非均勻堿-硅酸反應下RC梁長期膨脹特征研究

李 鵬 飛,劉 微,蔣 正 施

(1.重慶交通大學 河海學院,重慶 400074; 2.重慶市永川區水利局,重慶 402160; 3.中鐵長江交通設計集團有限公司 規劃研究院,重慶 400074)

0 引 言

堿-硅酸反應(Alkali-Silica Reaction,ASR)是影響混凝土耐久性能的最重要因素之一[1-2]。由于ASR所引起的混凝土開裂和破壞始于混凝土內部,加固和修補的工程難度高、耗資大,因此ASR在國際上也被稱作為混凝土的“癌癥”[3-5]。

ASR具體表現為水泥砂漿中的堿溶液與骨料中的活性二氧化硅發生化學反應,在混凝土內部產生凝膠物質,凝膠吸水膨脹,從而導致混凝土開裂[6-7]。與素混凝土不同,對帶ASR損傷的鋼筋混凝土結構(Reinforced Concrete structure,RC)其膨脹特性的分析,需要綜合考慮鋼筋對ASR損傷的演化機制,以及對混凝土開裂后力學性能的影響[8-9]。在實際工程中,由于骨料中反應性物質分布不均勻,再加上各部位受雨水影響的差異,構件所處位置等因素導致的內外約束的不同等,結構的ASR損傷會呈現出動態、非均勻的特征。此外,有學者研究指出[10],ASR產物的影響存在尺寸效應,基于標準試件試驗得到的結果難以對實際結構的損傷狀態進行評估,需要進一步在結構尺度下針對ASR產物的膨脹與混凝土劣化之間的機理進行分析。因此,本文以RC梁為研究對象,采用試驗研究與機理分析相結合的方法,闡明RC梁在非均勻ASR損傷下的膨脹特征,并揭示非均勻ASR損傷作用下鋼筋的約束機制。

1 材料準備及試驗方案

1.1 材 料

試驗所用水泥為普通硅酸鹽水泥(P·O 42.5),粗骨料的粒徑為5～20 mm,細骨料的細度模數為2.4,并在正式試驗前,按照SL352-2006《水工混凝土試驗規程》中骨料堿活性檢驗方法(快速砂漿棒法),對河砂和粗骨料進行骨料堿活性檢測。結果表明,河砂和粗骨料砂漿棒試件14 d膨脹率均大于0.2%且誤差小于15%。依據相關要求,可認為本次試驗所采用的材料為具有潛在危害性的活性骨料。試驗測得28 d標準養護后的標準立方體抗壓強度為49.57 MPa。混凝土配合比如表1所列。所用鋼筋型號為HRB400,其極限強度600 MPa,屈服強度400 MPa,鋼筋直徑14 mm。

表1 混凝土配合比

1.2 試 件

如圖1所示,試驗梁尺寸為200 mm×200 mm×1 600 mm。并沿梁長度方向,布置有兩根直徑為14 mm的鋼筋。本次試驗測量了Bx-1(0)、Bx-2(25 mm)、Bx-3(75 mm)、Bx-4(125 mm)、Bx-5(175 mm)和Bx-6(200 mm)測點在34個月內的長度變化,測點間的初始距離為l0。試驗過程中,以一個月為測量周期,采用滄州中碩儀器設備有限公司開發的YB-15型手持式應變儀測量各測點間距離lt,利用公式(1)計算得到各測點膨脹率。

圖1 混凝土梁膨脹測量示意(尺寸單位:mm)

(1)

式中:εt是梁在t月的膨脹率;l0是測量點間的初始距離,mm;lt是浸泡時間為t月時測量點之間距離,mm。

1.3 ASR試驗

澆筑、脫模并養護28 d后,將所有梁置于含有2.8 mol/L NaOH溶液的試驗箱中,以加速ASR試驗。如圖2所示,為了模擬實際結構中不同的內外部條件,本次研究選擇了4種不同的浸泡方式:1號梁(B1)和2號梁(B2)浸泡深度為50 mm,3號梁(B3)和4號梁(B4)浸泡深度為100 mm。B1和B3的浸沒部位為受拉區,B2和B4的浸泡部位為受壓區。每根梁的浸泡周期為34個月,圖示中灰色的區域表示浸入NaOH溶液中,白色的區域表示置于空氣中。

2 試驗結果及討論

2.1 膨脹率監測結果

2.1.1膨脹率-時間分布特征

膨脹率和加速ASR時間之間的關系如圖3所示。對于所有梁,其膨脹率曲線按照增長速率大致可分為3個階段:在試驗早期(0～6個月),混凝土的膨脹率增長非常緩慢;在中期(6～24個月)急劇增加;在后期(24～34個月),膨脹增長速度開始放緩,最終趨于不變。這種現象可以用ASR反應機理進行解釋[11]。在ASR反應的早期階段,ASR反應生成的凝膠首先填充混凝土的初始孔隙,因此試驗前期不會立即監測到膨脹。隨后,凝膠繼續吸水膨脹,在混凝土內部產生膨脹應力,膨脹快速增加。隨著反應的進行,當凝膠供應沒有補充時,宏觀膨脹停止[12]。

