非均匀碱-硅酸反应下RC梁长期膨胀特征研究

李 鹏 飞,刘 微,蒋 正 施

(1.重庆交通大学 河海学院,重庆 400074; 2.重庆市永川区水利局,重庆 402160; 3.中铁长江交通设计集团有限公司 规划研究院,重庆 400074)

0 引 言

碱-硅酸反应(Alkali-Silica Reaction,ASR)是影响混凝土耐久性能的最重要因素之一[1-2]。由于ASR所引起的混凝土开裂和破坏始于混凝土内部,加固和修补的工程难度高、耗资大,因此ASR在国际上也被称作为混凝土的“癌症”[3-5]。

ASR具体表现为水泥砂浆中的碱溶液与骨料中的活性二氧化硅发生化学反应,在混凝土内部产生凝胶物质,凝胶吸水膨胀,从而导致混凝土开裂[6-7]。与素混凝土不同,对带ASR损伤的钢筋混凝土结构(Reinforced Concrete structure,RC)其膨胀特性的分析,需要综合考虑钢筋对ASR损伤的演化机制,以及对混凝土开裂后力学性能的影响[8-9]。在实际工程中,由于骨料中反应性物质分布不均匀,再加上各部位受雨水影响的差异,构件所处位置等因素导致的内外约束的不同等,结构的ASR损伤会呈现出动态、非均匀的特征。此外,有学者研究指出[10],ASR产物的影响存在尺寸效应,基于标准试件试验得到的结果难以对实际结构的损伤状态进行评估,需要进一步在结构尺度下针对ASR产物的膨胀与混凝土劣化之间的机理进行分析。因此,本文以RC梁为研究对象,采用试验研究与机理分析相结合的方法,阐明RC梁在非均匀ASR损伤下的膨胀特征,并揭示非均匀ASR损伤作用下钢筋的约束机制。

1 材料准备及试验方案

1.1 材 料

试验所用水泥为普通硅酸盐水泥(P·O 42.5),粗骨料的粒径为5～20 mm,细骨料的细度模数为2.4,并在正式试验前,按照SL352-2006《水工混凝土试验规程》中骨料碱活性检验方法(快速砂浆棒法),对河砂和粗骨料进行骨料碱活性检测。结果表明,河砂和粗骨料砂浆棒试件14 d膨胀率均大于0.2%且误差小于15%。依据相关要求,可认为本次试验所采用的材料为具有潜在危害性的活性骨料。试验测得28 d标准养护后的标准立方体抗压强度为49.57 MPa。混凝土配合比如表1所列。所用钢筋型号为HRB400,其极限强度600 MPa,屈服强度400 MPa,钢筋直径14 mm。

表1 混凝土配合比

1.2 试 件

如图1所示,试验梁尺寸为200 mm×200 mm×1 600 mm。并沿梁长度方向,布置有两根直径为14 mm的钢筋。本次试验测量了Bx-1(0)、Bx-2(25 mm)、Bx-3(75 mm)、Bx-4(125 mm)、Bx-5(175 mm)和Bx-6(200 mm)测点在34个月内的长度变化,测点间的初始距离为l0。试验过程中,以一个月为测量周期,采用沧州中硕仪器设备有限公司开发的YB-15型手持式应变仪测量各测点间距离lt,利用公式(1)计算得到各测点膨胀率。

图1 混凝土梁膨胀测量示意(尺寸单位:mm)

(1)

式中:εt是梁在t月的膨胀率;l0是测量点间的初始距离,mm;lt是浸泡时间为t月时测量点之间距离,mm。

1.3 ASR试验

浇筑、脱模并养护28 d后,将所有梁置于含有2.8 mol/L NaOH溶液的试验箱中,以加速ASR试验。如图2所示,为了模拟实际结构中不同的内外部条件,本次研究选择了4种不同的浸泡方式:1号梁(B1)和2号梁(B2)浸泡深度为50 mm,3号梁(B3)和4号梁(B4)浸泡深度为100 mm。B1和B3的浸没部位为受拉区,B2和B4的浸泡部位为受压区。每根梁的浸泡周期为34个月,图示中灰色的区域表示浸入NaOH溶液中,白色的区域表示置于空气中。

2 试验结果及讨论

2.1 膨胀率监测结果

2.1.1膨胀率-时间分布特征

膨胀率和加速ASR时间之间的关系如图3所示。对于所有梁,其膨胀率曲线按照增长速率大致可分为3个阶段:在试验早期(0～6个月),混凝土的膨胀率增长非常缓慢;在中期(6～24个月)急剧增加;在后期(24～34个月),膨胀增长速度开始放缓,最终趋于不变。这种现象可以用ASR反应机理进行解释[11]。在ASR反应的早期阶段,ASR反应生成的凝胶首先填充混凝土的初始孔隙,因此试验前期不会立即监测到膨胀。随后,凝胶继续吸水膨胀,在混凝土内部产生膨胀应力,膨胀快速增加。随着反应的进行,当凝胶供应没有补充时,宏观膨胀停止[12]。

