西南酸雨区混凝土抗压强度经时变化规律

马宝富

(中交公路规划设计院有限公司，北京 100088)

我国是仅次于欧洲和北美的世界第三大酸雨地区[1]，中部和西南部等酸雨重灾区的大量建筑长期遭受严重酸腐蚀。据估计，仅1999年我国由酸雨造成的直接经济损失达30亿元[2]。从室内试验和现场调查结果[3]可以看出，酸雨侵蚀下混凝土将发生物理和化学反应，其表面出现孔洞、酥化、开裂和剥落等现象，极大地削减了混凝土抗压强度，且随服役期增长上述劣化程度日益加重，导致建筑结构存在严重安全隐患。因此，研究酸雨对混凝土抗压强度经时变化规律十分必要和迫切。目前，国内外学者已陆续开展了酸雨损伤混凝土机理和对其外观、质量和强度等影响的研究工作，并取得一定成果。如，Fan[4,5]等对酸雨环境下混凝土的抗压强度、质量损失和弹性模量进行了试验研究，定义并计算了相应的损伤指标。张英姿[6,7]通过一系列试验，揭示了酸雨侵蚀下混凝土抗压、抗拉、抗折性能和弹性模量等的劣化趋势。孙鑫鹏[8]采用周期浸泡法和喷淋法模拟广东地区酸雨环境，考虑矿物掺合料和掺合量的影响，研究C50高强混凝土在酸雨侵蚀条件下力学性能的衰变规律。

从上述研究可以看出，目前研究大多基于试验室模拟结果，与实际情况符合程度有待验证，且关于该环境下混凝土强度退化程度随服役期变化规律研究鲜见报道，因而难以对酸雨侵蚀下混凝土经时抗压强度进行预测。鉴于此，该文从工程实测出发，对酸雨侵蚀地区不同服役期下的混凝土建筑进行抽样调查，并建立该环境下混凝土抗压强度经时预测模型，从而为酸雨侵蚀下混凝土结构安全评估提供技术支撑。

1 检测方案

1.1 检测方法

检测技术中，回弹法操作简便，对结构或构件无损伤，可在检测中广泛应用，但测量结果误差较大。钻芯法相比回弹法的测量结果可信度高，但会对结构构件造成一定的损伤。钻芯修正回弹法是对钻芯法和回弹法优势的整合，可方便快捷地对工程结构进行非破损全面普查，并局部核实修正，节约大量检测费用和时间，从整体上提高了混凝土强度检测精度。鉴于此，该文实地检测中采用钻芯修正回弹法检测混凝土抗压强度。此次检测所涉及的主要仪器和试剂分别为：回弹仪(HT225)、混凝土取芯机(HZ-110)、冲击钻(TSB5500)、橡皮吹和数显碳化测量尺(JW-STH型，测量精度为0.01 mm)，浓度为1%～2%的酚酞酒精溶液。

根据JGJ/T 23—2011《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》[9]第4.1.3条要求，检测按批量检测进行。根据检测条件，在每个区域内随机抽取一定数量的梁、柱构件进行混凝土抗压强度检测，所选取构件应具有代表性，且在结构空间上尽量均匀分布，且同批次数量不少于GB/T 50344—2004《建筑结构检测技术标准》[10]第3.3.13条所规定的最小样本容量。所涉及的具体检测项目和抽样方案如下：

1)回弹法测试：在所抽选梁、柱构件上布置若干测区，每个测区用粉笔划分为4×4的网格(间距50 mm×50 mm)。现场回弹检测如图1所示。

2)碳化深度测定：按照JGJ/T 23—2011第4.3.1条要求，回弹值测量完毕后，在有代表性的测区上测量碳化深度值，测点数取构件测区数的30%，取其平均值作为该构件每个测区的碳化深度值。

3)钻芯法测试：根据JGJ/T 23—2011第4.1.6条要求，在回弹法选取的构件测区中，同一强度等级或标号的构件共钻取6个芯样，并加工成直径为100 mm、高径比为1的圆柱体芯样，于实验室中进行抗压试验。混凝土钻芯试件的抗压强度计算公式如式(1)所示。

(1)

式中，fcor,i为芯样试件混凝土强度换算值，精确至0.1 MPa；F为试件破坏极限荷载；d为芯样直径(mm)；α为不同高径比的芯样试件混凝土强度换算系数，由于高径比为1，α取为1。现场所取芯样如图2所示。

1.2 混凝土抗压强度计算方法

为便于后期数据的统计分析，先计算出每个检测批内所有测区混凝土抗压强度平均值和标准差，计算步骤如下：

1)计算每一个测区的混凝土回弹强度：剔除3个最大值和3个最小值，对余下的10个求平均值，作为该测区混凝土回弹强度。

2)进行角度修正。

3)进行浇注面修正。

4)根据JGJT23—2011附录A，进行碳化深度修正，得出测区强度换算值。

5)通过样本修正系数法对混凝土强度换算值进行钻芯修正，修正方法如式(2)～式(3)所示。

(2)

(3)

6)按式(4)和式(5)计算检测批所有测区的强度平均值和标准差。

(4)

(5)

