西安地区现场暴露混凝土损伤评价



西安地区现场暴露混凝土损伤评价

乔宏霞1，2，朱彬荣1，向美玲1

1)兰州理工大学甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室，兰州730050;

2)西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心，兰州730050

摘要:选取试验地点并设计试验方案，对不同粉煤灰掺量的混凝土试块进行现场暴露试验，分析西安盐渍土地区现场暴露的混凝土基于硫酸盐侵蚀试验数据，结合实际环境及材料因素，选取试件的相对动弹性模量和相对质量作为评价参数．比较各评价参数的优劣，提出一个符合实际评价的参数——综合损伤评价参数．理论分析和实验结果表明，室外现场暴露试验混凝土的综合损伤评价参数呈整体下降趋势．运用损伤评价参数能较好地对混凝土在环境作用下的损伤过程进行评判，该方法简捷、可操作性强，但可靠性尚需进一步改进．

关键词:混凝土;盐渍土;硫酸盐侵蚀;现场暴露;评价参数;耐久性;综合损伤评价

Received: 2015-04-08; Accepted: 2015-06-05

Foundation: National Natural Science Foundation of China(51168031，51468039)

Corresponding author: Professor Qiao Hongxia．E-mail: qiaohx7706@ 163.com

陕西西安作为丝绸之路经济带的起点，是西部众多的盐渍土地区之一．该地区日照充足，辐射强度高，早晚温差大，相对湿度较高，处在这一地区的混凝土受到盐类侵蚀、干湿循环环境作用和冻融交替环境影响，存在明显的混凝土耐久性问题．研究西部地区混凝土的耐久性问题对国家实施“西部大开发”和“一带一路”经济带基础工程建设具有积极意义．

聂彦锋等［1］应用粗糙集理论对长度变化率、超声波波速、回弹值、质量变化率和侵蚀深度等5个评价指标进行分析，结果表明，长度变化率和超声波波速的权重系数最大，回弹值次之，质量变化率和侵蚀深度最小;汪廷秀等［2］通过观察干湿循环和硫酸盐溶液共同作用下混凝土相对动弹性模量的变化，来表征混凝土内部的损伤程度; Samir等［3］研究了混凝土结构内热耦合传输规律，探讨了温度和湿度对混凝土各种性能影响规律;牛荻涛等［4］通过快速冻融实验法，分析混凝土冻融损伤特性，建立了其损伤量和循环次数的概率关系曲线，且通过线性回归方式得到不同的保证率下冻融循环累积损伤模型;倪卓等［5］对自修复混凝土做了系统研究，对比各种自修复方法，旨在提高混凝土的结构性能;乔宏霞等［6］采用盐渍土地区原材料，通过快速试验研究混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能，结果表明，掺加复合掺合料的高性能混凝土对硫酸盐侵蚀有较好的抵抗性能．其他学者也对混凝土耐久性进行了研究，丰富了混凝土破坏过程理论［7-12］．

目前，耐久性能研究一般基于本地区原材料及环境，这些研究成果很难应用到同时遭受冻融破坏及硫酸盐腐蚀的西北盐渍土地区．对于混凝土耐久性能研究，学者们多侧重于氯离子腐蚀和碳化腐蚀的研究，基于硫酸盐腐蚀的研究成果和现场暴露条件的试验数据很少．西安作为一个特定的地域，其盐渍土有其自身特性，为此，我们进行了深入研究．

1　原材料和试验方法

1.1原材料

水泥选用甘肃祁连山水泥公司生产的42.5普通硅酸盐水泥，其性能试验结果见表1．粗集料采用兰州华陇商砼公司提供的碎石，表观密度为2 660 kg/m3;细集料采用兰州安宁河沙，细度模数为3.18，属中砂，表观密度为2 581 kg/m3;粉煤灰采用兰州二热厂生产的Ⅱ级粉煤灰;减水剂采用兰州华陇商砼公司提供的羟系减水剂，减水率为18%，所用掺量分别为胶凝材料的1.5%、2.0%和2.6%(质量分数) ;水采用自来水．

表1　普通硅酸盐水泥的性能指标Table 1 Performance index of ordinary Portland cement

1.2配合比

为研究现场实际环境对混凝土耐久性的影响，基于各种水胶比混凝土的抗腐蚀性能有所区别，本实验配制了3种不同水胶比的混凝土试样，实验所用混凝土配合比如表2．

1.3试验方案

本试验始于2012-01-30，西安历经春季回暖期、初夏少雨期、初夏多雨期、盛夏伏旱期、初秋多雨期和秋季凉爽期6个气候时段．西安盐渍土环境对混凝土的侵蚀作用较明显，故本试验将混凝土试件置于西安盐渍土现场暴露．试件在养护至28 d龄期的前2 d，将需室外试验的试件进行质量、动弹性模量和超声波的检测．试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm，试件两端分别标记为A端和B端，且把试件的B端朝下埋于土中，大致埋深200 mm．每隔60 d左右测一次试件的质量和超声波速．

