紫外線與凍融循環作用下的混凝土耐久性研究

徐 帆， 賀新星， 王瑞駿， 緱彥強， 李 陽

(1.西安理工大學 水利水電學院， 陜西 西安 710048； 2.中國三峽建設管理有限公司， 四川 成都 610000)

目前國內外對水工大體積混凝土的耐久性研究較為深入，而對面板混凝土耐久性研究還處于初級階段，工程界目前關于面板混凝土的耐久性影響研究，仍大多局限于單一因素，然而在實際的工程環境中，有些地區面板混凝土不可能僅僅受到一種破壞[1]。西部地區特有的強紫外線輻射、高寒的氣候條件及存在大量鹽湖地區的自然地理條件，對水工混凝土的耐久性會產生很大影響[2]。近年來相關學者對硫酸鹽侵蝕與凍融循環共同作用下混凝土耐久性進行了復合損傷機理和混凝土劣化規律研究，并取得豐碩的成果。張云清等[3]對混凝土在硫酸鎂溶液中的抗凍性進行了研究，指出不同性能的混凝土，受硫酸鎂溶液的影響程度不同。苑立冬等[4]研究了不同溶液與凍融共同作用下混凝土損傷試驗，得出硫酸鹽溶液對混凝土凍融破壞既存在抑制作用，又存在促進作用。李陽等[5]研究了不同水灰比的面板混凝土在硫酸鈉溶液中單一凍融循環、單一硫酸鹽侵蝕及凍融循環及硫酸鹽侵蝕交替試驗下面板混凝土的質量損失率及相對動彈模量變化規律和特點，并得出相應規律。

相比之下，紫外線輻射與凍融共同作用對混凝土耐久性研究文獻相對較少[6-10]，紫外線輻射對混凝土的劣化機理還未有深入研究，僅通過老化試驗得到混凝土的力學性能和一些微觀結構的變化，劣化機制尚未徹底揭示，目前很少有學者建立相關的耐久性預測模型[11]。因此，本文在前人研究的基礎上考慮凍融循環因素，通過研究紫外線輻射在內的多因素作用下面板混凝土的耐久性，為預測混凝土面板的壽命以及工程設計提供參考。

1 試驗概況

1.1 試驗材料及混凝土配合比

試驗材料的選取按照SL228-2013《混凝土面板堆石壩設計規范》[12]要求，本次試驗采用普通硅酸鹽水泥，強度等級為42.5R；粉煤灰采用渭河電廠Ⅱ級粉煤灰；骨料采用河砂及粒徑5～35mm的天然卵石；外加劑采用聚羧酸高效減水劑以及三萜皂甙高效引氣劑；水采用普通自來水。試驗設計了3組不同水灰比的配合比混凝土試件[13]，每組設置1組試驗組(S)與1組對照組(D)。混凝土28d抗壓強度測定時，不同配合比取3個試件的平均值。混凝土配合比及力學性能見表1，由表1可知3組試件的28 d抗壓強度均滿足規范要求。

1.2 試件制作及試驗方法

制作3組規格為100 mm×100 mm×400 mm的長方體混凝土試件，制作完成后將試件放入標準養護箱中養護28 d，到達試驗齡期前的4 d，將試件從養護箱中取出，試驗組試件放入紫外線老化試驗箱中進行紫外線輻射試驗；對照組則在相同溫度的養護箱內進行養護，試驗結束后，將所有試件擦去表面積水，用電子稱測量初始質量，并用動彈儀測量初始自振頻率，同時進行相關的外觀描述及拍照。

1.2.1 紫外線輻射試驗 本試驗采用型號為SC/ZN-PA紫外線老化試驗箱模擬紫外線照射環境，將養護到一定齡期的混凝土試件放入試驗箱進行紫外線輻射試驗，箱內溫度保持在 35℃。在每組試驗進行的同時設置1組對照組，在同樣35℃的混凝土養護箱內進行養護，用以比較紫外線輻射對混凝土試件造成的影響，試驗過程如圖1、2所示。

1.2.2 凍融循環試驗 將測試完畢的試驗組試件放入凍融循環機的試件盒內(如圖3、4所示)，按照GB/T82-09《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》[14]進行凍融試驗，每25次結束時，測量試件的質量損失率及相對動彈性模量。

