軸拉疲勞荷載下損傷混凝土氧氣傳輸性能

蔣志律，付傳清，嚴文杰

(浙江工業大學 土木工程學院，浙江 杭州 310014)

氧氣在混凝土內的傳輸將影響鋼筋銹蝕速率，是引起混凝土結構耐久性退化的因素之一[1].混凝土是一種多孔介質材料，其內部孔隙結構對氧氣傳輸有著重要影響[2-3].另外，實際服役混凝土結構承受各種荷載作用，使得混凝土結構產生不同程度的損傷.因此，在研究混凝土介質傳輸性能時應同時考慮荷載因素的影響[4].

已有研究[5-8]表明相對于未損傷混凝土，損傷混凝土的離子傳輸能力將會大幅提高.Kurumatani等[5]指出損傷后混凝土的離子擴散系數可以達到未損傷時的20倍.Fu等[6-7]研究了不同程度軸拉疲勞損傷混凝土的水分和氯離子傳輸性能，發現當最大荷載超過30%極限荷載時，混凝土內水分干燥速率和氯離子侵蝕速率均將明顯加快.牛荻濤等[8]開展了鹽霧環境下疲勞損傷混凝土的氯離子擴散試驗，結果表明隨著疲勞損傷變量增大，氯離子擴散系數明顯增大；與彎曲疲勞受壓區相比，受拉區的擴散系數較大.

國內外混凝土介質傳輸研究主要集中在水分和離子傳輸上，而對氧氣在混凝土中的傳輸機理研究較少.Villani等的研究結果[9]表明相對于混凝土氧氣滲透系數，氧氣擴散系數的實驗結果離散性較??；邊界條件和試件處理將很大程度影響實驗的可重復性.He等[10]研究了干濕循環與碳化引起的混凝土孔結構變化對混凝土氧氣擴散系數的影響.Fu等[11]開展了骨料與砂漿之間界面過渡區氧氣擴散性能的試驗研究，確定了不同水灰比下界面過渡區孔隙率對氧氣擴散的影響.湯玉娟等[12]在簡化毛細管束幾何模型的基礎上，引入孔隙率、孔隙迂曲度等微觀結構參數，建立了考慮飽和度影響的混凝土氣體擴散模型.

以上混凝土氧氣擴散性能研究是針對未損傷混凝土.但是在實際工程中，荷載作用下混凝土一般都會具有一定的損傷度.針對實際情況，須進一步研究損傷混凝土內的氧氣擴散機理.因此，本文設計了6種不同損傷程度的混凝土試件，采用核磁共振法測定損傷后混凝土的孔隙變化，研究疲勞損傷對混凝土試件內部結構的影響；研究了不同疲勞損傷程度混凝土的氧氣擴散系數，并基于試驗結果和理論分析建立了氧氣擴散系數與損傷度的經驗公式.

1 試驗概況

1.1 混凝土材料及試件制作

試驗采用山東魯城水泥有限公司生產的P·I 42.5硅酸鹽水泥；細骨料采用級配良好的河砂；粗骨料采用天然碎石，粒徑為5～20 mm；試驗用水為去離子水.混凝土配合比如表1所示.

表1 混凝土配合比/kg·m-3

軸拉疲勞試驗采用130 mm×130 mm×1 200 mm的混凝土試件.在試件角部分別設置4根直徑為12 mm的螺桿，并在兩端各伸出100 mm，以便后期疲勞荷載加載.混凝土試件澆筑成型拆模后放入20±2 ℃、95%相對濕度的環境養護28 d.

1.2 軸拉疲勞試驗

試驗在多通道MTS電液伺服萬能疲勞試驗機上進行，采用MTS 500 kN的作動頭施加疲勞荷載，如圖1所示.將試件對準上部作動頭的位置，試件兩端伸出的螺桿插入上下部預留孔中，安裝螺絲固定，再用紅外線水準儀保證試件垂直.試驗采用正弦波形疲勞荷載，加載頻率統一為5 Hz，加載次數統一為50 000次.為了獲得不同損傷的混凝土試件，采用五種不同加載水平的試件(表2)，另外設置未加載試件D1作為對照組.在試件側面布置應變片，其中試件澆筑面以及其對稱面上，在中間位置布置兩個應變片；在另外兩個側面上各布置4個間隔200 mm的應變片.