在试验早期,每个测点初次监测到膨胀的时间如图4所示。试验结果表明,浸泡区出现膨胀的时间早于干燥区。这种现象是由水、碱金属离子和OH-的共同作用引起的[13]。对于被碱溶液浸泡的区域,有充足的水和离子供应,凝胶产物更加丰富,填充混凝土中的原始孔隙,加速膨胀进程[14]。对于未浸入溶液中的区域,离子和水分主要通过混凝土表面的毛细孔隙和微裂缝孔隙渗透到混凝土内部,溶液在混凝土中的主要传输方式包括扩散和毛细作用。在局部浸泡碱溶液的情况下,由于Na+、OH-等离子在不同位置的浓度存在差异,在浓度梯度的作用下,离子总是会自发地从浓度高的地方向浓度低的区域扩散。另外一方面,由于混凝土部分浸泡有碱溶液,导致梁内部饱和度不同,水分自发地从高湿度的区域移动到低湿度部位,伴随着溶液的流动。相应地,Na+、OH-等离子也随之发生了迁移[15],在扩散和毛细作用的共同作用下,为干燥区的混凝土提供了碱骨料反应的反应物。因此,在离浸泡区较远的地方,离子含量和湿度较低,ASR产物较少,ASR相对缓慢,初次监测到膨胀的时间也进一步延迟。

如图3所示,在试验中期,浸泡混凝土区域对膨胀率增长速率存在影响,浸泡受拉区的梁整体膨胀增长速率低于浸泡受压区的梁。在试验后期,每根梁的膨胀率绝对值也存在差异,浸泡受拉区的梁上检测到的膨胀率最大值小于浸泡受压区。产生上述现象的原因是浸泡位置不同,B1、B3浸泡区存在钢筋,抑制了膨胀的发展。

当浸泡位置相同时,对比不同梁试件的膨胀曲线可以发现,碱溶液浸泡深度同样会影响梁的劣化程度。如图3所示,无论浸泡区为受压区还是受拉区,梁试件的整体的膨胀水平都会随着溶液浸泡深度的增加而增加,这表明NaOH溶液浸泡深度会影响膨胀发展。一方面,溶液中的水既作为反应物,又作为不同反应物的载体参与ASR反应[16],因此浸泡深度越高,膨胀越快;另一方面,Na+和OH-对ASR损伤有显著影响。活性骨料在OH-浓度较高的孔隙液中溶解,已溶解SiO2会跟Na+等碱金属离子反应生成可吸水凝胶,凝胶吸水膨胀。从而引起了不同浸泡深度的钢筋混凝土梁呈现不同的膨胀程度[17]。

2.1.2膨胀率-空间分布特征

以膨胀率为横坐标,测点编号为纵坐标,绘制了梁34个月内膨胀率空间分布特征图,如图5所示。对于B1,B1-1处膨胀率最大。这是由于反应物浓度引起的。B1-1直接浸入溶液中,反应物更加充分。测点B1-2由于靠近钢筋,当ASR产生膨胀应力时,钢筋产生应力抵消部分膨胀应力,从而抑制了混凝土膨胀。在NaOH溶液和钢筋的共同影响下,测点B1-3、B1-4、B1-5和B1-6处的膨胀率逐渐降低。但综合来看,在溶液未浸泡的位置,溶液的迁移对膨胀的发展起着更主导的作用,距离NaOH溶液越远的地方,梁整体的膨胀程度越低。与B1类似,B2、B3和B4溶液浸泡区的膨胀率同样高于干燥区,在钢筋周围,由于钢筋约束,ASR引起的膨胀明显减少。但是,梁整体的应变在梁高度方向大致呈现线性分布。

图5 不同梁试件膨胀率空间分布特征

2.2 ASR引起的裂纹分布

在第34个月,加速ASR试验结束后,采用放大镜检查梁表面裂纹,并选取固定区域描绘裂缝,绘制裂纹分布图,如图6所示。梁中,S1为顶面,S2和S3面为侧面,S4面为底面。

对于S1,上部存在钢筋的B2和B4未出现裂缝;对于S4,下部存在钢筋的B1、B3裂缝数量明显小于B2和B4。在混凝土中,骨料中的活性SiO2和水泥中的碱性物质发生反应,生成半液态的凝胶产物,凝胶吸水膨胀并填充混凝土孔隙,使得混凝土内部产生膨胀应力,当应力大于混凝土抗拉强度时,混凝土结构开裂。而对于有钢筋存在的部位,由于带肋钢筋的存在,混凝土与钢筋之间存在咬合力、摩擦力以及钢筋表面凸出的横肋对混凝土的挤压作用,会加强混凝土与钢筋之间的黏结,从而通过黏结性能对混凝土的ASR膨胀产物的膨胀以及迁移产生抑制作用,延缓裂缝的产生。观察侧面S2、S3,可以发现所有裂纹均分布在溶液液面以下。此外,具有较高溶液浸泡深度的B3和B4中裂纹相对密集,从宏观层面,反映了裂缝与溶液深度的关系。

