透水混凝土冻融试验及其寿命预测★

曹 杨 李 靖 路 然

(1.云南农业大学水利学院，云南 昆明 650201； 2.山东省泰安市宁阳县建筑工程管理局，山东 宁阳 271400)

透水混凝土冻融试验及其寿命预测★

曹 杨1李 靖1路 然2

(1.云南农业大学水利学院，云南 昆明 650201； 2.山东省泰安市宁阳县建筑工程管理局，山东 宁阳 271400)

在国内外混凝土抗冻性理论研究的基础上，对透水混凝土冻融循环累计损伤的数学模型和动弹性模量衰减模型进行了对比，并根据实验数据预测了透水混凝土使用寿命，为今后同类工程提供参考。

透水混凝土，冻融试验，寿命，海绵城市

0 引言

“海绵城市”作为时下一个热门的关键词，已经得到了国家领导人以及各领域专家学者的关注。2013年12月12日，习近平总书记在《中央城镇化工作会议》的讲话中强调：“提升城市排水系统时要优先考虑把有限的雨水留下来，优先考虑更多利用自然力量排水，建设自然存积、自然渗透、自然净化的海绵城市”；在2017年的两会上，李克强总理政府工作报告中提到：统筹城市地上地下建设，再开工建设城市地下综合管廊2 000 km以上，启动消除城区重点易涝区段三年行动，推进海绵城市建设，使城市既有“面子”，更有“里子”[1]。

而在海绵城市建设中使用最广泛的材料就是透水混凝土，目前，国内外对透水混凝土研究技术已经趋近成熟，但在低温环境下的研究仍不完善，本篇文章将基于透水混凝土冻融试验对其寿命预测。

1 试验制备

根据孔思宇[2]理论分析，骨料、水灰比、骨灰比，聚合物、搅拌、成型工艺及养护条件是影响透水混凝土力学性能的因素。

在透水混凝土的制备过程中，其制作工艺直接影响透水混凝土的孔隙率和强度指标，国内外的一些学者对透水混凝土的成型方法有了大量研究，其效果也不尽相同，就目前而言，根据吴冬[5]的试验理论研究，试验将采用手工插捣与机械振捣的方式相结合制作方法(手工插捣10次、机械振捣10 s)，这样的制作工艺可以让孔隙率和强度能够达到最佳。

2 冻融试验

根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》，将养护24 d的标准试件放在(20±2)℃水中浸泡4 d，在试件养护第28天时，开始进行冻融试验，在冻融循环过程中，每隔15次～50次冻融循环后将试件取出测试其动弹性模量和重量，并对外观进行细致记录。试验采用KDS-60型号的快冻试验机。

3 试验分析

目前国内外专家对高强混凝土的抗冻性与寿命预测已经建立了相关模型，但在透水混凝土方面的研究还不是很完善，刘志勇[6]认为定量检测混凝土结构损伤变量主要有以下5个指标,与其相对应的寿命预测模型也可分为5类：1)混凝土质量损失率；2)混凝土强度损失率；3)通过测量试件冻融循环过程中超声声速的变化；4)断裂能或断裂韧性降低率；5)直接测试混凝土动弹性模量。

因为透水混凝土的多孔性，内部机理的复杂多变，而且考虑到试验的经济性，本次试验主要检测指标为动弹性模量，以残余动弹性模量与原有量的比值或动弹性模量损失率来表示,相应的模型称为相对动弹性模量衰减模型或累积损伤模型。尽管采用相对动弹性模量反映混凝土损伤状况时存在劣点问题,但这一损伤变量基本能够反映混凝土结构的损伤状态,而且这样的检测使用的试件数量相对较少,能方便地测试损伤过程,因此本文采用相对动弹性模量为损伤变量,以未引气的透水混凝土的快速冻融试验结果为例对冻融循环寿命预测模型进行对比研究。

3.1 动弹性模量衰减模型

因为混凝土衰变速率为dEt/dN,该速率与(0～t)时间的动弹性模量衰减量成正比,根据Isaac Newton的“物质冷却定律”(物质冷却的速度正比于物质的温度与外部温度的瞬时差)和文献[7]的动弹性模量衰减模型,建立如下:

(1)

其中，E0为混凝土开始损伤前的原有的弹性模量；Et为混凝土经衰变至某一时刻t的剩余未损伤量；λ为常数(本质上就是衰变常数，与冻融过程中的温度变化、介质、材料本身等参数有关)；N为冻融循环次数。

为了探讨NSP酶中酶的组成与活性同肉鸭饲粮潜在可利用还原糖的关系，本实验以胃蛋白酶-胰液素两步酶水解法为手段，以酶水解物的还原糖含量为尺度，针对肉鸭饲粮中NSP的特性，筛选与之适应的酶谱，为NSP酶制剂在肉鸭饲粮中的应用提供理论依据。

根据式(1)推导可得：

(2)

(3)

最后整理得到：

Et=E0e-λN

(4)

得到如下指数方程：

(5)

考虑到实际情况，本次试验主要测试的数据是试件在水冻水融破坏前后相对动弹模量变化情况，并以一年为测试周期，一年内，试件需要保持正常使用，并且每隔三个月对试件进行冻融循环检测。详细检测数据见表1。

