复杂环境下水工混凝土耐久性评价研究

张 伟，温玉霞

(1.内蒙古河套灌区管理总局义长灌城管理局，内蒙古 巴彦淖尔 015100；2.内蒙古河套灌区管理总局总干渠管理局，内蒙古 巴彦淖尔 015100)

水工混凝土结构处于具有侵蚀介质的环境下时，其耐久性就会发生劣化，很多混凝土结构并没有达到设计使用寿命[1- 2]。因此，如何提高水工混凝土的耐久性以及如何对其耐久性劣化过程进行准确评估，成为工程及学术界的热门话题之一。

影响水工混凝土耐久性的因素有很多，比如人工砂中石粉含量[3]、矿物掺合量[4]、外加剂的掺合量[5- 7]等。外部环境同样也是混凝土耐久性的主要制约条件，如盐冻环境、冻融循环，酸性腐蚀等[8- 9]。水工混凝土经常暴露于大气环境中，因而会受到碳化作用；处于水位变化的地区，混凝土还会受到干湿循环的作用，同时在一些污染比较严重的地区，水环境中含有较多的酸性物质，对混凝土造成侵蚀。目前，很多关于混凝土的力学行为研究主要还是集中于单一因素的研究，对复杂坏境、多场耦合作用下的混凝土耐久性研究还是比较少见，因而本文在前人研究基础上[10]，对不同配合比下的水工混凝土在“碳化-硫酸盐侵蚀-干湿循环”作用下的耐久性进行了评价研究，可为工程设计提供经验借鉴。

1 水工混凝土耐久性评价体系建立

可通过数学方法来表达各因素之间的相关关系，现实中通常采用灰色关联度的方法，灰色关联度越大，表示关系越密切；灰色关联度的分析方法一般分为：确定评价指标、获取数据及确定主行为序列、将数据无量纲化、进行关联度计算、指标对比排序等五个步骤。其中，计算关联度的方法有很多种，本文采用邓氏关联度模型进行计算表达：

R=W×E

(1)

式中，R—关联度评价结果矩阵；W—指标权重矩阵；E—关系度矩阵。

采用层次分析法进行主管权重的赋值，首先构建判断矩阵：

(2)

通过判断矩阵P，求解出最大特征根λ和特征向量w1(a，b，c)，a、b、c表示评价指标，本文研究指标对象为动弹性模量、抗压强度、质量损失三项。

采用嫡权法进行客观权重赋值，其嫡权矩阵为：

(3)

(4)

式中，W2—客观权重矩阵。

再将w1和W2按照式(5)进行耦合计算，得到各评价指标的实用权重为：

(5)

将式(5)得到权重矩阵以及关系度矩阵相乘，即可得到灰色关联度值。通过对关联度值分析，将混凝土的耐久性分为五个等级，见表1。

表1 关联度取值范围对应耐久性评价等级

2 耐久性劣化过程试验研究

2.1 试验简介

试验采用水泥为当地水泥厂生产普通硅酸盐水泥，细骨料细度模数为2.75，表观密度2590kg/m3，粗骨料为5～25mm连续级配，表观密度2750kg/m3，粉煤灰主要成分为二氧化硅、三氧化二铝、氧化钙等，密度为2.05g/cm3，试验过程中加入一定量的引气剂。试验共分为三组配合比，具体配比设计情况见表2。按照各组试验配合比制作成边长为10cm的标准正方形试件，分别进行碳化-硫酸盐侵蚀-干湿循环作用下的动弹性模量测试、抗压强度测试以及质量损失测试(硫酸钠溶液浓度为5%，碳化箱中CO2浓度为0.5%，干湿循环次数为120次)。

