荷載與干濕循環耦合作用下水工混凝土毛細吸水性能分析

李志勇

(新民市水利工程質量監督站，沈陽 110300)

水的作用在混凝土劣化過程中都處于主導地位，一般將混凝土受水的作用劃分成兩類：①化學反應，水作為硫酸鹽、氯鹽等有害離子的重要載體，其在混凝土內部的傳輸、分布與硫酸鹽反應生成鈣礬石AFt和石膏，或對氯離子與水化產物的結合效應產生量上的影響；②物理反應，主要有凍融循環、干濕循環等劣化過程，其中凍融循環是低溫下的水發生結冰膨脹，從而產生膨脹應力破壞孔隙結構，而干濕循環則是利用水的溶解性能削弱水化產物顆粒之間的聯結力[1-2]。

近年來，為改善水的傳輸性能許多學者提出改變混凝土配合比、原材料等方法，如摻入橡膠或有機硅等，雖然可以在一定程度上降低混凝土吸水性，但其親水性質并未得到實質性的改變，所以研究水的分布和傳輸機理仍具有重要意義。裂縫和孔隙是水分的主要傳輸通道，直接決定了水的蒸發、毛細吸水以及滲透等機制的傳輸，而混凝土的多害孔、有害孔、少害孔、無害孔等多尺度孔隙結構又取決于不同應力水平的作用，并造成孔隙的相互貫通、破裂和新的裂縫形成，對混凝土吸水性能帶來間接影響。實際工程中，水工混凝土要承受水的反復侵蝕和不同應力水平的持續荷載作用，研究混凝土在干濕循環與持續荷載耦合作用下的吸水特性是準確預測結構使用年限的評估依據和重要條件。目前，研究混凝土吸水率和滲透率受荷載影響的較多，普遍認為水在混凝土中的傳輸性能隨應力水平的增加存在一個閾值，<閾值時應力水平與傳輸性能成反比，超過閾值時則相反。然而，不同混凝土配合比所引起的累計吸水量變化的閾值存在明顯差異。

現有研究受限于實驗設備條件，水工混凝土同時受干濕循環與荷載耦合作用難度較大，大多數研究方法都是以荷載產生裂縫后再開展干濕循環，其描述和預測的毛細吸水性能變化特征不夠全面。鑒于此，文章利用改良的混凝土干燥系數和吸水試驗系統，依據ASTM C1585-2013《水硬水泥混凝土吸水率標準試驗方法》開展干濕循環與荷載耦合作用下的毛細吸水試驗，探討水工混凝土毛細吸水性能受不同干濕循環次數和不同應力水平的影響特征。

1 試驗方法

1.1 試件制備

水泥選用天瑞集團水泥有限公司生產的M32.5砌筑水泥；粗骨料選用天然花崗巖碎石，粒徑5～20mm，密度2.65g/cm3，細骨料選用渾河河砂，細度模數2.5，最大粒徑4.75mm，密度2.40g/cm3；拌合水選用當地自來水。設計質量配合比為水∶水泥∶中砂∶碎石=0.5∶1∶2∶2。在混凝土標準模具底部中心插入長200mm、外徑15mm的PVC管，采用改進的中空混凝土模具制作試件，澆筑完成6h后將PVC官及時拔除，室內靜置24h后拆模取出試樣，并放入飽和Ca(OH)2溶液中養護28d。

試驗制備3個150mm×150mm×150mm的標準立方體石塊用于測定標養28d的混凝土抗壓強度，經檢測其抗壓強度值18.1MPa；從15個中空試件中隨機選取3個用于測定抗壓強度，經檢測其抗壓強度值18.1MPa，剩余12個用于測定不同干濕循環次數和不同應力水平耦合作用下的毛細吸水性能，為了降低毛細吸水性能受蠕變效應的影響，本試驗僅考慮前幾次干濕循環，耦合試驗設計如表1所示。