表1 试件在水冻水融破坏前后相对动弹模量变化情况 %

为此需要对图1的数据结果进行拟合：

其中，a,b为待定常数。对式(5)两边取对数：

lny=lna+bN

(6)

令u=lny，c=lna，v=N,

u=c+bv

(7)

由ui=lnyi，vi=Ni。

根据式(6)，式(7)可以得到表2的对应关系。

表2 对应关系表

用u=c+bv去拟合上述数据,即在φ=span{1,v}中求函数u。

其中函数方程可以如下：

c(φ0,φ0)+b(φ1,φ0)=(u,φ0)

(8)

c(φ0,φ1)+b(φ1,φ1)=(u,φ1)

(9)

而：

(10)

(11)

(12)

(13)

根据以上算式计算得到结果如下：

y1=97.514e-0.010N

(14)

y2=98.494e-0.010N

(15)

y3=100.484e-0.009 9N

(16)

y4=101.494e-0.010N

(17)

y5=104.585e-0.010N

(18)

3.2 冻融循环累计损伤的数学模型

通过对损伤力学的理论研究发现，现在将透水混凝土冻融循环后其损伤度D定义为式(19)，即透水混凝土的损伤度通过其相对动弹模量来表征。根据刘志勇[6]理论研究表明：混凝土冻融循环后相对动弹模量越低，意味着损伤程度越大，对于透水混凝土理论上也符合这一理论：

其中，D为透水混凝土损伤度；E0，Ei分别为透水混凝土初始动弹性模量、剩余当弹性模量。

经过研究发现，由上面的式子可以看出透水混凝土冻融循环累计损伤的损伤度与冻融循环次数可以建立函数关系，其损伤模型可以按照式(19)指数函数形式建模：

D=aebN

(19)

按照式(19)并结合表3中透水混凝土冻融循环次数的数据进行拟合可以得到累计损伤模型及其曲线(见图2)。

表3 试件在水冻水融破坏前后相对动弹模量相对变化情况 %

D1=2.588e0.068N

(20)

D2=2.387e0.069N

(21)

D3=2.223e0.069N

(22)

D4=2.054e0.070N

(23)

D5=1.822e0.072N

(24)

通过上述拟合方程可以看出，冻融循环累计损伤模型的精度比动弹性模量衰减模型的精度要高。倘若按照相对动弹性模量达到60%为标准使用寿命的话，根据目前国内外测算标准，室内一次快速冻融循环相当于室外自然条件下的冻融循环12次，若每年冻融循环按照85次计算，使用寿命t=12N/85年，那么本次测试的各个试件冻融循环次数和标准使用寿命分别是：N1=48.57次，t1=6.86年；N2=49.67次，t2=7.01年；N3=52.09次，t3=7.35年；N4=52.57次，t4=7.42年；N5=55.57次，t5=7.84年。

如果以混凝土损伤度达到40%时的冻融循环次数称为标准寿命的话，那么按照累计损伤模型可以计算各个试件冻融循环次数和标准使用寿命分别是：N1=40.26次，t1=5.68年；N2=40.85次，t2=5.77年；N3=41.88次，t3=5.91年；N4=42.42次，t4=5.99年；N5=42.90次，t5=6.06年。

4 结论

1)经过对两种试验数据对比，冻融循环累计损伤的数学模型在精度上要比动弹性模量衰减模型的精度要高，而且与实际使用情况非常吻合。2)本次试验为透水混凝土的抗冻性能提升以及预测其使用寿命提供了理论上的依据和检测方法。

[1] 央广网.解读两会政府工作报告 建设有里有面的“海绵城市”[R].2017.

[2] 孙思宇.透水混凝土的主要性能及其影响因素综述[J].商品混凝土,2017(1)：46-50.

[3] 孙家瑛，黄 科，蒋华钦．透水水泥混凝土力学性能和耐久性能研究[J].建筑材料学报，2007,10(5)：583-587.

[4] 吴红斌．聚合物对透水性混凝土性能的影响研究[J]．山西建筑，2009，35(15)：144-145.

[5] 吴 冬，刘 霞，吴小强，等.成型方式和砂率对透水混凝土性能的影响[J].混凝土，2009(5)：100-102.

[6] 刘志勇，马立国.高强混凝土的抗冻性与寿命预测模型[J].工业建筑，2005,35(1):11-14.

[7] 刘崇熙,汪在芹.坝工混凝土耐久寿命的衰变规律[J].长江科学院院报,2000,17(2)：18-21.

Freezing and thawing test of permeable concrete and its life prediction★

Cao Yang1Li Jing1Lu Ran2

(1.CollegeofWaterConservancy,YunnanAgriculturalUniversity,Kunming650201,China; 2.NingyangCounty,ShandongProvinceConstructionEngineeringAuthority,Ningyang271400,China)

s: Based on the theoretical study on the frost resistance of concrete at home and abroad, the mathematic model of the cumulative damage of the permeable concrete and the dynamic elastic modulus attenuation model are compared, and the service life of the permeated concrete is predicted based on the experimental data, for refereuce.

permeable concrete, freeze-thaw test, life, sponge city

1009-6825(2017)20-0115-03

2017-04-20★:云南省高校重点实验室建设计划资助；水利部科技推广计划项目(2014TG1411)

曹 杨(1991- )，男，在读硕士； 李 靖(1969- )，男，教授

TU525

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