圖1 疲勞試驗裝置

表2 不同試件疲勞荷載

采用基于最大疲勞應變的損傷指標[13]來表征軸拉疲勞損傷混凝土的損傷程度.文獻[14-16]中表明混凝土的損傷發展規律與疲勞變形規律基本一致，且與加載的過程無關，疲勞破壞時混凝土試件的極限疲勞應變基本為定值.因此，采用最大疲勞應變定義材料損傷變量可以表示為

(1)

式中：εr為混凝土試件疲勞循環n次以后的疲勞應變；ε0為未經過疲勞損傷的混凝土試件的疲勞應變(ε0=0)；εre為混凝土試件疲勞損傷破壞時的累計疲勞應變，本文取為1.6×10-4.

1.3 氧氣擴散試驗

對疲勞加載后及未加載試件進行取芯，取出直徑75 mm、高130 mm的圓柱體.為了達到一維氧氣傳輸，采用環氧樹脂對圓柱體側面進行密封.切出20 mm厚圓片作為氧氣擴散試件，每組3個試件.擴散試驗前，為了盡量減少干燥引起的混凝土微結構破壞，將試件在真空干燥箱中45 ℃烘干至恒重，即間隔24 h試件質量變化小于0.1%.

氧氣擴散裝置由兩個獨立腔室、氧氣傳感監測系統、輸氣系統、數據自動化采集系統組成，如圖2所示.首先將待測試件放入兩個腔室之間，保證密封連接且具有絕對氣密性.再將其中一側腔室的進氣閥門連接氧氣鋼瓶，使腔室充滿氧氣；同時將另一側腔室進氣口同氮氣鋼瓶連接，使其充滿氮氣.這時，兩個腔室之間形成初始氧氣濃度梯度，使氧氣在濃度梯度作用下通過試件進行一維擴散.

圖2 氧氣擴散試驗裝置

假定混凝土內的氧氣擴散符合Fick氣體擴散第一定律，則可推導得到氧氣擴散系數Dfe的表達式為

(2)

式中：?[C]/?[L]為氧氣在待測試件兩側的腔室內濃度梯度(mol·m-4)；N為待測試件在t時間后通過的氧氣量(mol)；S為氧氣的有效擴散面積(m2).

假定試驗過程中試件內部的氧氣濃度梯度為線性分布，可得在某一時刻時氧氣濃度梯度的公式為

?[C]/?L=(C2-C1)/L=ΔC/L

(3)

式中，L為待測試件厚度(m)；C1為某一個時間低濃度氧氣側的腔室中氧氣濃度(mol·m-3)；C2為同一時間下高濃度氧氣一側腔室中的氧氣濃度(mol·m-3).

根據采集記錄的腔室氧氣濃度數據，利用式(3)獲得不同時間點的濃度梯度，再通過數據擬合得到濃度梯度與時間的函數關系式，最后代入式(2)可以計算得到待測試件的氧氣擴散系數.

1.4 低場核磁共振試驗

為表征損傷混凝土孔隙結構，在氧氣擴散實驗后試件的中心區域切割出40 mm×40 mm×20 mm的樣品，進行低場核磁共振試驗.核磁共振法具有非侵入性和非破壞性，可以讓測試樣品更加接近試件的真實情況.采用的設備是蘇州紐邁分析儀器股份有限公司生產的核磁共振儀器，型號為MesoMR12-110H-I.試驗前須將樣品進行真空飽水處理，再放入核磁線圈中進行測試.

2 試驗結果分析

2.1 不同損傷度下的孔隙結構

疲勞試驗后，Y1-Y5測得的疲勞應變分別為2.400×10-5、4.482×10-5、5.072×10-5、5.728×10-5和6.720×10-5.式(1)的疲勞損傷變量計算公式可簡化為

d=εr/εre

(4)

根據式(4)，Y1～Y5試件的損傷變量分別為0.150、0.249、0.317、0.358和0.420.采用核磁共振法測得的D1、Y1～Y5組的孔隙率分別為12.59%、13.21%、13.02%、12.57%、13.49%和13.90%.不同損傷度混凝土試件孔徑分布，即相應孔徑對應所占孔隙的百分比，如圖3所示.

