持續荷載與干濕循環耦合作用下混凝土毛細吸水性能試驗研究

汪林志，高明中，楊德傳，王 鵬

(1.安徽理工大學礦業工程學院，淮南 236025；2.安徽理工大學深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室，淮南 232001)

0 引 言

水在混凝土內的傳輸性能始終是研究混凝土結構耐久性不可規避的因素。近年來，不少學者通過改變混凝土的原材料和配合比來改變水的傳輸性能，例如在混凝土內摻入有機硅[6]或橡膠[7]等。這些舉措雖然能夠降低混凝土吸水性能，但始終無法從本質上改變其親水性質，因此，研究水在混凝土內的傳輸和分布仍具有意義。孔隙和裂縫作為混凝土中水分傳輸的主要通道，直接決定水在混凝土中滲透、毛細吸水以及蒸發等多種機制的傳輸[8]，而不同荷載水平的作用又影響著混凝土多尺度孔隙結構(無害孔、少害孔、有害孔及多害孔)[9]，引起孔隙的破裂與相互貫通，進而形成新裂縫，間接影響混凝土吸水性能。實際工程中，混凝土不僅處于不同荷載水平的持續荷載作用下，還要承受水的反復侵蝕，為此，研究持續荷載與干濕循環耦合作用下混凝土的吸水特性是準確預測混凝土結構使用壽命的重要前提和評估依據。在現有研究中，關于荷載對混凝土滲透率與吸水率[10-12]影響的探究有很多，普遍都認同隨著荷載水平的增加，水在混凝土中的傳輸性能均存在一個閾值，小于閾值時，傳輸性能與荷載水平成反比；大于閾值時，則反之。然而，每個試驗的混凝土配比不同，導致混凝土累計吸水量變化的閾值也不盡相同。

在現有的研究中，由于實驗設備條件約束，很難將荷載與干濕循環耦合作用于混凝土。大部分停留在荷載作用產生裂縫后再進行干濕循環，這種研究方法對混凝土在現實中毛細吸水性能變化的描述與預測存在著一定的片面性。基于此，本文依據ASTM C1585—2013標準，改良混凝土吸水試驗系統以及干燥系統，開展荷載與干濕循環耦合作用下混凝土的毛細吸水試驗，研究不同荷載水平與不同次數干濕循環對混凝土毛細吸水性能的影響。

1 實 驗

1.1 原材料及試件制備

水泥為M 32.5砌筑水泥，淮南舜岳水泥有限責任公司；細骨料為淮河河砂，最大粒徑為4.75 mm，細度模數為2.4，密度為2.41 g/cm3；粗骨料為粒徑5～15 mm天然花崗巖碎石，密度為2.63 g/cm3；水為實驗室自來水。混凝土按m(水泥) ∶m(碎石) ∶m(中砂) ∶m(水)=1 ∶2 ∶2 ∶0.5的質量配合比制備。利用外徑為15 mm、長為200 mm的PVC管插入標準混凝土模具底部中心處，如圖1(a)所示,利用改進的模具制作中空混凝土試件，在制作后6 h內及時拔出PVC管，24 h后拆模并放入飽和氫氧化鈣溶液中養護28 d，具體情況見圖1。

圖1 混凝土制備Fig.1 Concrete preparation

制備3個標準立方體試塊(150 mm×150 mm×150 mm)，用于測定標準養護28 d混凝土抗壓強度，單軸抗壓強度結果為17.7 MPa；15個中空混凝土試件，其中3個用于測定中空混凝土的抗壓強度，單軸抗壓強度結果也為17.7 MPa。剩余12個用于探究不同荷載水平與不同干濕循環次數(N)耦合作用條件下混凝土毛細吸水性能，同時為減少蠕變效應對混凝土毛細吸水影響作用，本試驗只討論前幾次干濕循環情況，具體試驗設計見表1。

表1 混凝土所受耦合條件情況Table 1 Coupling conditions of concrete

1.2 吸水試驗設計

為減少持續壓荷載的波動，本試驗采用機械加載的方式，利用RRTS-Ⅱ型巖石流變及擾動效應試驗儀[13-14]作為加載裝置，加載時通過液壓泵將液壓油分別輸送入小油缸和大油缸，大油缸內活塞桿混凝土接觸并提供壓應力，而小油缸則通過輸油管維持大油缸內的壓力，以此構成穩壓系統，具體如圖2所示。加載采用齒輪和液壓二級擴力，擴力比可達60～100倍(本試驗裝置的擴力比為72)，擴力比K可表示為:

(1)

式中：d1、d2分別為大齒輪和小齒輪直徑；φ1、φ2分別為大油缸和小油缸的活塞直徑。

圖2 RRTS-Ⅱ型巖石流變擾動效應儀Fig.2 RRTS-Ⅱ rock rheological disturbance effector

定義荷載水平λc為實際加載應力f與試件單軸抗壓強度平均值fc的比值，可表示為：

(2)

混凝土吸水系統基于連通器原理：將橡膠管(外徑為13 mm)分別與混凝土中心孔道的兩端粘連，并用玻璃膠填充連接處(靜置24 h)保證吸水系統的密封性，對混凝土施加荷載達到預定值10 min后，分別將兩根L型(內徑為6 mm)玻璃管插入橡膠管中，其中一根L型玻璃管上貼有刻度為精度為0.1 mm的透明刻度尺，從進水管注水，每隔一定時間讀取觀測管水位高度并記錄，每次吸水過程記錄時長為300 min，記錄完后繼續試件的吸水過程，在吸水24 h后，用鼓風機以5 m/s的風速在自然平均溫度為35 ℃的環境下(平均每天記錄溫度所得)自然風干24 h。本次試驗設定荷載水平λc分別為0%、10%、20%、35%，分別記錄第1次、3次、7次干濕循環吸水過程中觀測管的水位變化。在試驗結束后，分別對每個試件進行自然狀態和飽和狀態下的含水率測試，結果得出自然干燥狀態含水率平均為2%，飽和狀態含水率平均為6%。

2 結果與討論

本次試驗中，混凝土試件不僅處于雙向不等應力場，同時還受孔道集中的靜水壓力P0作用，為更好地分析試件的累計吸水量與各階段吸水率，首先對試件各處所受應力情況進行理論計算。

圖3 試件加載及吸水過程Fig.3 Specimen loading and water absorption process

由于觀測管的水位高于孔道，所以孔道的靜水壓力為：

P0=γwh

(3)

式中：γw為水的相對密度；h為觀測管水位與孔道的高差(如圖3所示)。

在孔道中，每個方向的集中應力P為:

(4)

式中：r為孔道半徑;β為角度。

依據土力學理論，集中應力P對距離孔道中心z處的徑向作用應力σz為:

(5)

結合彈性理論，側壓系數λ為0時，雙向應力無限板內圓形孔的徑向應力和切向應力分別為：

(6)

(7)

式中：f為加載應力；θ為所求位置與水平的夾角(具體見圖4)；σr為f作用的徑向應力；σt為f作用的切向應力。

根據式(6)可知，試件各處所受靜水壓力的影響遠小于孔道周圍的徑向應力，可將其忽略不計，得到：

(8)

由上述可知，距孔道頂、底部1.73r處出現拉應力區，且在兩側最大切向應力集中系數值達到3。

圖4 試件受力分析Fig.4 Force analysis of the specimen

在靜水壓力忽略不計情況下，非飽和混凝土中的水分傳輸主要由其內部孔隙及喉道內液體表面積上張力產生的毛細吸附作用所主導，通常混凝土單位面積上的累計吸水量i(mm)可表示為：

(9)

式中：Δm為某一時刻累計吸水質量，g；ρw為水的質量密度，g/mm3；Ac為試件吸水面積，mm2；S為試件吸水率，mm·min-1/2；t為吸水時間，min；b為縱軸截距,mm。

2.1 不同耦合條件下混凝土累計吸水量

不同荷載水平與干濕循環耦合作用條件下混凝土累計吸水量情況如圖5所示。由圖5(f)不難發現在第1次干濕循環過程中，混凝土累計吸水量隨著荷載水平的增加呈先減后增的趨勢，且此趨勢的閾值λt在10%～20%。然而，由于本試驗中混凝土孔道的布置與荷載水平方向相互垂直，使得混凝土處于雙向不等應力場中，如圖4(b)所示，孔道附近兩側處于3倍荷載水平作用影響，對比實際混凝土累計吸水量變化的閾值λt應處于30%～60%。