表1 混凝土配合比及力學性能

圖1紫外線老化試驗箱圖2紫外線輻射試驗過程圖3混凝土凍融試驗機圖4凍融循環機內試件擺放情況

1.3 試驗結果的整理與分析方法

本次凍融循環試驗的結果以混凝土質量損失率、相對動彈模量為標準，具體整理及分析方法按SL191-2008《水工混凝土試驗規程》[15]要求。紫外線輻射對于質量損失率的影響顯著性采用方差分析，方差分析(analysis of variance，簡稱ANOVA)，是一種實用、有效的處理試驗數據的統計檢驗方法，能用于檢驗試驗過程中有關因素對試驗結果影響的顯著性，其中雙因素試驗的方差分析(two-way analysis of variance)是討論兩個因素對試驗結果影響的顯著性，根據兩個因素每種組合水平上的試驗次數，可以分為無重復試驗和重復試驗的方差分析，本次試驗結果數據處理中用到的是無重復試驗方差分析。

2 試驗結果與分析

2.1 質量損失率試驗結果分析

2.1.1 質量損失率試驗結果 各組試件的質量損失率試驗結果見表2，各組試件在不同凍融次數下的質量損失率變化趨勢如圖5所示。其中A、B、C分別為水灰比不同的3組試件， A(S)、B(S)、C(S)表示各組試件中的試驗組(經過紫外線輻射)，A(D)、B(D)、C(D)表示各組試件中的對照組(無紫外線輻射)。

表2 各組試件質量損失率 %

2.1.2 質量損失率結果分析

(1)在不同水灰比條件下，C組試件的質量損失率最大，A組試件的質量損失率最小，可以得出：在一定凍融循環次數下，水灰比越大，質量損失率越大，混凝土的抗凍性越差。

(2)隨著凍融循環次數增加，3組試件的質量損失率逐漸增大，但質量損失率增長的速度卻有所差異。對照組的3組試件，其質量損失率增速基本上都呈現出先加速后減速的趨勢。但試驗組的3組試件中，C組試件在凍融循環試驗的早期階段，其質量損失率增速就已經達到較高的程度，整體上呈現趨勢為先減速后勻速。通過分析該現象，可能由于紫外線輻射對C組試件的表面砂漿造成不利影響，使其在凍融循環試驗早期便形成了凍融損傷。

(3)在凍融循環次數低于125次時，A組試件(W/C=0.35)對照組與試驗組的質量損失率沒有明顯差異，在循環次數125～200次階段之間時，試驗組的質量損失率相較于對照組更大，在循環次數200次之后，試驗組與對照組的質量損失率基本保持一致；在凍融循環次數低于175次時，B組試件(W/C=0.40)試驗組的質量損失率相較于對照組更大，在凍融循環次數大于175次后，試驗組與對照組的質量損失率基本保持一致；在凍融循環次數低于150次，C組試件(W/C=0.45)試驗組的質量損失率相較于對照組更大，在循環次數大于150次后，試驗組與對照組的質量損失率基本保持一致。

從以上分析結果可知，紫外線輻射對低強混凝土的抗凍性影響主要體現在凍融循環的早期，而對高強混凝土影響，卻需要經歷一定次數的凍融循環后方能表現出來。

圖5 各組試件的質量損失率

2.1.3 方差分析 從表2中雖可得出水灰比與凍融循環次數對質量損失率有明顯的影響，但紫外線輻射對質量損失率是否有明顯的影響難以直接判斷，因此采用方差分析的方法來檢驗紫外線輻射對于質量損失率的影響是否顯著。

以凍融循環次數與紫外線輻射為影響因素進行雙因素無重復試驗的方差分析，對于紫外線因素，F服從自由度為(1，11)的F分布，方差分析結果見表3。

表3 方差分析結果

由表3可以看出，紫外線輻射對A、B、C組混凝土質量損失率試驗結果均有顯著影響。

2.2 相對動彈性模量試驗結果分析

2.2.1 相對動彈性模量試驗結果 各組試件的相對動彈性模量試驗結果見表4，各組試件在不同凍融次數下的動彈模量變化趨勢如圖6所示。

表4 各組試件相對動彈模量 %

圖6 各組試件的相對動彈模量

2.2.2 相對動彈性模量結果分析

(1)在不同水灰比條件下，在對照組試件中，C組試件的相對動彈性模量下降最多，A組試件的相對動彈性模量下降最少。可以得出：在一定凍融循環次數下，水灰比越小，相對動彈性模量越高，混凝土的抗凍性越好，這與質量損失率試驗結果相吻合。

(2)在不同紫外線輻射條件下，3組試件中考慮紫外線輻射的試驗組試件相較于未考慮紫外線輻射的對照組試件，其動彈模量的變化規律有所區別，且在不同的凍融試驗階段，相對動彈模量隨著水灰比的不同而有所差異。其中，A組試件在凍融循環試驗的中期階段，試驗組的相對動彈模量相較于對照組更低，而在試驗的其他階段試驗組與對照組的相對動彈模量基本一致；B組與C組試件在凍融循環試驗前期階段，試驗組的相對動彈模量相較于對照組更低，在試驗的其他階段，試驗組與對照組的相對動彈模量沒有明顯區別。

