西南酸雨區混凝土抗壓強度經時變化規律

馬寶富

(中交公路規劃設計院有限公司，北京 100088)

我國是僅次于歐洲和北美的世界第三大酸雨地區[1]，中部和西南部等酸雨重災區的大量建筑長期遭受嚴重酸腐蝕。據估計，僅1999年我國由酸雨造成的直接經濟損失達30億元[2]。從室內試驗和現場調查結果[3]可以看出，酸雨侵蝕下混凝土將發生物理和化學反應，其表面出現孔洞、酥化、開裂和剝落等現象，極大地削減了混凝土抗壓強度，且隨服役期增長上述劣化程度日益加重，導致建筑結構存在嚴重安全隱患。因此，研究酸雨對混凝土抗壓強度經時變化規律十分必要和迫切。目前，國內外學者已陸續開展了酸雨損傷混凝土機理和對其外觀、質量和強度等影響的研究工作，并取得一定成果。如，Fan[4,5]等對酸雨環境下混凝土的抗壓強度、質量損失和彈性模量進行了試驗研究，定義并計算了相應的損傷指標。張英姿[6,7]通過一系列試驗，揭示了酸雨侵蝕下混凝土抗壓、抗拉、抗折性能和彈性模量等的劣化趨勢。孫鑫鵬[8]采用周期浸泡法和噴淋法模擬廣東地區酸雨環境，考慮礦物摻合料和摻合量的影響，研究C50高強混凝土在酸雨侵蝕條件下力學性能的衰變規律。

從上述研究可以看出，目前研究大多基于試驗室模擬結果，與實際情況符合程度有待驗證，且關于該環境下混凝土強度退化程度隨服役期變化規律研究鮮見報道，因而難以對酸雨侵蝕下混凝土經時抗壓強度進行預測。鑒于此，該文從工程實測出發，對酸雨侵蝕地區不同服役期下的混凝土建筑進行抽樣調查，并建立該環境下混凝土抗壓強度經時預測模型，從而為酸雨侵蝕下混凝土結構安全評估提供技術支撐。

1 檢測方案

1.1 檢測方法

檢測技術中，回彈法操作簡便，對結構或構件無損傷，可在檢測中廣泛應用，但測量結果誤差較大。鉆芯法相比回彈法的測量結果可信度高，但會對結構構件造成一定的損傷。鉆芯修正回彈法是對鉆芯法和回彈法優勢的整合，可方便快捷地對工程結構進行非破損全面普查，并局部核實修正，節約大量檢測費用和時間，從整體上提高了混凝土強度檢測精度。鑒于此，該文實地檢測中采用鉆芯修正回彈法檢測混凝土抗壓強度。此次檢測所涉及的主要儀器和試劑分別為：回彈儀(HT225)、混凝土取芯機(HZ-110)、沖擊鉆(TSB5500)、橡皮吹和數顯碳化測量尺(JW-STH型，測量精度為0.01 mm)，濃度為1%～2%的酚酞酒精溶液。

根據JGJ/T 23—2011《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程》[9]第4.1.3條要求，檢測按批量檢測進行。根據檢測條件，在每個區域內隨機抽取一定數量的梁、柱構件進行混凝土抗壓強度檢測，所選取構件應具有代表性，且在結構空間上盡量均勻分布，且同批次數量不少于GB/T 50344—2004《建筑結構檢測技術標準》[10]第3.3.13條所規定的最小樣本容量。所涉及的具體檢測項目和抽樣方案如下：

1)回彈法測試：在所抽選梁、柱構件上布置若干測區，每個測區用粉筆劃分為4×4的網格(間距50 mm×50 mm)。現場回彈檢測如圖1所示。

2)碳化深度測定：按照JGJ/T 23—2011第4.3.1條要求，回彈值測量完畢后，在有代表性的測區上測量碳化深度值，測點數取構件測區數的30%，取其平均值作為該構件每個測區的碳化深度值。

3)鉆芯法測試：根據JGJ/T 23—2011第4.1.6條要求，在回彈法選取的構件測區中，同一強度等級或標號的構件共鉆取6個芯樣，并加工成直徑為100 mm、高徑比為1的圓柱體芯樣，于實驗室中進行抗壓試驗。混凝土鉆芯試件的抗壓強度計算公式如式(1)所示。

(1)

式中，fcor,i為芯樣試件混凝土強度換算值，精確至0.1 MPa；F為試件破壞極限荷載；d為芯樣直徑(mm)；α為不同高徑比的芯樣試件混凝土強度換算系數，由于高徑比為1，α取為1。現場所取芯樣如圖2所示。

1.2 混凝土抗壓強度計算方法

為便于后期數據的統計分析，先計算出每個檢測批內所有測區混凝土抗壓強度平均值和標準差，計算步驟如下：

1)計算每一個測區的混凝土回彈強度：剔除3個最大值和3個最小值，對余下的10個求平均值，作為該測區混凝土回彈強度。

2)進行角度修正。

3)進行澆注面修正。

4)根據JGJT23—2011附錄A，進行碳化深度修正，得出測區強度換算值。

5)通過樣本修正系數法對混凝土強度換算值進行鉆芯修正，修正方法如式(2)～式(3)所示。

(2)

(3)

6)按式(4)和式(5)計算檢測批所有測區的強度平均值和標準差。

(4)

(5)