表2　混凝土配合比Table 2 Mix proportion of concrete

由于现场暴露的试件遭受的不确定事件较多，故每种配合比分别埋设3块．共选择2个具有代表性的现场埋设点，分别为西安市户县大王镇地区(1号点)和西安市户县马王镇地区(2号点)，每个点埋设3组不同配合比的试件，故每个点埋设了9块试件．

根据《土工试验方法标准》［13］对试点土质进行分析，结果如表3．其中，n和m分别是每千克土质中所测项目的物质的量和质量．根据《岩土工程勘察规范》［14］结合数据计算可知1号和2号试点均为盐渍土地区．

1.4耐久性评价参数设计

水胶比、集料品种、掺和料、暴露环境条件及龄期等因素对损伤评价参数有一定影响，本研究着重研究不同配合比的混凝土在实际现场暴露环境下的耐久性，根据各项实际数据的变化，得出相应的综合损伤评价参数．本试验选用试件的相对质量、相对动弹性模量作为混凝土的耐久性评价指标．用感量0.1 g的电子天平测定试件质量．用NM-4A非金属超声检测分析仪测定试件的相对动弹性模量．超声波均在自然环境下测量，含水率影响对本研究关注的超声波声速相对值影响不大．针对试件A、B端的含水率有明显差别，所测A、B端声速也会有差异，所以分别测量每组试件的A、B端声速，以观察其持续长期的变化趋势．

混凝土耐久性指标参考文献［15］，分别选取相对质量评价参数ω1和相对动弹性模量评价参数ω2作为混凝土试件的耐久性评价参数．

相对质量评价参数为其中，M为一定时间后试件的相对质量．当ω1≥1时，相对质量比基准值增加;当0＜ω1＜1时，相对质量比基准值降低，未达到破坏;当ω1≤0时，相对质量低于95%，达到破坏．相对动弹性模量评价参数为其中，E为一定时间后试件的相对动弹性模量．当ω2≥1时，相对动弹性模量比基准值增加;当0＜ω2＜1时，相对动弹性模量比基准值降低，未达到破坏;当ω2≤0时，相对动弹性模量低于60%，达到破坏．

表3　试验点土质分析报告单Table 3 Soil analysis report at two experimental points

1.5耐久性损伤评价参数设计

探讨实际条件下多种因素共同作用时混凝土损伤特点，客观准确地评价混凝土的耐久性，是当前混凝土耐久性研究的重要课题．随着混凝土耐久性课题研究的深入，研究者通过数据分析对混凝土综合损伤评价参数ω也进行了优化．本研究根据现场数据优化ω为其中，A为相对质量评价有效损伤系数; B为相对动弹性模量评价有效损伤系数．当ω1≥1时，A = 1/ω1，当ω1≤1时，A = 1;当ω2≥1时，B = 1/ω2，当ω2≤1时，B = 1．

式(3)在文献［15］的基础上进行了优化:保证了综合损伤变量ω在数值上不增加，ω1和ω2只要有一个达到0，则综合损伤变量为0．在前几年的现场暴露条件下，混凝土的劣化速度相对平缓，混凝土处于损伤诱导期，式(3)对参数ω1和ω2未做指数或对数处理是比较合适的．混凝土在较长期的暴露后，处于性能损伤加速期，表达式应做指数或对数处理，所以混凝土劣化全过程综合损伤表达式应为分段式．

2　试验结果与数据分析

2.1一号埋设点试件的损伤评价参数

不同配合比的试件在西安地区720 d现场暴露，随着现场暴露天数的增多，受到硫酸盐、天气等的作用，其相对质量评价参数ω1、相对动弹性模量评价参数ω2及综合损伤程度评价参数ω的变化如图1至图3．其中，ω2A和ω2B分别代表A端和B端的相对动弹性模量;ωA与ωB分别代表A端和B端的综合损伤评价参数．

图1　一号点XA13组各损伤评价参数Fig.1(Color online) Parameters for injury evaluation of XA13 at Point 1

