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拉荷载作用下混凝土中氯离子传输及服役期评价

1 引言

钢筋混凝土是铁路建设的关键工程材料,被广泛应用于铁路轨道、隧道、桥梁等主要结构。通常要承受列车高速运行产生的荷载及外部服役环境的综合作用,其耐久性直接关系到工程安全性和服役寿命。Mehta教授在总结混凝土的耐久性时指出,钢筋锈蚀是引起混凝土结构劣化的首要破坏因素[1],而来自服役环境中的氯离子又是造成钢筋锈蚀的主要原因[2]。理论和试验研究均表明,不考虑外部荷载及混凝土损伤条件下得出的氯离子传输结果与实际情况存在很大的差异[3]

近年来,国内外学者开始关注多因素协同作用下水泥基材料的耐久性研究[4-6]。应力作用与氯离子侵蚀耦合作用对钢筋混凝土劣化的相互促进是导致二者共存环境下劣化行为与机理较为复杂的主要原因。理论研究和实际试验均表明,荷载与氯盐侵蚀耦合因素作用下钢筋混凝土耐久性的评价研究比仅考虑承载力或仅考虑氯盐侵蚀的结构设计方法更有意义,更符合混凝土材料的实际服役条件。利用力学荷载与氯盐侵蚀作用下混凝土的研究成果指导实际工程应用,可以更安全、更有效地提高混凝土的耐久性和实际服役年限,减小后期维护和维修费用,同时保障人民群众的生命和财产安全,具有重大的经济和社会效益。

因国家重点工程对关键结构混凝土的安全运行和耐久性有很高的要求,结合耐久性研究最新进展[7],对兰新高速铁路LXS-15标段C40和 C45混凝土开展拉应力-氯盐侵蚀耦合作用下的耐久性研究和服役寿命预测分析,研究了应力对混凝土中氯离子传输的影响及其对混凝土服役寿命的影响。兰新高速铁路是连接甘肃省兰州市与新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市的高速铁路,是世界上一次性建成通车里程最长的高速铁路,是中国《中长期铁路网规划》的重点项目,也是亚欧大陆桥铁路通道的重要组成部分。兰新高速铁路新疆段要途经4大风区。其中,“百里风区”、“三十里风区”的风力最为强劲,部分区段最大速度可达60 m/s,相当于十七级风。

2 试验方案

2.1 原材料及配合比

试验用水泥为P.O42.5低碱水泥,水泥的相关性能见表1和表2。粉煤灰细度为10.8%,需水量比为92%;矿渣粉比表面积为426 m2/kg;砂为天然河砂,细度模数为2.7,表观密度为2 650 kg/m3,含泥量<1.5%;碎石为5~31.5 mm的连续级配;拌和水为地下饮用水;减水剂为聚羧酸高性能减水剂,减水率27.1%;引气剂为JX-EAB型引气剂,掺量为0.2%。

表1 水泥物理性能

images/BZ_15_233_2754_1196_3021.png

表2 水泥的基本性能 %

images/BZ_15_1283_425_2242_525.png

2.2 试验方法及装置

选用桩基础C40和C45混凝土作为研究对象,配合比见表3。

表3 试验用混凝土配合比 kg/m3

编号 水泥水胶比粉煤灰矿渣粉 碎石 images/BZ_15_1946_867_2012_1017.png 减水剂 引气剂images/BZ_15_1779_867_1846_1017.pngC40 219_ 0.36__ 132 88_ 1 064 4.39 -C45 339_ 0.31__ 145____0__ 1 004 4.8________4_1.45

将原材料按表3准确称取后拌和3 min,然后制成哑铃型混凝土试件(拉荷载试件)。

24 h后拆除成型模具,将混凝土小梁和哑铃型试件放入相对湿度≥95%、温度(20±2)℃的标准养护室内养护28 d,然后测试试件的轴心抗拉强度。轴心抗压强度采用液压伺服压力机施加载荷,轴心抗拉强度采用RILEMTC 246-TDC设计的加载装置进行加载,如图1所示。

