荷载与干湿循环耦合作用下水工混凝土毛细吸水性能分析

李志勇

(新民市水利工程质量监督站，沈阳 110300)

水的作用在混凝土劣化过程中都处于主导地位，一般将混凝土受水的作用划分成两类：①化学反应，水作为硫酸盐、氯盐等有害离子的重要载体，其在混凝土内部的传输、分布与硫酸盐反应生成钙矾石AFt和石膏，或对氯离子与水化产物的结合效应产生量上的影响；②物理反应，主要有冻融循环、干湿循环等劣化过程，其中冻融循环是低温下的水发生结冰膨胀，从而产生膨胀应力破坏孔隙结构，而干湿循环则是利用水的溶解性能削弱水化产物颗粒之间的联结力[1-2]。

近年来，为改善水的传输性能许多学者提出改变混凝土配合比、原材料等方法，如掺入橡胶或有机硅等，虽然可以在一定程度上降低混凝土吸水性，但其亲水性质并未得到实质性的改变，所以研究水的分布和传输机理仍具有重要意义。裂缝和孔隙是水分的主要传输通道，直接决定了水的蒸发、毛细吸水以及渗透等机制的传输，而混凝土的多害孔、有害孔、少害孔、无害孔等多尺度孔隙结构又取决于不同应力水平的作用，并造成孔隙的相互贯通、破裂和新的裂缝形成，对混凝土吸水性能带来间接影响。实际工程中，水工混凝土要承受水的反复侵蚀和不同应力水平的持续荷载作用，研究混凝土在干湿循环与持续荷载耦合作用下的吸水特性是准确预测结构使用年限的评估依据和重要条件。目前，研究混凝土吸水率和渗透率受荷载影响的较多，普遍认为水在混凝土中的传输性能随应力水平的增加存在一个阈值，<阈值时应力水平与传输性能成反比，超过阈值时则相反。然而，不同混凝土配合比所引起的累计吸水量变化的阈值存在明显差异。

现有研究受限于实验设备条件，水工混凝土同时受干湿循环与荷载耦合作用难度较大，大多数研究方法都是以荷载产生裂缝后再开展干湿循环，其描述和预测的毛细吸水性能变化特征不够全面。鉴于此，文章利用改良的混凝土干燥系数和吸水试验系统，依据ASTM C1585-2013《水硬水泥混凝土吸水率标准试验方法》开展干湿循环与荷载耦合作用下的毛细吸水试验，探讨水工混凝土毛细吸水性能受不同干湿循环次数和不同应力水平的影响特征。

1 试验方法

1.1 试件制备

水泥选用天瑞集团水泥有限公司生产的M32.5砌筑水泥；粗骨料选用天然花岗岩碎石，粒径5～20mm，密度2.65g/cm3，细骨料选用浑河河砂，细度模数2.5，最大粒径4.75mm，密度2.40g/cm3；拌合水选用当地自来水。设计质量配合比为水∶水泥∶中砂∶碎石=0.5∶1∶2∶2。在混凝土标准模具底部中心插入长200mm、外径15mm的PVC管，采用改进的中空混凝土模具制作试件，浇筑完成6h后将PVC官及时拔除，室内静置24h后拆模取出试样，并放入饱和Ca(OH)2溶液中养护28d。

试验制备3个150mm×150mm×150mm的标准立方体石块用于测定标养28d的混凝土抗压强度，经检测其抗压强度值18.1MPa；从15个中空试件中随机选取3个用于测定抗压强度，经检测其抗压强度值18.1MPa，剩余12个用于测定不同干湿循环次数和不同应力水平耦合作用下的毛细吸水性能，为了降低毛细吸水性能受蠕变效应的影响，本试验仅考虑前几次干湿循环，耦合试验设计如表1所示。

表1 混凝土所受耦合作用

1.2 试验方法

本试验选用机械加载的方式以减少持续压荷载的波动，加载装置选用扰动效应试验仪和RRTS-Ⅱ型岩石流变仪。液压油通过液压泵被输送到大、小油缸进行加载，混凝土与大油缸活塞杆接触并提供压应力，大油缸内的压力通过输油管和小油缸维持系统稳定，混凝土加载及吸水过程如图1所示。

图1 持续加载与吸水过程

首先，将混凝土中心孔道的两端分别于橡胶管(外径12mm)相黏连，为确保吸水系统的密封性用玻璃胶填充连接处；然后，施加荷载达到预定值，在维持10min后把内径6mm的两根L型玻璃管插入橡胶管内，将精度0.1mm的透明刻度尺贴上其中一根L型玻璃管上；最后，向进水管注水，对管水位高度每隔一定时间进行观测、读取、记录，总时长300min，完成记录后继续进行吸水，吸水24h后在自然气温30℃的条件下，以5m/s的风速用鼓风机吹干，并室内风干24h。

本试验采用液压和齿轮二级扩力进行加载，扩大比K最高达到600～100倍，利用下式计算扩力比K，即：

(1)

式中：φ1、φ2为大、小油缸的活塞直径；D1、D2为大、小齿轮的直径。

定义混凝土试件的实际加载应力f和抗压强度值fc的比值为应力水平λc，数学表达式为：λc=λ/λc×100%。试验设定0%、10%、20%、30%4种应力水平λc，试验观测干湿循环第1次、4次、8次吸水过程中的管水位变化。试验结束后，测试饱和状态及自然状态下每个试件的含水率，结果显示平均值为6%和2%。