表1 混凝土所受耦合作用

1.2 試驗方法

本試驗選用機械加載的方式以減少持續壓荷載的波動，加載裝置選用擾動效應試驗儀和RRTS-Ⅱ型巖石流變儀。液壓油通過液壓泵被輸送到大、小油缸進行加載，混凝土與大油缸活塞桿接觸并提供壓應力，大油缸內的壓力通過輸油管和小油缸維持系統穩定，混凝土加載及吸水過程如圖1所示。

圖1 持續加載與吸水過程

首先，將混凝土中心孔道的兩端分別于橡膠管(外徑12mm)相黏連，為確保吸水系統的密封性用玻璃膠填充連接處；然后，施加荷載達到預定值，在維持10min后把內徑6mm的兩根L型玻璃管插入橡膠管內，將精度0.1mm的透明刻度尺貼上其中一根L型玻璃管上；最后，向進水管注水，對管水位高度每隔一定時間進行觀測、讀取、記錄，總時長300min，完成記錄后繼續進行吸水，吸水24h后在自然氣溫30℃的條件下，以5m/s的風速用鼓風機吹干，并室內風干24h。

本試驗采用液壓和齒輪二級擴力進行加載，擴大比K最高達到600～100倍，利用下式計算擴力比K，即：

(1)

式中：φ1、φ2為大、小油缸的活塞直徑；D1、D2為大、小齒輪的直徑。

定義混凝土試件的實際加載應力f和抗壓強度值fc的比值為應力水平λc，數學表達式為：λc=λ/λc×100%。試驗設定0%、10%、20%、30%4種應力水平λc，試驗觀測干濕循環第1次、4次、8次吸水過程中的管水位變化。試驗結束后，測試飽和狀態及自然狀態下每個試件的含水率，結果顯示平均值為6%和2%。

2 結果與分析

2.1 累計吸水量分析

水工混凝土在不同干濕循環次數和應力水平耦合作用下的累計吸水量i，如圖2所示。

(a)λc=0%

從圖3(e)可以看出，第1次干濕循環時，隨著應力水平的增加混凝土累計吸水量表現出先下降后上升的變化趨勢，該條件下的λt處于10%～20%之間。然而，由于應力水平與混凝土的孔道布置方向相垂直使得試件位于雙向不等應力場內，有3倍應力水平作用于孔道附近兩側，與實際閾值λt相比應處于30%～60%區間。

應力水平λc不斷提高到30%時，混凝土累計吸水量激增到約4倍于無應力水平作用時的量，最高達到3.55mm。因此，較低應力水平下，在一定程度的壓縮作用下混凝土內部通道和孔隙會出現部分閉合，間接減小了累計吸水量和混凝土孔隙度；較高應力水平下，因自身強度原因混凝土內部的通道和孔隙進一步擴展、凸岸通，并發育成比較明顯的裂縫，為水的傳輸提供更大的儲存空間和輸送通道，并且孔道頂、底部的拉應力作用隨應力水平的增加而更加明顯，特別是應力水平提高到30%時孔道頂、底部出現明顯裂縫，大大增加了水與混凝土內部的接觸面積，觀測時間達到300min時試件的累計吸水量激增到無荷載時的約4倍。

相同應力水平λc下，隨干濕循環次數的增加混凝土累計吸水量會出現不同程度的減小。試驗過程中發現管內出現絮狀物，究其原因是水滲入混凝土內部時會溶蝕裂縫或孔隙周邊的細小顆粒，而在干濕循環的干燥時以液、氣兩相態脫離混凝土，此時裂縫和孔隙中就會留存水所溶蝕的細小顆粒，堵塞部分通道以及孔隙，水傳輸通道有所減小，長期以往，隨干濕循環次數的增加混凝土累計吸水量逐漸減小。無荷載作用時，相較于第1次干濕循環第8次的累計吸水量減小67.39%；應力水平達到λc10%時，相較于第1次干濕循環第8次的累計吸水量減小73.08%。研究表明，混凝土內部布存在損傷時，干濕循環對混凝土累計吸水量的影響會隨著應力水平的增加而增大。究其原因，隨著應力水平的不斷增加試件內部顆粒之間的黏結力減小，使得水溶蝕難度下降；另外，孔隙會隨著應力水平的增大不斷被壓縮，孔隙邊緣裂縫進一步擴展致使水與孔隙的接觸面積加大，在一定程度上增加了水溶蝕的細小顆粒。混凝土累計吸水率受孔道低、頂部所受拉應力的影響，隨著應力水平的增加會變得更加明顯，混凝土受拉應力的影響較大，此時局部拉應力和局部壓應力共同決定了混凝土的累計吸水量，影響過程比較復雜，受試驗條件限制不再深入分析。