在試驗早期,每個測點初次監測到膨脹的時間如圖4所示。試驗結果表明,浸泡區出現膨脹的時間早于干燥區。這種現象是由水、堿金屬離子和OH-的共同作用引起的[13]。對于被堿溶液浸泡的區域,有充足的水和離子供應,凝膠產物更加豐富,填充混凝土中的原始孔隙,加速膨脹進程[14]。對于未浸入溶液中的區域,離子和水分主要通過混凝土表面的毛細孔隙和微裂縫孔隙滲透到混凝土內部,溶液在混凝土中的主要傳輸方式包括擴散和毛細作用。在局部浸泡堿溶液的情況下,由于Na+、OH-等離子在不同位置的濃度存在差異,在濃度梯度的作用下,離子總是會自發地從濃度高的地方向濃度低的區域擴散。另外一方面,由于混凝土部分浸泡有堿溶液,導致梁內部飽和度不同,水分自發地從高濕度的區域移動到低濕度部位,伴隨著溶液的流動。相應地,Na+、OH-等離子也隨之發生了遷移[15],在擴散和毛細作用的共同作用下,為干燥區的混凝土提供了堿骨料反應的反應物。因此,在離浸泡區較遠的地方,離子含量和濕度較低,ASR產物較少,ASR相對緩慢,初次監測到膨脹的時間也進一步延遲。

如圖3所示,在試驗中期,浸泡混凝土區域對膨脹率增長速率存在影響,浸泡受拉區的梁整體膨脹增長速率低于浸泡受壓區的梁。在試驗后期,每根梁的膨脹率絕對值也存在差異,浸泡受拉區的梁上檢測到的膨脹率最大值小于浸泡受壓區。產生上述現象的原因是浸泡位置不同,B1、B3浸泡區存在鋼筋,抑制了膨脹的發展。

當浸泡位置相同時,對比不同梁試件的膨脹曲線可以發現,堿溶液浸泡深度同樣會影響梁的劣化程度。如圖3所示,無論浸泡區為受壓區還是受拉區,梁試件的整體的膨脹水平都會隨著溶液浸泡深度的增加而增加,這表明NaOH溶液浸泡深度會影響膨脹發展。一方面,溶液中的水既作為反應物,又作為不同反應物的載體參與ASR反應[16],因此浸泡深度越高,膨脹越快;另一方面,Na+和OH-對ASR損傷有顯著影響。活性骨料在OH-濃度較高的孔隙液中溶解,已溶解SiO2會跟Na+等堿金屬離子反應生成可吸水凝膠,凝膠吸水膨脹。從而引起了不同浸泡深度的鋼筋混凝土梁呈現不同的膨脹程度[17]。

2.1.2膨脹率-空間分布特征

以膨脹率為橫坐標,測點編號為縱坐標,繪制了梁34個月內膨脹率空間分布特征圖,如圖5所示。對于B1,B1-1處膨脹率最大。這是由于反應物濃度引起的。B1-1直接浸入溶液中,反應物更加充分。測點B1-2由于靠近鋼筋,當ASR產生膨脹應力時,鋼筋產生應力抵消部分膨脹應力,從而抑制了混凝土膨脹。在NaOH溶液和鋼筋的共同影響下,測點B1-3、B1-4、B1-5和B1-6處的膨脹率逐漸降低。但綜合來看,在溶液未浸泡的位置,溶液的遷移對膨脹的發展起著更主導的作用,距離NaOH溶液越遠的地方,梁整體的膨脹程度越低。與B1類似,B2、B3和B4溶液浸泡區的膨脹率同樣高于干燥區,在鋼筋周圍,由于鋼筋約束,ASR引起的膨脹明顯減少。但是,梁整體的應變在梁高度方向大致呈現線性分布。

圖5 不同梁試件膨脹率空間分布特征

2.2 ASR引起的裂紋分布

在第34個月,加速ASR試驗結束后,采用放大鏡檢查梁表面裂紋,并選取固定區域描繪裂縫,繪制裂紋分布圖,如圖6所示。梁中,S1為頂面,S2和S3面為側面,S4面為底面。

對于S1,上部存在鋼筋的B2和B4未出現裂縫;對于S4,下部存在鋼筋的B1、B3裂縫數量明顯小于B2和B4。在混凝土中,骨料中的活性SiO2和水泥中的堿性物質發生反應,生成半液態的凝膠產物,凝膠吸水膨脹并填充混凝土孔隙,使得混凝土內部產生膨脹應力,當應力大于混凝土抗拉強度時,混凝土結構開裂。而對于有鋼筋存在的部位,由于帶肋鋼筋的存在,混凝土與鋼筋之間存在咬合力、摩擦力以及鋼筋表面凸出的橫肋對混凝土的擠壓作用,會加強混凝土與鋼筋之間的黏結,從而通過黏結性能對混凝土的ASR膨脹產物的膨脹以及遷移產生抑制作用,延緩裂縫的產生。觀察側面S2、S3,可以發現所有裂紋均分布在溶液液面以下。此外,具有較高溶液浸泡深度的B3和B4中裂紋相對密集,從宏觀層面,反映了裂縫與溶液深度的關系。