2 工程實測

對我國遭受嚴重酸雨侵蝕的西南地區30棟在役RC結構或磚混結構內鋼筋混凝土構件(服役期為10年到60年)，采用文中第1節所述方法檢測其混凝土抗壓強度。為便于分析混凝土抗壓強度經時變化規律，將混凝土強度進行歸一化處理，即將各測區混凝土實測抗壓強度與其初始抗壓強度的比值作為新的研究參數，以下稱為相對抗壓強度，相對抗壓強度計算公式如式(6)所示。歸一化處理后混凝土相對抗壓強度變化范圍為0.80～1.42，標準差為0.081。

(6)

3 數據處理與分析

3.1 鉆芯修正系數與服役期的關系模型

表1為根據式(2)計算得到的不同服役期建筑的混凝土強度鉆芯修正系數，可以看出：鉆芯修正系數均大于1，即通過鉆芯測得的混凝土抗壓強度較回彈法測得的混凝土抗壓強度大，分析其原因為，回彈法是基于混凝土表面硬度測得其抗壓強度，一定年限后，混凝土表面開始風化剝蝕、酥化和開裂，其表面硬度降低，而內部混凝土所受影響較小，從而導致回彈強度較鉆芯強度低。

基于表1作出鉆芯修正系數與服役期的關系散點圖，如圖3所示。可以發現，隨服役期的增長，鉆芯修正系數近似呈線性增大，即回彈強度較混凝土鉆芯強度的誤差逐漸變大，服役51年后，該誤差達28%。故工程實踐中，對于服役期較長的建筑應避免單一采用回彈法測混凝土抗壓強度，否則精度將無法保證。

表1 不同服役期下混凝土強度鉆芯修正系數

根據上述定性分析，選用線性模型對鉆芯修正系數與服役期的關系進行回歸分析，結果見式(7)，其相關系數為0.65。為了驗證所得模型的適用性，采用該模型對未納入擬合模型的部分鉆芯數據進行計算并對比分析，并按式(8)計算理論值相對實測值的誤差，對比結果見表2。

ζ(t)=0.004 22t+0.992,R2=0.65

(7)

(8)

式中，ε為相對誤差的絕對值；ζ為鉆芯修正系數實測值；ζ′為鉆芯修正系數理論值。

表2 鉆芯修正系數與服役期關系模型誤差

從表2可以看出，鉆芯修正系數理論值與實測值較為接近，最大誤差為19.5%，平均誤差為13.8%，說明本研究建立的鉆芯修正系數預測模型具有一定的適用性，可用于工程實際中對不同服役期建筑混凝土抗壓強度鉆芯修正系數的快速計算，以修正回彈結果。

3.2 混凝土抗壓強度經時預測模型

檢測樣本統計信息為每個測區混凝土相對抗壓強度，將樣本以1年為單位歸并，得到一系列子樣本。根據文獻[11]的研究，在役建筑混凝土強度服從正態分布，且其平均值和標準差是結構服役時間的函數。通過對本研究中子樣本進行假設檢驗可證明其均服從正態分布，因此研究混凝土強度的經時退化規律就是研究其平均值和標準差隨服役期的變化規律。

按服役期將所有測區以1年為單位進行歸并，可得17個子樣本，子樣本容量分布情況見圖4，對新得子樣本進行假設檢驗可證明每個子樣本服從正態分布，其相應的均值和標準差見表3。繪制子樣本混凝土相對抗壓強度的均值和標準差與服役期的關系折線圖，如圖5所示。通過折線圖可以發現，混凝土相對抗壓強度均值在一定年限內呈現增長趨勢，隨后開始下降，分析其原因為：混凝土初期水化作用產生的水泥凝膠體填充了內部毛細孔，增大了混凝土密實度，且碳化初期混凝土強度有一定提高；服役一定年限以后，混凝土在侵蝕介質作用下變酥、開裂、出現孔洞，劣化作用占主導地位，隨服役期增長，劣化作用累加，混凝土抗壓強度開始呈降低趨勢。相對抗壓強度標準差隨服役期的增長呈現增大的趨勢，表明在服役一定時間后，強度離散性逐漸變大。

表3 以1年為單位歸并后子樣本容量、均值和標準差

根據定性分析結果和折線圖趨勢，選擇如式(9)～式(11)所示3種模型對圖6中均值散點數據進行參數擬合。

μ1(t)=at2+bt+c

(9)

μ2(t)=ae-b(ln t-c)2

(10)

μ3(t)=(a+bt)e-c(t-d)

(11)

式中，t為服役期；μ(t)為某一服役期下的混凝土相對抗壓強度均值；a、b、c為擬合參數。

通過對比分析擬合結果，3種模型中二次函數模型擬合度最好，其相關系數為0.58，表明所得模型可用于預測酸雨侵蝕環境下混凝土相對抗壓強度經時變化規律，預測模型如式(12)所示。可以發現當t=0時，相對抗壓強度近似為1，與實際相符，表明所建立的模型準確性較好。

μ(t)=-2.44×10-4t2+1.21×10-2t+1.02

(12)

4 結 論

該文采用鉆芯修正回彈法，首次對酸雨侵蝕環境下不同服役期建筑進行了混凝土抗壓強度的工程實測，基于參數分析，建立了該環境下混凝土抗壓強度經時預測模型。

a.隨服役期的增長，回彈強度較混凝土鉆芯強度的誤差逐漸變大，故實際工程中對于服役期較長的建筑應避免單一采用回彈法。

b.隨服役期的增長，遭受酸雨侵蝕后混凝土抗壓強度呈先增大后減小的趨勢，而強度離散性逐漸變大。

c.基于實測數據建立了酸雨侵蝕下混凝土抗壓強度經時預測模型，具有一定的準確性和適用性，可用于不同服役期下混凝土抗壓強度快速評估。