當荷載水平λc達到35%時，混凝土累計吸水量突增至3.538 mm，接近4倍無荷載水平作用影響的累計吸水量。分析認為，當荷載水平較低時，混凝土內部孔隙和喉道會產生一定程度壓縮以及部分閉合，從而間接減小混凝土的孔隙度,導致累計吸水量減少；而當荷載水平較高時，混凝土內部的孔隙和喉道因自身強度原因而擴展、貫通，發育成明顯的裂縫，為水的傳輸提供更大尺寸的運輸通道以及儲存空間，同時隨著荷載水平的不斷增加，孔道頂、底部的拉應力對其作用愈加明顯，尤其當荷載水平增加至35%時，孔道頂、底部有明顯的裂縫，極大程度上增加了混凝土內部與水的接觸面積，使得在300 min的觀測時間內，混凝土累計吸水量突增至無荷載作用的4倍左右。

圖5 不同荷載水平與干濕循環耦合試件吸水累計吸水量曲線Fig.5 Cumulative water absorption curves for specimens coupled with dry-wet cycles and different load levels

同時，當荷載水平λc相同時，混凝土累計吸水量會隨著干濕循環次數的增加，出現不同程度的減少。在試驗過程中，時常發現石英管內有絮狀物的出現，結合試驗現象分析，水在滲入試件內部時，會溶蝕孔隙或裂縫周圍部分細小顆粒，而在干濕循環的干燥過程中，水會以氣、液兩相狀態脫離混凝土，此時由水溶蝕的細小顆粒便會部分留存在孔隙與裂縫之中，從而堵塞部分孔隙以及喉道，減小水傳輸通道的尺寸，如此周而復始的影響，導致混凝土累計吸水量隨著干濕循環次數的增加而不斷下降。在低荷載水平時，無荷載作用第7次干濕循環的累計吸水量相較于第1次降低了63.48%，而在荷載水平λc為10%時其累計吸水量降低了72.75%，這說明在沒有損傷混凝土內部結構時，隨著荷載水平的增加，混凝土累計吸水量受干濕循環的影響也會隨之增大，分析認為有兩種原因:其一，混凝土內部顆粒之間的黏結力會隨著荷載水平的增加而減小，從而更易被水溶蝕；其二，隨著荷載水平的增加，孔隙會不斷被壓縮，使得孔隙邊緣出現裂紋擴展，導致孔隙與水的接觸面積增加，從而導致水溶蝕的細小顆粒增多。隨著荷載水平的增加，孔道頂、底部所受的拉應力對混凝土累計吸水量的影響會變得愈加明顯，拉應力對混凝土的作用影響便不可忽略，此時混凝土累計吸水量是由局部的壓應力和局部的拉應力共同作用所導致的結果，情況比較復雜，由于試驗的局限性，便不做分析。

2.2 不同耦合條件下試件的吸水率

非飽和混凝土毛細吸水過程可分為兩個階段：第一階段是水與混凝土表面剛開始接觸，表面區域快速吸水的初始階段，此階段定義為混凝土初始吸水率S1。第二階段是水滲入混凝土內部孔隙，由于張力作用影響，形成薄膜阻礙水在混凝土內部的吸附，此階段定義為混凝土后期吸水率S2[15-16]。因此混凝土累計吸水量與吸水時間的關系曲線表現為雙線性，根據圖5和式(9)對不同耦合條件下混凝土累計吸水量進行雙線性擬合，時間拐點約為7.8 min1/2。得到不同耦合條件下混凝土的初始吸水率S1與后期吸水率S2,并求此兩階段的差值S2-S1,所得擬合參數如表2所示。

表2 混凝土吸水率以及雙曲線擬合參數Table 2 Water absorption rate of concrete and parameters for fitting the hyperbolic curve