圖3 核磁共振孔徑分布圖

圖3(a)結果表明，與未損傷混凝土相比，損傷混凝土的臨界孔徑較接近，但對應的孔隙度分量較大，且其孔隙度分量基本隨著損傷度增大而增大；在20～100 nm區間內，Y2、Y3和Y4試件孔隙度分量反而比未損傷試件小.在經過軸向疲勞損傷之后，混凝土內大于1 μm孔未明顯增多，說明本次疲勞荷載損傷程度較小，混凝土內未出現明顯裂縫.圖3(b)結果表明，損傷與未損傷混凝土孔隙均集中在孔徑小于50 nm的毛細孔.當損傷度小于0.317時，隨著損傷度增大，混凝土內<20 nm孔隙增多，而20～50 nm區間內孔隙減少，說明此時損傷主要體現在較小毛細孔的生成與擴展；當損傷度大于0.317時，混凝土內>20 nm隨著損傷度增大而明顯增多，表明損傷度較大時混凝土內較粗毛細孔數量增多.

2.2 損傷度對氧氣擴散系數影響

基于實測腔室內氧氣濃度，根據式(2)和式(3)得到6組不同損傷程度混凝土試件氧氣擴散系數，每組3個試件，取其平均值作為最終擴散系數試驗值，具體見表3.測試結果與文獻[17]中氣體擴散系數值數量級一致.

表3 混凝土試件氧氣擴散系數/(m2·s-1)

氧氣擴散系數隨混凝土損傷度變化曲線見圖4.結果表明，混凝土氧氣擴散系數隨損傷度的增大而增大.隨損傷度的變化趨勢可以分為兩個階段：當損傷度小于0.317時，氧氣擴散系數隨著損傷度增大基本呈線性增大；當損傷度大于0.317時，擴散系數與損傷度仍基本呈線性關系，但是增長速度明顯增大.該結果可用實測孔徑分布結果解釋.由圖3(b)可知，當損傷度大于0.317時，隨著損傷度增大，孔隙逐漸粗化，從而顯著增大了氧氣擴散系數.

圖4 不同損傷度下的混凝土氧氣傳輸系數

2.3 氧氣擴散系數與損傷度的關系式

根據多孔材料中氣體擴散理論[18]，氣體擴散系數可表示為

D=nDf

(4)

式中，D為混凝土氧氣擴散系數(cm2/s)，n表征孔隙率、孔迂曲度、孔連通度等因素影響，Df為氣體在直毛細孔中的擴散系數(cm2/s).

當不存在壓力梯度時，Houst等[19]在氣體動力學理論基礎上提出了氣體在直毛細孔的擴散系數Df公式為

(5)

式中：R為氣體常數，取8.314 N·m/(mol·K)；p為氣體壓力，取1.013×105Pa；T為絕對溫度，取293.15 K；N為阿伏伽德羅常數，取6.02×1023；a為氧氣分子直徑，取0.346×10-9m；M是氧氣分子量，取32 g/mol.

根據式(4)和式(5)，得到D1、Y1～Y5試件的n值分別為0.750、0.840、0.908、0.932、1.008和1.144.混凝土擴散系數與未損傷混凝土初始孔隙率ε及損傷度d有關.當損傷度d趨近0時，混凝土孔隙率為初始孔隙率，因此將通過擬合n值與εd+1關系建立混凝土氧氣擴散系數模型.對不同損傷度下混凝土n值擬合情況如圖5所示.因此，損傷混凝土氧氣擴散系數可表示為

圖5 不同損傷度下n值擬合

(6)

根據式(6)計算的混凝土氧氣擴散系數見表4.結果表明，提出的經驗公式能較好地擬合實測混凝土氧氣擴散系數.根據混凝土初始孔隙率與損傷變量，可利用式(6)估算服役期間混凝土氧氣擴散系數.值得注意的是本次研究針對損傷度較低混凝土擴散性能，在未來將進一步研究更高損傷度情況下的混凝土氧氣擴散機理.

表4 混凝土氧氣擴散系數試驗值與計算值比較(10-8 m2/s)

3 結論

(1)不同疲勞荷載水平使混凝土獲得不同程度的損傷，混凝土損傷程度隨著荷載水平的增大而增大且接近線性增長；

(2)軸拉疲勞荷載造成混凝土內部損傷，從而使混凝土氧氣擴散系數增大.結果表明，混凝土氧氣擴散系數隨損傷度增大而增大；

(3)當損傷度較小時，混凝土劣化主要體現在較小毛細孔數量的增多；當損傷度較大時，孔徑粗化，加快氧氣擴散系數隨損傷度增大速率；

(4)結合多孔材料的氣體擴散理論，建立了考慮初始孔隙率與損傷度的混凝土氧氣擴散系數經驗公式，較好地反映了損傷對混凝土氧氣擴散的影響.