,根據(jù)Isaac Newton的“物質(zhì)冷卻定律”(物質(zhì)冷卻的速度正比于物質(zhì)的溫度與外部溫度的瞬時差)和文獻[7]的動彈性模量衰減模型,建立如下:

(1)

其中，E0為混凝土開始損傷前的原有的彈性模量；Et為混凝土經(jīng)衰變至某一時刻t的剩余未損傷量；λ為常數(shù)(本質(zhì)上就是衰變常數(shù)，與凍融過程中的溫度變化、介質(zhì)、材料本身等參數(shù)有關(guān))；N為凍融循環(huán)次數(shù)。

為了探討NSP酶中酶的組成與活性同肉鴨飼糧潛在可利用還原糖的關(guān)系，本實驗以胃蛋白酶-胰液素兩步酶水解法為手段，以酶水解物的還原糖含量為尺度，針對肉鴨飼糧中NSP的特性，篩選與之適應(yīng)的酶譜，為NSP酶制劑在肉鴨飼糧中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

根據(jù)式(1)推導(dǎo)可得：

(2)

(3)

最后整理得到：

Et=E0e-λN

(4)

得到如下指數(shù)方程：

(5)

考慮到實際情況，本次試驗主要測試的數(shù)據(jù)是試件在水凍水融破壞前后相對動彈模量變化情況，并以一年為測試周期，一年內(nèi)，試件需要保持正常使用，并且每隔三個月對試件進行凍融循環(huán)檢測。詳細檢測數(shù)據(jù)見表1。

表1 試件在水凍水融破壞前后相對動彈模量變化情況 %

為此需要對圖1的數(shù)據(jù)結(jié)果進行擬合：

其中，a,b為待定常數(shù)。對式(5)兩邊取對數(shù)：

lny=lna+bN

(6)

令u=lny，c=lna，v=N,

u=c+bv

(7)

由ui=lnyi，vi=Ni。

根據(jù)式(6)，式(7)可以得到表2的對應(yīng)關(guān)系。

表2 對應(yīng)關(guān)系表

用u=c+bv去擬合上述數(shù)據(jù),即在φ=span{1,v}中求函數(shù)u。

其中函數(shù)方程可以如下：

c(φ0,φ0)+b(φ1,φ0)=(u,φ0)

(8)

c(φ0,φ1)+b(φ1,φ1)=(u,φ1)

(9)

而：

(10)

(11)

(12)

(13)

根據(jù)以上算式計算得到結(jié)果如下：

y1=97.514e-0.010N

(14)

y2=98.494e-0.010N

(15)

y3=100.484e-0.009 9N

(16)

y4=101.494e-0.010N

(17)

y5=104.585e-0.010N

(18)

3.2 凍融循環(huán)累計損傷的數(shù)學(xué)模型

通過對損傷力學(xué)的理論研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在將透水混凝土凍融循環(huán)后其損傷度D定義為式(19)，即透水混凝土的損傷度通過其相對動彈模量來表征。根據(jù)劉志勇[6]理論研究表明：混凝土凍融循環(huán)后相對動彈模量越低，意味著損傷程度越大，對于透水混凝土理論上也符合這一理論：

其中，D為透水混凝土損傷度；E0，Ei分別為透水混凝土初始動彈性模量、剩余當(dāng)彈性模量。

經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，由上面的式子可以看出透水混凝土凍融循環(huán)累計損傷的損傷度與凍融循環(huán)次數(shù)可以建立函數(shù)關(guān)系，其損傷模型可以按照式(19)指數(shù)函數(shù)形式建模：

D=aebN

(19)

按照式(19)并結(jié)合表3中透水混凝土凍融循環(huán)次數(shù)的數(shù)據(jù)進行擬合可以得到累計損傷模型及其曲線(見圖2)。

表3 試件在水凍水融破壞前后相對動彈模量相對變化情況 %

D1=2.588e0.068N

(20)

D2=2.387e0.069N

(21)

D3=2.223e0.069N

(22)

D4=2.054e0.070N

(23)

D5=1.822e0.072N

(24)

通過上述擬合方程可以看出，凍融循環(huán)累計損傷模型的精度比動彈性模量衰減模型的精度要高。倘若按照相對動彈性模量達到60%為標(biāo)準(zhǔn)使用壽命的話，根據(jù)目前國內(nèi)外測算標(biāo)準(zhǔn)，室內(nèi)一次快速凍融循環(huán)相當(dāng)于室外自然條件下的凍融循環(huán)12次，若每年凍融循環(huán)按照85次計算，使用壽命t=12N/85年，那么本次測試的各個試件凍融循環(huán)次數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)使用壽命分別是：N1=48.57次，t1=6.86年；N2=49.67次，t2=7.01年；N3=52.09次，t3=7.35年；N4=52.57次，t4=7.42年；N5=55.57次，t5=7.84年。

如果以混凝土損傷度達到40%時的凍融循環(huán)次數(shù)稱為標(biāo)準(zhǔn)壽命的話，那么按照累計損傷模型可以計算各個試件凍融循環(huán)次數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)使用壽命分別是：N1=40.26次，t1=5.68年；N2=40.85次，t2=5.77年；N3=41.88次，t3=5.91年；N4=42.42次，t4=5.99年；N5=42.90次，t5=6.06年。

4 結(jié)論

1)經(jīng)過對兩種試驗數(shù)據(jù)對比，凍融循環(huán)累計損傷的數(shù)學(xué)模型在精度上要比動彈性模量衰減模型的精度要高，而且與實際使用情況非常吻合。2)本次試驗為透水混凝土的抗凍性能提升以及預(yù)測其使用壽命提供了理論上的依據(jù)和檢測方法。

[1] 央廣網(wǎng).解讀兩會政府工作報告 建設(shè)有里有面的“海綿城市”[R].2017.

[2] 孫思宇.透水混凝土的主要性能及其影響因素綜述[J].商品混凝土,2017(1)：46-50.

[3] 孫家瑛，黃 科，蔣華欽．透水水泥混凝土力學(xué)性能和耐久性能研究[J].建筑材料學(xué)報，2007,10(5)：583-587.

[4] 吳紅斌．聚合物對透水性混凝土性能的影響研究[J]．山西建筑，2009，35(15)：144-145.

[5] 吳 冬，劉 霞，吳小強，等.成型方式和砂率對透水混凝土性能的影響[J].混凝土，2009(5)：100-102.

[6] 劉志勇，馬立國.高強混凝土的抗凍性與壽命預(yù)測模型[J].工業(yè)建筑，2005,35(1):11-14.

[7] 劉崇熙,汪在芹.壩工混凝土耐久壽命的衰變規(guī)律[J].長江科學(xué)院院報,2000,17(2)：18-21.

Freezing and thawing test of permeable concrete and its life prediction★

Cao Yang1Li Jing1Lu Ran2

(1.CollegeofWaterConservancy,YunnanAgriculturalUniversity,Kunming650201,China; 2.NingyangCounty,ShandongProvinceConstructionEngineeringAuthority,Ningyang271400,China)

s: Based on the theoretical study on the frost resistance of concrete at home and abroad, the mathematic model of the cumulative damage of the permeable concrete and the dynamic elastic modulus attenuation model are compared, and the service life of the permeated concrete is predicted based on the experimental data, for refereuce.

permeable concrete, freeze-thaw test, life, sponge city

1009-6825(2017)20-0115-03

2017-04-20★:云南省高校重點實驗室建設(shè)計劃資助；水利部科技推廣計劃項目(2014TG1411)

曹 楊(1991- )，男，在讀碩士； 李 靖(1969- )，男，教授

TU525

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