2.3 非均勻損傷下鋼筋的約束機制

2.3.1鋼筋混凝土梁的區域損傷指數

為了量化ASR對梁的非均勻損傷程度,本文定義了區域損傷指數αt(也稱膨脹指數),見公式(2)。計算示意圖如圖7所示。

圖7 區域損傷指數計算方法示意

(2)

式中:st為第t月截面面積,mm2,s0為初始截面面積,mm2,lt為第t月測點間距離,mm,l0為測點間初始距離,mm,h為積分高度,mm,h1為起點,h2為終點。

2.3.2鋼筋約束機制

為了分析不同部位ASR劣化下鋼筋的約束機制,將梁沿溶液表面分為兩個區域:浸泡區及干燥區,如圖8所示。

圖8 B1和B2截面膨脹分布特征

圖8顯示了B1和B2第34個月時沿高度的膨脹分布,B1和B2的膨脹分布存在顯著差異。計算B1、B2浸泡區的區域損傷指數,如圖9所示。在浸泡區,混凝土與溶液直接接觸,膨脹程度較大。此外,與B2相比,由于鋼筋約束,B1的區域膨脹指數較小。這可以通過鋼筋的直接約束解釋,混凝土發生ASR膨脹,膨脹受到鋼筋約束,鋼筋受拉,產生拉應力,對混凝土產生“預壓應力”效應,從而直接約束混凝土膨脹,如圖10所示。

圖9 B1和B2浸泡區膨脹指數

計算B1、B2干燥區的區域損傷指數,如圖11所示。在干燥區,水和離子通過混凝土孔隙和裂縫傳輸。凝膠首先在水泥漿體附近產生,并可以部分遷移到周圍的孔隙中[18]。因此,混凝土的孔隙率在ASR膨脹中起著至關重要的作用。通常,多孔混凝土可以使環境中的水和離子更容易聚集,從而導致骨料溶解并引發ASR。此外,裂縫可以作為凝膠的傳輸通道,加速ASR,而當裂縫連接,形成網絡時,它們會進一步增加滲透率,促進ASR反應。如圖12所示,鋼筋可以使結構更加致密,減小鋼筋混凝土梁中膨脹引起的裂縫的寬度,從而降低滲透性,間接影響并降低ASR引起的膨脹。在干燥區,對于B1,鋼筋位于液面附近,可以使其附近的結構更加致密,抑制裂縫的張開擴展及ASR反應物和產物的向上傳輸,從而降低了干燥區的整體損傷程度。對于B2,鋼筋位于干燥區,通過拉應力,直接對該區域的膨脹產生抑制作用。總體來看,在鋼筋的直接和間接約束作用影響下,兩個梁在干燥區的膨脹指數相差不大。

圖11 B1和B2干燥區膨脹指數

圖12 鋼筋的間接約束作用

如圖13所示,當堿溶液的浸入深度為100 mm時,對比B3、B4各測點的膨脹分布,同樣可以看出鋼筋對膨脹的約束作用。圖14(a)顯示,在溶液浸泡區,ASR引起的膨脹直接受到鋼筋的限制,因此,在浸泡區存在鋼筋的B3,膨脹指數低于B4。在干燥區,如圖14(b)所示,對于B3,鋼筋主要通過間接約束作用降低混凝土滲透性,抑制裂縫傳輸和ASR產物的遷移,而對于B4,鋼筋主要通過產生拉應力直接約束混凝土膨脹,但整體上B3干燥區的損傷程度大于B4。

圖13 B3和B4截面膨脹分布特征

圖14 B3、B4不同區域膨脹指數

3 結 論

(1) ASR是一個多級連續的有害反應。相比于干燥區,浸泡堿溶液的部位膨脹發展速率更快,膨脹出現時間更早。

(2) 溶液浸泡部位和溶液浸泡區域對混凝土膨脹具有明顯影響。相比于干燥區,溶液浸泡區的膨脹程度更大,且浸泡深度的增加會加劇ASR反應。

(3) 堿-硅酸反應可導致混凝土開裂,在側面,裂縫主要分布在堿溶液浸泡部位;而在頂面和底面,鋼筋的約束作用會對裂縫產生抑制作用。

(4) 鋼筋會對混凝土ASR引起的膨脹產生抑制作用:一方面,在溶液浸泡區混凝土的膨脹應力作用下,鋼筋會產生拉應力,直接約束混凝土膨脹;另一方面,鋼筋可以通過影響水及離子的傳輸、裂縫的開展,并進一步影響凝膠的生成和遷移,間接影響ASR引起的混凝土膨脹。