圖6為荷載水平與干濕循環耦合作用下混凝土吸水率曲線。由圖6(a)、(b)可以看出，隨著干濕循環的次數增加，混凝土的初始吸水率S1、后期吸水率S2都會相應降低。其中在荷載水平λc為35%時，混凝土各階段吸水率下降最明顯，第7次干濕循環的初始吸水率S1和后期吸水率S2分別是第1次干濕循環的24.17%和23.53%，同時混凝土前、后期兩階段吸水率隨著荷載水平增加出現先降低后升高的趨勢，這與混凝土累計吸水量的規律相一致。由圖6(c)所示，在干濕循環為第1次時，當荷載水平λc小于10%時，混凝土初始吸水率S1大于后期吸水率S2，在荷載水平λc大于10%時，混凝土后期吸水率S2大于初期吸水率S1,分析認為，隨著荷載水平的增加，孔道頂部和底部的拉應力對混凝土的作用愈加明顯，由式(8)可知，在距孔道頂底部1.73r處徑向應力才開始顯現為拉應力，而混凝土初始吸水階段的吸水深度并未達到此處，隨著時間的推移，毛細作用深度漸漸達到拉應力顯現區域，對于混凝土材料而言，當拉應力達到一定程度時，其對應區域所發育的裂縫尺寸會隨著荷載水平的增加而不斷增加，不斷發育的裂縫不僅為水滲入提供儲存空間，同時也間接增大了混凝土的吸水面積，因此導致在荷載水平達到一定程度時，混凝土的后期吸水率S2大于初期吸水率S1。而在干濕循環為第3次時，混凝土初始吸水率S1大于后期吸水率S2，分析認為前幾次干濕循環過程中，孔道頂部和底部拉應力顯現區域中未經水化反應的硅酸鹽部分會進行二次養護，從而降低該區域的毛細作用。第7次干濕循環中，混凝土初始吸水率S1小于后期吸水率S2，分析認為，在每次干濕循環過程中，均會伴隨著次生孔隙出現，當混凝土內未水化反應部分經歷前幾次干濕循環反應后，便不再出現二次養護的現象，此后混凝土內部的毛細孔會隨著干濕循環次數的增加而增加，使得后期吸水率S2大于初始吸水率S1。

圖6 荷載水平與干濕循環耦合作用下混凝土吸水率曲線Fig.6 Water absorption rate curves of concrete under coupled load levels and wet-dry cycles

2.3 累計吸水量及各階段吸水率回歸分析

為分析在不同荷載水平與干濕循環次數耦合作用下混凝土累計吸水量以及各階段吸水率的變化情況。以荷載水平和干濕循環次數為自變量，分別對混凝土累計吸水量、初始吸水率和后期吸水率進行非線性曲面擬合，經過多次擬合對比，得到累計吸水量Rational Taylor非線性回歸模型如式(10)所示，以及初始吸水率和后期吸水率Gauss Cum非線性回歸模型如式(11)和式(12)所示。

(10)

(11)

(12)

圖7為累計吸水量及各階段吸水率回歸曲面。如圖7所示，構建可視化模型來直觀分析不同荷載水平和干濕循環次數對混凝土累計吸水量、初始吸水率以及后期吸水率的作用影響。

圖7 累計吸水量及各階段吸水率回歸曲面Fig.7 Cumulative water absorption and regression surfaces for each stage of water absorption

總體上，在荷載水平和干濕循環次數耦合條件作用下，混凝土累計吸水量、初始吸水率以及后期吸水率的變化趨勢相似。在荷載水平λc為35%時，混凝土吸水特性參數受干濕循環影響最大，同時在第1次干濕循環時，混凝土吸水特性相關參數受荷載水平影響最顯著，且隨著干濕循環次數的增加，荷載水平對混凝土吸水特性的影響逐漸減弱，這與2.1節以及2.2節所得結論相似，因此上述模型能夠較好地描述不同荷載水平和干濕循環次數耦合條件作用下，混凝土的毛細吸水性能。

3 結 論

(1)混凝土的累計吸水量與各階段吸水率均隨著干濕循環次數的增加出現不同程度的減小，且在荷載水平λc為35%時，受干濕循環影響作用最為顯著。

(2)在側壓系數λ為0的雙向不等應力場中，混凝土的初始吸水率S1隨著荷載水平的增加呈先減小后增加的規律，其荷載水平的閾值λt在10%～20%內，同時此閾值λt隨著干濕循環次數的增加而減小。

(3)在側壓系數λ為0的雙向不等應力場中，混凝土后期吸水率S2與初始吸水率S1的差值隨著荷載水平增加逐漸減小，甚至有后期吸水率S2大于初始吸水率S1的情況出現。

(4)分別采用Rational Taylor和Gauss Cum回歸模型，較好地描述在不同荷載水平和干濕循環次數耦合條件作用下，混凝土的毛細吸水性能。