2.2 吸水率分析

總體上，可以將混凝土非飽和毛細吸水過程劃分成2個階段：階段1是混凝土表面與水開始接觸快速吸水的初始階段，定義該階段初始吸水率S1；階段2是水滲入試件內部孔隙形成薄膜，受張力作用可以抑制水在內部的吸附，定義該階段后期吸水率S2。因此，吸水試件與累計吸水量之間表現為雙線性曲線關系，通過雙線性擬合耦合作用下的累計吸水量，發現吸水時間突變點為60min。不同耦合作用下的S1、S2以及兩者的差值S2-Sl計算結果，如表2和圖3所示。

表2 吸水率和雙曲線擬合值

從表2可以看出，混凝土的初始吸水率S1和后期吸水率S2均隨著干濕循環次數的增加逐漸下降，應力水平λc達到30%時各階段吸水率明顯下降，第8次干濕循環是第1次干濕循環初始吸水率S1和后期吸水率S2的24.73%、23.53%，該變化規律與累計吸水率保持一致。

(a)初始吸水率S1

從圖4可以看出，應力水平較低情況下，混凝土后期吸水率S2<初始吸水率，隨著應力水平的增加兩階段的吸水率均不斷下降；應力水平超過20%時，混凝土初始吸水率S1和后期吸水率S2的近似相等，甚至

2.3 回歸分析

為揭示不同干濕循環次數和應力水平耦合作用下混凝土個階段吸水率以及吸水量變化規律，設自變量為干濕循環次數和應力水平，利用Origin軟件擬合累計吸水量Rational Yaylor以及初始吸水率和后期吸水率Gauss Cum非線性回歸模型，具體表達式為：

(2)

(3)

(4)

通過分析不同干濕循環次數和應力水平對混凝土初始吸水率、后期吸水率以及累計吸水量的影響，結果表明混凝土受不同干濕循環次數和應力水平耦合作用下的初始吸水率、后期吸水率以及累計吸水量變化趨勢相同。應力水平λc到30%時，干濕循環次數對混凝土吸水特性的影響最為顯著，第1次干濕循環時應力水平對吸水特性相關參數影響最大，混凝土吸水特性受應力水平的影響隨干濕循環次數的增加逐漸減弱，該結論與前文保持一致。因此，該模型可以直觀地反映不同干濕循環次數和應力水平耦合作用下的混凝土毛細吸水性能[3]。

3 結 論

1)隨干濕循環次數的增加混凝土各階段吸水率和累計吸水量均表現出一定程度的減小，并且應力水平λc達到30%時，干濕循環次數對混凝土吸水特性的影響最為顯著。

2)在雙向不等應力場中，隨應力水平的增加混凝土初始吸水率S1表現出先下降后上升的趨勢，閾值λt處于10%～20%范圍內，該條件下干濕循環次數越多則閾值λt越小。隨著應力水平的增加混凝土S2與S1之間的差值逐漸減小，甚至出現

3)利用Origin軟件擬合累計吸水量Rational Yaylor以及初始吸水率和后期吸水率Gauss Cum非線性回歸模型，結果顯示該模型可以直觀地反映不同干濕循環次數和應力水平耦合作用下的混凝土毛細吸水性能。