海洋環境條件海水海砂混凝土加速試驗力學損傷評估

何旭HE Xu；郁邦永YU Bang-yong；司強SI Qiang；戴玉偉DAI Yu-wei

（①常州工程職業技術學院建工學院，常州 213164；②河海大學土木與交通學院，南京 210098）

0 引言

海洋開發與島礁建設伴隨著大量的離岸土建工程，這需要大量砂石資源與水資源。海水海砂混凝土在沿海與離岸工程中的應用不僅能就地取材節省材料成本與運輸成本，同時可以避免由于大量開采河砂引發的環境破壞與資源匱乏等問題。因此海水海砂作為建筑材料在沿海開發和離岸建設中具有重大的應用前景[1]。

通常海洋環境中混凝土的應用從下到上分為浸沒區、潮汐區、浪濺區、大氣區[2]。在科學研究中通常采用部分浸沒的試驗模型[3]，力學損傷沿試件高度存在明顯差異。為了減少時間成本，學者們通常采用空氣溫濕循環并且增加侵蝕溶液濃度的方式加速混凝土的劣化[4]。加速侵蝕后混凝土的劣化時間與實際海洋環境中混凝土的劣化時間差異明顯。這種力學損傷的時間差異以及沿高度分布的差異增大了海洋環境部分浸沒海水海砂混凝土的壽命預測難度。目前沒有這種加速效果以及壽命分析的相關研究，從而降低了部分浸沒海洋環境加速試驗模型的科學價值。

文章根據海水海砂混凝土部分浸沒溫濕循環加速試驗結果，建立海水海砂混凝土力學損傷理論計算模型，并根據動彈性模量預測加速試驗后海水海砂混凝土的劣化時間。這項研究對部分浸沒溫濕循環加速試驗模型的應用以及該模型加速效果的研究提供理論支撐。

1 力學損傷模擬模型

在海水化學內侵蝕、外侵蝕、物理結晶侵蝕的聯合作用下，溫濕循環后部分浸沒海砂混凝土不同高度力學強度（抗壓強度與動彈性模量）均有一定程度損傷。力學強度損傷與溫濕循環時間、試件高度、海水海砂混凝土初始力學強度有關，初始力學強度與細骨料種類和配比有關[5]。因此將溫濕循環時間t 后的海水海砂混凝土不同部位力學強度表示為時間t 與初始力學強度（抗壓強度fc或動彈性模量Ed）的函數（公式1）：

式中：fc，0—為試件初始抗壓強度（MPa）；

Ed，0—為試件初始動彈性模量（GPa）。

以抗壓強度函數f（t，fc，0）計算為例，首先考慮函數與初始抗壓強度的關系。采用最小二乘法得到：

不同循環時間的ζ1、ζ2和ζ3不同，故ζ1、ζ2和ζ3可表示為：

由此得到抗壓強度隨循環時間t 與初始抗壓強度fc的函數關系：

同理得到動彈性模量隨循環時間t 與初始動彈性模量Ed的函數關系：

式中α1、α2、α3、β1、β2、β3、γ1、γ2、γ3均為計算系數。

根據規范GBT 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》[6]，動彈性模量降為原動彈性模量60%可認為混凝土損壞，由此根據公式（3）可計算出混凝土損壞時間與對應的損傷部位。

2 模型應用

2.1 部分浸沒溫濕循環加速試驗

海砂混凝土根據拌和材料的不同可以分為海水硅質海砂混凝土（SSC）、海水珊瑚砂混凝土（CSC）和淡水淡化硅質海砂混凝土（DTC），其中SSC 與CSC 為海水海砂混凝土，淡化硅質海砂經過了脫鹽處理使得DTC 的化學性質更接近于普通混凝土。海水海砂混凝土部分浸沒溫濕循環加速試驗方案、力學測試方法與結果引用He[5]研究成果。混凝土試件大小為直徑71.5mm 高度300mm 的圓柱體，底部70mm 浸沒于8 倍海水溶液中，其余高度暴露于空氣部分進行溫濕循環。

根據實驗數據計算海水硅質海砂混凝土初始力學強度與水灰比（W/C）的線性關系為：

海水珊瑚砂混凝土初始力學強度與水灰比的線性關系為：

將公式（4）與公式（5）帶入公式（2）與公式（3）中，可以得到溫濕循環時間t 后，SSC 或CSC 不同部位抗壓強度與動彈性模量理論值。

將試件分為底部、中部與頂部三個部位：浸沒區為第一層與第二層圓餅狀試塊，即為試件底部；試件中部為第三層至第六層；試件頂部為第七層與第八層。試件底部、中部、頂部力學強度即為所在高度范圍對應圓餅狀試塊平均值。計算試件底部、中部與頂部抗壓強度與動彈性模量見表1 與表2 所示。

表1 溫濕循環后不同混凝土動彈性模量（MPa）

表2 溫濕循環后不同混凝土動彈性模量（GPa）

2.2 力學性能理論模型與壽命計算

將表1、表2 試驗數據帶入公式（2）與公式（3）得到溫濕循環時間t 后海水海砂混凝土不同部位抗壓強度與動彈性模量計算系數見表3。

表3 溫濕循環時間t 后海水海砂混凝土不同部位抗壓強度與動彈性模量公式計算系數

計算理論值與實驗值的誤差見表4，通過誤差結果可見，SSC 與CSC 不同部位抗壓強度與動彈性模量理論值與實驗值誤差大部分控制在15%以內，因此文章采用的理論計算方法可以一定程度的反映試驗結果，并預測溫濕循環后部分浸沒海水海砂混凝土不同部位的力學強度。

表4 不同循環時間海水海砂混凝土不同部位力學強度計算與試驗結果誤差

根據動彈性模量變化判斷不同海砂混凝土損壞需要溫濕循環時間見表5。結果顯示，根據動彈性模量判斷，所有試件頂部最先損壞；對于海水硅質海砂混凝土而言，SS2最先損壞；對于海水珊瑚混凝土而言，CS3 最先損壞；相同配合比條件下，海水硅質海砂混凝土最易損壞，海水珊瑚混凝土最不易損傷。

表5 不同海砂混凝土損壞需要溫濕循環時間

3 結論

文章建立海水海砂混凝土力學損傷理論計算模型，并根據動彈性模量預測加速試驗后海水海砂混凝土的劣化時間，根據試驗結果驗證理論計算模型的可行性。這項研究對部分浸沒溫濕循環加速試驗模型的應用以及該模型加速效果的研究具有科學意義。

通過力學損傷理論計算模型以及動彈性模量的壽命分析，結合試驗結果，發現溫濕循環1 年以后，在浸沒區海水侵蝕作用下，所有海砂混凝土頂部最先損壞；相同配合比條件下，海水硅質海砂混凝土最易損壞，海水珊瑚混凝土最不易損傷。