2 结果与分析

2.1 累计吸水量分析

水工混凝土在不同干湿循环次数和应力水平耦合作用下的累计吸水量i，如图2所示。

(a)λc=0%

从图3(e)可以看出，第1次干湿循环时，随着应力水平的增加混凝土累计吸水量表现出先下降后上升的变化趋势，该条件下的λt处于10%～20%之间。然而，由于应力水平与混凝土的孔道布置方向相垂直使得试件位于双向不等应力场内，有3倍应力水平作用于孔道附近两侧，与实际阈值λt相比应处于30%～60%区间。

应力水平λc不断提高到30%时，混凝土累计吸水量激增到约4倍于无应力水平作用时的量，最高达到3.55mm。因此，较低应力水平下，在一定程度的压缩作用下混凝土内部通道和孔隙会出现部分闭合，间接减小了累计吸水量和混凝土孔隙度；较高应力水平下，因自身强度原因混凝土内部的通道和孔隙进一步扩展、凸岸通，并发育成比较明显的裂缝，为水的传输提供更大的储存空间和输送通道，并且孔道顶、底部的拉应力作用随应力水平的增加而更加明显，特别是应力水平提高到30%时孔道顶、底部出现明显裂缝，大大增加了水与混凝土内部的接触面积，观测时间达到300min时试件的累计吸水量激增到无荷载时的约4倍。

相同应力水平λc下，随干湿循环次数的增加混凝土累计吸水量会出现不同程度的减小。试验过程中发现管内出现絮状物，究其原因是水渗入混凝土内部时会溶蚀裂缝或孔隙周边的细小颗粒，而在干湿循环的干燥时以液、气两相态脱离混凝土，此时裂缝和孔隙中就会留存水所溶蚀的细小颗粒，堵塞部分通道以及孔隙，水传输通道有所减小，长期以往，随干湿循环次数的增加混凝土累计吸水量逐渐减小。无荷载作用时，相较于第1次干湿循环第8次的累计吸水量减小67.39%；应力水平达到λc10%时，相较于第1次干湿循环第8次的累计吸水量减小73.08%。研究表明，混凝土内部布存在损伤时，干湿循环对混凝土累计吸水量的影响会随着应力水平的增加而增大。究其原因，随着应力水平的不断增加试件内部颗粒之间的黏结力减小，使得水溶蚀难度下降；另外，孔隙会随着应力水平的增大不断被压缩，孔隙边缘裂缝进一步扩展致使水与孔隙的接触面积加大，在一定程度上增加了水溶蚀的细小颗粒。混凝土累计吸水率受孔道低、顶部所受拉应力的影响，随着应力水平的增加会变得更加明显，混凝土受拉应力的影响较大，此时局部拉应力和局部压应力共同决定了混凝土的累计吸水量，影响过程比较复杂，受试验条件限制不再深入分析。

2.2 吸水率分析

总体上，可以将混凝土非饱和毛细吸水过程划分成2个阶段：阶段1是混凝土表面与水开始接触快速吸水的初始阶段，定义该阶段初始吸水率S1；阶段2是水渗入试件内部孔隙形成薄膜，受张力作用可以抑制水在内部的吸附，定义该阶段后期吸水率S2。因此，吸水试件与累计吸水量之间表现为双线性曲线关系，通过双线性拟合耦合作用下的累计吸水量，发现吸水时间突变点为60min。不同耦合作用下的S1、S2以及两者的差值S2-Sl计算结果，如表2和图3所示。

表2 吸水率和双曲线拟合值

从表2可以看出，混凝土的初始吸水率S1和后期吸水率S2均随着干湿循环次数的增加逐渐下降，应力水平λc达到30%时各阶段吸水率明显下降，第8次干湿循环是第1次干湿循环初始吸水率S1和后期吸水率S2的24.73%、23.53%，该变化规律与累计吸水率保持一致。

(a)初始吸水率S1

从图4可以看出，应力水平较低情况下，混凝土后期吸水率S2<初始吸水率，随着应力水平的增加两阶段的吸水率均不断下降；应力水平超过20%时，混凝土初始吸水率S1和后期吸水率S2的近似相等，甚至

2.3 回归分析

为揭示不同干湿循环次数和应力水平耦合作用下混凝土个阶段吸水率以及吸水量变化规律，设自变量为干湿循环次数和应力水平，利用Origin软件拟合累计吸水量Rational Yaylor以及初始吸水率和后期吸水率Gauss Cum非线性回归模型，具体表达式为：

(2)

(3)

(4)

通过分析不同干湿循环次数和应力水平对混凝土初始吸水率、后期吸水率以及累计吸水量的影响，结果表明混凝土受不同干湿循环次数和应力水平耦合作用下的初始吸水率、后期吸水率以及累计吸水量变化趋势相同。应力水平λc到30%时，干湿循环次数对混凝土吸水特性的影响最为显著，第1次干湿循环时应力水平对吸水特性相关参数影响最大，混凝土吸水特性受应力水平的影响随干湿循环次数的增加逐渐减弱，该结论与前文保持一致。因此，该模型可以直观地反映不同干湿循环次数和应力水平耦合作用下的混凝土毛细吸水性能[3]。

3 结 论

1)随干湿循环次数的增加混凝土各阶段吸水率和累计吸水量均表现出一定程度的减小，并且应力水平λc达到30%时，干湿循环次数对混凝土吸水特性的影响最为显著。

2)在双向不等应力场中，随应力水平的增加混凝土初始吸水率S1表现出先下降后上升的趋势，阈值λt处于10%～20%范围内，该条件下干湿循环次数越多则阈值λt越小。随着应力水平的增加混凝土S2与S1之间的差值逐渐减小，甚至出现

3)利用Origin软件拟合累计吸水量Rational Yaylor以及初始吸水率和后期吸水率Gauss Cum非线性回归模型，结果显示该模型可以直观地反映不同干湿循环次数和应力水平耦合作用下的混凝土毛细吸水性能。