表2 水工混凝土配合比设计 单位：kg/m3

2.2 动弹性模量劣化规律

复杂侵蚀环境下，混凝土的相对动弹性模量值随循环次数的劣化规律如图1所示。从图中可以观察到：相对动弹性模量(0～30次)均略有上升，而后呈逐渐下降趋势，且后期减小过程越来越快，表明后期混凝土经过多次的干湿循环和碳化腐蚀后，其内部损伤达到一个阈值，因而其动弹会加速下降；水胶比为0.45和0.5时，其相对动弹性模量相差不大，而水胶比达到0.55，且干湿循环50次后，其相对动弹性模量的下降速度明显大于0.45和0.5水胶比下的下降速度，可见适当减小水胶比，可提升水工混凝土在碳化-硫酸盐侵蚀-干湿循环作用下的耐久性。

图1 相对动弹模量变化规律

2.3 抗压强度劣化规律

复杂侵蚀环境下，混凝土的抗压强度耐腐蚀系数随循环次数的变化规律如图2所示。从图2中可以看到：抗压强度耐腐蚀系数的变化规律与相对动弹性模量的变化规律保持一致；在前期，受碳化和硫酸盐的侵蚀，在混凝土微孔隙和裂隙处产生碳酸钙钙矾石填充物，混凝土密实度提高，使强度略有增加，当侵蚀和循环作用到一定程度后，内部出现膨胀和剥落，抗压强度逐渐下降；水胶比越大，内部越不密实，后期受侵蚀的强度劣化越明显。

图2 抗压强度耐腐蚀系数变化规律

2.4 质量劣化规律

复杂侵蚀环境下，混凝土的质量损失率随循环次数的变化规律如图3所示。质量损失率与抗压强度的变化原理其实一致，即前期质量增加是由于碳酸钙钙矾石的产生并填充混凝土微裂隙，当侵蚀和循环作用到一定程度后，混凝土最薄弱的地方开始出现剥落现象，因而质量下降；水胶比越大，膨胀剥落作用越明显，后期的质量损失也越大。

图3 质量损失变化规律

3 复杂环境下混凝土耐久性评价

根据式(2)得到构建判断矩阵为：

(6)

其中a=1.316，代入数据计算得λ=3.0083，W1=(0.3368，0.4858，0.1774)-1。以S2组实验数据为例，计算得到的各评价指标的相对重要度的嫡权值矩阵为：W2=(0.347，0.3422，0.3108)-1。通过式(5)计算：可得S2组的实用权重矩阵为：W=(0.3650，0.4761)。

以实验数据为依托，S2组在循环10次以后的关系度矩阵为：

E10=[0.914 0.878 0.814]

(7)

将W和E10相乘，得到最终的关联度R10=0.882，同理，将不同循环次数下的实验值带入计算，即可得S2组最后的关联度矩阵：

(8)

从R值的变化规律可以看出，混凝土的耐久性在侵蚀环境及循环作用50次后，由“较好”状态转变为中等偏差状态，这与上文试验结果比较吻合。

根据上述计算过程，分别得到三组的关联度值变化趋势如图4所示。从图4中可以看出，不同配合比下关联度值变化趋势表现一致，均是先增加后减小的趋势，这与相对动弹和抗压强度的变化规律一样，当循环次数达到30次后，关联度逐渐减小，表明耐久性逐渐变差，当循环次数达到50次后，耐久性由“较好”转变为“中等”，当循环次数达到70次左右时，耐久性由“中等”变为“较差”状态，当循环次数达到100次左右时，耐久性状态表现为“差”。由此，可以得出不同配合比的混凝土随侵蚀循环次数耐久性的等级评定表，见表3。在大水胶比(0.55)下，混凝土将率先在70次后进入耐久性“较差”状态，而0.45和0.5水胶比下，均可达到90次后才进入“较差”状态，这对于工程设计实践具有重要的参考意义。

4 结论

针对0.45、0.5以及0.55三组不同水胶比配合比下的混凝土试验组进行耐久性劣化规律及评价研究，认为在0.45和0.5水胶比下的混凝土可在“碳化-硫酸盐侵蚀-干湿循环”作用下坚持更长时间(90次)，其耐久性表现更优，而在0.55水胶比下，耐久性稍差，仅能坚持70次左右的循环侵蚀作用，这对于水工混凝土的合理设计使用具有重要意义。

图4 各组关联度值变化规律

表3 耐久性随侵蚀循环次数评价等级结果