3 考慮紫外線輻射作用的凍融循環損傷模型研究

損傷度是用來描述材料受到荷載等外部因素以后，材料內部結構的受損傷狀態以及這種狀態對于材料的力學以及外觀性能的影響。從損傷理論角度理解，混凝土結構中出現的各種微裂紋和微缺陷可以看作一個材料內連續分布的損傷場。相對動彈性模量指標在凍融循環試驗中便于測量和分析，同時也是描述混凝土材料內部變化的一個重要指標，可以將相對動彈性模量用來定量地分析混凝土材料的內部損傷程度，因此損傷度Dn(損傷變量)定義如下：

(1)

式中：Dn為循環n次后混凝土的損傷度，%；En為凍融循環n次后動彈模量值，MPa；E0為混凝土初始動彈模量值，MPa。

由于混凝土材料的特殊性以及混凝土結構復雜的荷載作用，想要建立一個能適用所有狀態下混凝土結構損傷本構方程是非常困難的，所以很多研究人員在理論研究的過程中，通過相應的條件假設和近似分析，總結了各種狀態下不同的損傷模型。本文在已有的一些凍融循環損傷模型研究基礎上，通過數據擬合為本次試驗結果建立合適的損傷模型。

(1)修正的Loland混凝土損傷模型[16]：

(2)

式中：D為凍融循環n次后混凝土的損傷度;D0為試驗開始時的損傷度，D0=0；β為材料參數；σmax為混凝土在一個凍融循環作用內所承受的最大平均靜水壓力；n為凍融循環次數。

由于混凝土內部液相壓力測量復雜，上式簡化為：

D=1-[1-pn]k

(3)

式中：p，k可由試驗結果擬合確定。

將試驗的數據代入上述損傷模型中，可以得到各組試件的凍融損傷模型，見表5。

各組擬合曲線與試驗實測值的對比圖見圖7～12所示。

表5 各組試件擬合曲線公式

圖7 A(S)組損傷度擬合曲線圖8 A(D)組損傷度擬合曲線圖9 B(S)組損傷度擬合曲線

圖10 B(D)組損傷度擬合曲線圖11 C(S)組損傷度擬合曲線圖12 C(D)組損傷度擬合曲線

由圖7～12可知，A組試件的損傷度隨著凍融循環次數的增加呈現出先加速后減速的趨勢，而C組試件的損傷度在試驗剛開始階段增加較快，然后勻速增加。造成這種區別的原因可能是C組試件表面受到紫外線作用更為顯著，在凍融循環開始階段表面的砂漿就快速損傷，這與之前紫外線對低水灰比混凝土抗凍性的影響在更早的時段表現出來的結論相吻合。

各組擬合得到的損傷度模型與試驗結果較為吻合，且相關系數R都在0.93以上，說明損傷模型與試驗數據擬合精度較高，所以建立的凍融循環損傷度模型對本次試驗結果來說是合理的。該損傷度模型對于試驗組及對照組的擬合結果都較好，且沒有較大區別，所以紫外線輻射因素造成的耐久性影響也處于該凍融循環損傷模型的合理范圍內。

4 結 論

本文通過對紫外線輻射與凍融循環試驗方法的設計，對不同水灰比的面板混凝土進行了紫外線輻射試驗及凍融循環試驗。通過對試驗數據分析，得出以下結論：

(1)在其他條件一定的情況下，水灰比越低的混凝土抗凍性能越強，表現為質量損失率低，相對動彈性模量大，因此對于有抗凍性要求的混凝土選擇合適的水灰比十分重要。

(2)經紫外線輻射的混凝土抗凍性能變差，且隨著水灰比的不同在凍融循環試驗的不同階段表現出來。紫外線輻射對低強混凝土的抗凍性影響主要是在凍融循環的早期表現出來，而對高強混凝土在進行一定次數的凍融循環試驗后才能表現出來。這可能是由于紫外線輻射對混凝土的表面砂漿造成了不利影響，使之在凍融損傷早期便快速剝落，而由水灰比不同，高強混凝土凍融損傷產生的時間更晚。在一定凍融循環次數后紫外線輻射對混凝土抗凍性的影響逐漸消失，本次試驗在275次凍融循環后，經紫外線輻射的混凝土抗凍性與未經輻射的混凝土相同。

(3)本文選用的凍融循環損傷模型能較好地擬合考慮紫外線作用的凍融循環損傷。