从图1至图3可以看出，对比室外暴露试验1号埋设点的不同配合比的XA13、XA14和XA15三组试块，相对质量评价参数ω1的波动趋势为先升后降，交替重复，从年限上看，第2年与第1年的波动频率和趋势吻合．不同的是，3组试块相对质量评价参数ω1的变化平缓度不一样．为了更好地说明这一点，取波动最明显的波峰值(540 d)进行对比: XA13的取值是1.325，XA14的取值是

图2　一号点XA14组各损伤评价参数Fig.2(Color online) Parameters for injury evaluation of XA14 at Point 1

图3　一号点XA15组各损伤评价参数Fig.3(Color online) Parameters for injury evaluation of XA15 at Point 1

1.221，XA15的取值是1.363，可以看出XA15波动得最平缓，XA14其次，XA13波动最为剧烈．

1号点同一配合比的XA13组试块相对动弹性模量评价参数ω2的值呈波动趋势．从图1曲线ω2A可以看到，在60 d时，ω2值为1.095，之后开始下降;在120 d时，ω2值下降到第1个波谷0.743; 300 d时，ω2值为1.302，达到又一个波峰; 360 d时，ω2值为0.743;而在720 d时，ω2值为1.095．说明混凝土试件在有限的时间段内其波动性一直在增强．

由图2曲线ω2A看出，ω2值在60 d时是0.709;而在120 d时为0.261，达到第1个低谷; 300 d时达到波峰，为0.543; 480 d时为0.543; 720 d时为0.394，可见ω2呈现波动性．

由图3曲线ω2A看出，ω2值在60 d时为1.217，高于0 d时的1.000，达到第1个高峰，这说明混凝土在初期的性能是增强的，而在180 d时为0.414，达到第1个低谷; 300 d时达到波峰，为1.217; 480 d时为0.947; 600 d时为1.000; 720 d时为0.901．

2.2二号埋设点试件的损伤评价参数

在西安盐渍土地区现场暴露条件下，随着暴露时间的推移，试件的ω1、ω2及ω具有如图4、图5和图6所示的变化．

图4　二号点XA23组各损伤评价参数Fig.4(Color online) Parameters for injury evaluation of XA23 at Point 2

从图4至图6可以看出，对比室外暴露试验二号埋设点不同配合比的XA23、XA24和XA25三组试块的ω1，其波动同样满足先升后降趋势，交替重复，且从年限上对比，第2年与第1年的波动频率和趋势吻合．同样，与1号点的试块一样，XA25波动最平缓，XA24其次，XA23波动最为剧烈．XA23试块的ω1值大多介于1.10～1.30，XA24试块的ω1值大多介于1.10～1.15，而XA25试块的ω1值大多介于1.05～1.10．

由图4可看出，2号点同一配合比的XA23组试块ω2值呈波动趋势．从曲线ω2A可以看到，试验开始后的60～180 d内，ω2值一直在下降，从初始

图5　二号点XA24组各损伤评价参数Fig.5(Color online) Parameters of injury evaluation for XA24 at Point 2

图6　二号点XA25组各损伤评价参数Fig.6(Color online) Parameters for injury evaluation of XA25 at Point 2

值1.0下降到0.661，而后开始上升，在300 d时，ω2值回复到初始值1.097．ω2值一直起伏变化，360、420、600和720 d时分别是0.821、1.679、0.451和0.909．

由图5曲线ω2A可见，0～360 d期间，ω2值上下剧烈波动，而360～720 d之间，ω2值波动较为平缓，在480、540、660和720 d时ω2值分别是1.000、1.000、0.725和0.566．从整体上看，第1 年ω2值波动幅度较大，且无规律上下波动，第2 年ω2值小幅波动，且整体呈向下减小趋势．

由图6曲线ω2A可以看到，试验开始后的120 d内，ω2值一直在下降，从初始值1.000下降到0.200，当ω2值降低到0时试块被破坏，从数值上看，此时的混凝土性能不佳．而后ω2值开始上升，在300 d时，ω2值回复到0.897．ω2值一直起伏变化，但后期数值整体有向上趋势，在360、420和660 d时分别是0.394、0.800和0.623．

2.3劣化机理分析

由上述分析可知:

1)不同配合比的混凝土试验组波动幅度不一，XA13和XA23组最剧烈，XA14和XA24组其次，XA15和XA25组最平缓．混凝土B端前期ω2值增加呈上升趋势，说明其性能在埋入初期一直在增强．