2 工程实测

对我国遭受严重酸雨侵蚀的西南地区30栋在役RC结构或砖混结构内钢筋混凝土构件(服役期为10年到60年)，采用文中第1节所述方法检测其混凝土抗压强度。为便于分析混凝土抗压强度经时变化规律，将混凝土强度进行归一化处理，即将各测区混凝土实测抗压强度与其初始抗压强度的比值作为新的研究参数，以下称为相对抗压强度，相对抗压强度计算公式如式(6)所示。归一化处理后混凝土相对抗压强度变化范围为0.80～1.42，标准差为0.081。

(6)

3 数据处理与分析

3.1 钻芯修正系数与服役期的关系模型

表1为根据式(2)计算得到的不同服役期建筑的混凝土强度钻芯修正系数，可以看出：钻芯修正系数均大于1，即通过钻芯测得的混凝土抗压强度较回弹法测得的混凝土抗压强度大，分析其原因为，回弹法是基于混凝土表面硬度测得其抗压强度，一定年限后，混凝土表面开始风化剥蚀、酥化和开裂，其表面硬度降低，而内部混凝土所受影响较小，从而导致回弹强度较钻芯强度低。

基于表1作出钻芯修正系数与服役期的关系散点图，如图3所示。可以发现，随服役期的增长，钻芯修正系数近似呈线性增大，即回弹强度较混凝土钻芯强度的误差逐渐变大，服役51年后，该误差达28%。故工程实践中，对于服役期较长的建筑应避免单一采用回弹法测混凝土抗压强度，否则精度将无法保证。

表1 不同服役期下混凝土强度钻芯修正系数

根据上述定性分析，选用线性模型对钻芯修正系数与服役期的关系进行回归分析，结果见式(7)，其相关系数为0.65。为了验证所得模型的适用性，采用该模型对未纳入拟合模型的部分钻芯数据进行计算并对比分析，并按式(8)计算理论值相对实测值的误差，对比结果见表2。

ζ(t)=0.004 22t+0.992,R2=0.65

(7)

(8)

式中，ε为相对误差的绝对值；ζ为钻芯修正系数实测值；ζ′为钻芯修正系数理论值。

表2 钻芯修正系数与服役期关系模型误差

从表2可以看出，钻芯修正系数理论值与实测值较为接近，最大误差为19.5%，平均误差为13.8%，说明本研究建立的钻芯修正系数预测模型具有一定的适用性，可用于工程实际中对不同服役期建筑混凝土抗压强度钻芯修正系数的快速计算，以修正回弹结果。

3.2 混凝土抗压强度经时预测模型

检测样本统计信息为每个测区混凝土相对抗压强度，将样本以1年为单位归并，得到一系列子样本。根据文献[11]的研究，在役建筑混凝土强度服从正态分布，且其平均值和标准差是结构服役时间的函数。通过对本研究中子样本进行假设检验可证明其均服从正态分布，因此研究混凝土强度的经时退化规律就是研究其平均值和标准差随服役期的变化规律。

按服役期将所有测区以1年为单位进行归并，可得17个子样本，子样本容量分布情况见图4，对新得子样本进行假设检验可证明每个子样本服从正态分布，其相应的均值和标准差见表3。绘制子样本混凝土相对抗压强度的均值和标准差与服役期的关系折线图，如图5所示。通过折线图可以发现，混凝土相对抗压强度均值在一定年限内呈现增长趋势，随后开始下降，分析其原因为：混凝土初期水化作用产生的水泥凝胶体填充了内部毛细孔，增大了混凝土密实度，且碳化初期混凝土强度有一定提高；服役一定年限以后，混凝土在侵蚀介质作用下变酥、开裂、出现孔洞，劣化作用占主导地位，随服役期增长，劣化作用累加，混凝土抗压强度开始呈降低趋势。相对抗压强度标准差随服役期的增长呈现增大的趋势，表明在服役一定时间后，强度离散性逐渐变大。

表3 以1年为单位归并后子样本容量、均值和标准差

根据定性分析结果和折线图趋势，选择如式(9)～式(11)所示3种模型对图6中均值散点数据进行参数拟合。

μ1(t)=at2+bt+c

(9)

μ2(t)=ae-b(ln t-c)2

(10)

μ3(t)=(a+bt)e-c(t-d)

(11)

式中，t为服役期；μ(t)为某一服役期下的混凝土相对抗压强度均值；a、b、c为拟合参数。

通过对比分析拟合结果，3种模型中二次函数模型拟合度最好，其相关系数为0.58，表明所得模型可用于预测酸雨侵蚀环境下混凝土相对抗压强度经时变化规律，预测模型如式(12)所示。可以发现当t=0时，相对抗压强度近似为1，与实际相符，表明所建立的模型准确性较好。

μ(t)=-2.44×10-4t2+1.21×10-2t+1.02

(12)

4 结 论

该文采用钻芯修正回弹法，首次对酸雨侵蚀环境下不同服役期建筑进行了混凝土抗压强度的工程实测，基于参数分析，建立了该环境下混凝土抗压强度经时预测模型。

a.随服役期的增长，回弹强度较混凝土钻芯强度的误差逐渐变大，故实际工程中对于服役期较长的建筑应避免单一采用回弹法。

b.随服役期的增长，遭受酸雨侵蚀后混凝土抗压强度呈先增大后减小的趋势，而强度离散性逐渐变大。

c.基于实测数据建立了酸雨侵蚀下混凝土抗压强度经时预测模型，具有一定的准确性和适用性，可用于不同服役期下混凝土抗压强度快速评估。