2.3 非均匀损伤下钢筋的约束机制

2.3.1钢筋混凝土梁的区域损伤指数

为了量化ASR对梁的非均匀损伤程度,本文定义了区域损伤指数αt(也称膨胀指数),见公式(2)。计算示意图如图7所示。

图7 区域损伤指数计算方法示意

(2)

式中:st为第t月截面面积,mm2,s0为初始截面面积,mm2,lt为第t月测点间距离,mm,l0为测点间初始距离,mm,h为积分高度,mm,h1为起点,h2为终点。

2.3.2钢筋约束机制

为了分析不同部位ASR劣化下钢筋的约束机制,将梁沿溶液表面分为两个区域:浸泡区及干燥区,如图8所示。

图8 B1和B2截面膨胀分布特征

图8显示了B1和B2第34个月时沿高度的膨胀分布,B1和B2的膨胀分布存在显著差异。计算B1、B2浸泡区的区域损伤指数,如图9所示。在浸泡区,混凝土与溶液直接接触,膨胀程度较大。此外,与B2相比,由于钢筋约束,B1的区域膨胀指数较小。这可以通过钢筋的直接约束解释,混凝土发生ASR膨胀,膨胀受到钢筋约束,钢筋受拉,产生拉应力,对混凝土产生“预压应力”效应,从而直接约束混凝土膨胀,如图10所示。

图9 B1和B2浸泡区膨胀指数

计算B1、B2干燥区的区域损伤指数,如图11所示。在干燥区,水和离子通过混凝土孔隙和裂缝传输。凝胶首先在水泥浆体附近产生,并可以部分迁移到周围的孔隙中[18]。因此,混凝土的孔隙率在ASR膨胀中起着至关重要的作用。通常,多孔混凝土可以使环境中的水和离子更容易聚集,从而导致骨料溶解并引发ASR。此外,裂缝可以作为凝胶的传输通道,加速ASR,而当裂缝连接,形成网络时,它们会进一步增加渗透率,促进ASR反应。如图12所示,钢筋可以使结构更加致密,减小钢筋混凝土梁中膨胀引起的裂缝的宽度,从而降低渗透性,间接影响并降低ASR引起的膨胀。在干燥区,对于B1,钢筋位于液面附近,可以使其附近的结构更加致密,抑制裂缝的张开扩展及ASR反应物和产物的向上传输,从而降低了干燥区的整体损伤程度。对于B2,钢筋位于干燥区,通过拉应力,直接对该区域的膨胀产生抑制作用。总体来看,在钢筋的直接和间接约束作用影响下,两个梁在干燥区的膨胀指数相差不大。

图11 B1和B2干燥区膨胀指数

图12 钢筋的间接约束作用

如图13所示,当碱溶液的浸入深度为100 mm时,对比B3、B4各测点的膨胀分布,同样可以看出钢筋对膨胀的约束作用。图14(a)显示,在溶液浸泡区,ASR引起的膨胀直接受到钢筋的限制,因此,在浸泡区存在钢筋的B3,膨胀指数低于B4。在干燥区,如图14(b)所示,对于B3,钢筋主要通过间接约束作用降低混凝土渗透性,抑制裂缝传输和ASR产物的迁移,而对于B4,钢筋主要通过产生拉应力直接约束混凝土膨胀,但整体上B3干燥区的损伤程度大于B4。

图13 B3和B4截面膨胀分布特征

图14 B3、B4不同区域膨胀指数

3 结 论

(1) ASR是一个多级连续的有害反应。相比于干燥区,浸泡碱溶液的部位膨胀发展速率更快,膨胀出现时间更早。

(2) 溶液浸泡部位和溶液浸泡区域对混凝土膨胀具有明显影响。相比于干燥区,溶液浸泡区的膨胀程度更大,且浸泡深度的增加会加剧ASR反应。

(3) 碱-硅酸反应可导致混凝土开裂,在侧面,裂缝主要分布在碱溶液浸泡部位;而在顶面和底面,钢筋的约束作用会对裂缝产生抑制作用。

(4) 钢筋会对混凝土ASR引起的膨胀产生抑制作用:一方面,在溶液浸泡区混凝土的膨胀应力作用下,钢筋会产生拉应力,直接约束混凝土膨胀;另一方面,钢筋可以通过影响水及离子的传输、裂缝的开展,并进一步影响凝胶的生成和迁移,间接影响ASR引起的混凝土膨胀。