2)从年限上分析，第2年(360～720 d)时ω2值比第1年(0～360 d)波动平缓，但总体趋势是波动性增强．混凝土在现场暴露试验时ω2呈现这种波动性的原因很多，其中包括混凝土的自身不均匀和各种不可控制的环境因素．混凝土中有一部分水没有参与水化反应，而以游离水的形式存在于孔隙中．在标准养护结束后进行室外暴露试验，由于是在自然环境下，粉煤灰吸水性大，与空气和土壤中游离的水分子继续水化反应，混凝土变得更加密实，从而使得混凝土的性能进一步增强．

3)综合损伤评价参数ωA与ωB的关系大部分都是ωA＜ωB，这说明ωA相较ωB对于环境影响更为敏感．在300～360 d及660～720 d两段环境冻融较明显的时期内，ωA比ωB下降趋势陡．究其原因可能因为，埋在土中的B端部分在前段有限时间由于盐分的作用降低了混凝土内部水的冰点，提高了其抗冻性，还有混凝土与土壤中的SO42－、HCO3

－和Cl－发生了化学反应．混凝土在埋入地下的初期，一方面继续完成自身的水化反应，另一方面与从土壤中侵入的硫酸盐反应，经过干湿交替，析出晶体，与混凝土自身的某些成分形成了新的结晶体，使得混凝土变得更加密实．相对于B端，A端的环境更为复杂，还要考虑温差、风速和太阳辐射等因素．其中XA15和XA25组平均下降幅度最小，说明XA15和XA25组试块耐久性能最好．

3　结　论

综上研究可知:

1)相对质量评价参数ω1和相对动弹性模量评价参数ω2是表征混凝土劣化过程的直观参数，让混凝土的整个劣化过程一目了然，混凝土在受到硫酸盐侵蚀阶段有失效行为也可立刻看出，并预防．

2)混凝土的相对质量评价参数分析结果为，整体呈先升后降、交替重复的波动趋势，且从年限上比较，第2年与第1年的波动频率和趋势都吻合;试块最初刚埋到土里时，即0～60 d期间，变化最大最明显; 2个试验点结果均表明，不同配合比的试块，ω1的波动剧烈程度不一，XA15组的最平缓，XA14组其次，XA13组最为剧烈，同样，XA25组最平缓，XA24组其次，XA23组最为剧烈．

3)混凝土的相对动弹性模量评价参数分析结果显示，以年限为单位，第2年ω2值比第1年波动平缓，但总体趋势是波动性增强;在0～60 d期间，同一配合比混凝土的A端和B端，ω2值均增加，性能均表现为增强;不同配合比的混凝土试验组波动幅度不一，XA13组最剧烈，XA14组其次，XA15组最平缓．

4)室外现场暴露试验混凝土的综合损伤评价参数ω的变化呈整体下降趋势．运用损伤评价参数能较好地对混凝土在环境作用下的损伤过程进行评判，该方法简单，可操作性强，但可靠性还需进一步提高，在今后的研究中还需对损伤评价参数结合集料品种、掺和料、暴露环境条件及龄期等多种因素进行进一步优化．

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【中文责编:坪梓;英文责编:远鹏】

【化学与化工/Chemistry and Chemical Engineering】

Citation: Qiao Hongxia，Zhu Binrong，Xiang Meiling．Damage evaluation of concrete under field exposure in Xi'an［J］．Journal of Shenzhen University Science and Engineering，2015，32(4) : 378-384．(in Chinese)

Damage evaluation of concrete under field exposure in Xi'an

Qiao Hongxia1，2，Zhu Binrong1，and Xiang Meiling1

1) Key Laboratory of Disaster Prevention and Mitigation in Civil Engineering of Gansu Province，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，P．R．China

2) Western Engineering Research Center of Disaster Mitigation in Civil Engineering of Ministry of Education，Lanzhou 730050，P．R．China

Abstract:By choosing a test place and designing an experimental scheme，we conduct the field exposure experiment for concrete specimens with different fly ash in saline soil area of Xi'an．Combining the practical environment and material factors，we analyze the experimental data based on sulfate attack by calculating the relative dynamic elastic modulus and relative massas evaluation parameters．By comparing the pros and cons of the evaluation parameters，we propose a more practical evaluation parameter named as comprehensive damage evaluation parameter．Theoretical analysis and experimental results suggest that comprehensive damage evaluation parameter shows a general downward trend and it is a more appropriate parameter for concrete damage evaluation．Moreover，the method is simple and easy to operate．However，the reliability is not high enough．

Key words:concrete; saline soil; sulfate attack; field exposure; evaluation parameters; durability; comprehensive damage evaluation

doi:10．3724/SP．J．1249．2015．04378

文献标志码:A

中图分类号:TU 528