图1 拉应力与氯盐侵蚀作用下混凝土耐久性测试

由于所选取部件的实际承载状况无法准确预测,在考虑安全余量的情况下,本项目选取30%的拉应力比进行加载,即取抗拉强度的30%作为外部应力。

按照RILEMTC 246-TDC提出的测试方法标准[8-9]对试件进行养护和预处理,开始拉应力与氯盐侵蚀耦合作用下的耐久性试验。作用至暴露龄期后,按要求分层取样,测试总氯离子含量,以占混凝土质量的百分比表示。

3 混凝土在拉荷载与氯盐作用下的服役行为

3.1 拉荷载与氯盐作用下桩基础C40混凝土服役行为

结合拉应力比分别为0和0.3时氯盐侵蚀作用4周、8周和12周后桩基础C40混凝土试件的氯离子浓度变化,采用文献[10]中的方法,对氯离子浓度分布曲线进行拟合,得出表观扩散系数和表面氯离子浓度,分别如图2~图3所示。

这大风一直刮到果园里去,青果、红果呱唧呱唧直往下掉。种果树的大爷可急坏了:“哎呀,我的老天爷,我浇水施肥忙了大半年,眼看着要有收成,这风一刮,果子都落了地,这不是……这不是要我的老命吗?老天爷,求求你,别刮风了!”

图2 拟合得出的拉应力作用下桩基础C40混凝土表面氯离子浓度

图3 拟合得出的拉应力作用下桩基础C40混凝土表观氯离子扩散系数

3.2 拉荷载与氯盐作用下桩基础C45混凝土服役行为

结合拉应力比分别为0和0.3时氯盐侵蚀作用4周、8周和12周后桩基础C45混凝土试件的氯离子浓度变化,采用同样的方法拟合得出拉应力作用下混凝土的表观扩散系数和表面氯离子浓度,如图4~图5所示。

图4 拟合得出的拉应力作用下桩基础C45混凝土表面氯离子浓度

图5 拟合得出的拉应力作用下桩基础C45混凝土表观氯离子扩散系数

3.3 拉应力对混凝土中氯离子扩散的影响

在持续外部拉荷载作用下,混凝土试件不同深度处的总氯离子含量随时间逐渐升高;氯离子逐渐由表层扩散至混凝土内部。在相同的暴露龄期条件下,混凝土中氯离子浓度随着深度的增加而逐渐减小至趋近于初始氯离子浓度。当拉应力比为0.3时,同一深度处的氯离子浓度比无拉应力时略大,外部拉荷载加速了氯离子向混凝土中的传输。从图2~图5可以看出,拉应力比为0.3条件下得出的氯离子扩散系数比无荷载时稍大,表明30%外部拉荷载加速了外部氯盐向混凝土内部的扩散。这主要是由于在拉荷载条件下,长期持载可能造成混凝土内部微裂纹的萌生与扩展,为氯离子扩散提供了额外的路径,从而加速了氯盐向混凝土内部的传输。

(2)采用构件化的设计思想,在需求分析对象的基础上,先进行软件功能构件的设计,然后通过基于构件的开发组合完成系统的构建开发。

对于无荷载和30%拉荷载条件下的试验结果可以看出,对同一试件而言,氯离子渗透深度都随着时间的延长而逐渐增大,但不同龄期内的表观氯离子扩散系数却随着时间的增加而逐渐减小,近似呈幂函数衰减。因此,在进行混凝土结构寿命预测时还需要考虑氯离子扩散系数的时变性。另外,拟合得出的表面氯离子浓度均近似呈幂函数增长,但最终趋近于稳定。由于试验试件在进行荷载和氯盐侵蚀之前处于相对饱水状态,所以从中并没有明显观测出混凝土表层的对流区。若试验中发现对流区的存在,就需要获得更多层的氯离子浓度数据并运用Fick第二定律解析解模型进行拟合;相应地,在进行混凝土的服役寿命预测时,则需要用C s,Δx来替代表面氯离子浓度(其中Δx为对流区的深度)。

4 混凝土在拉荷载与氯盐作用下的寿命评估

采用文献[11]建立的荷载-氯盐耦合作用下混凝土结构寿命预测RSC模型,式(1)~式(3)为对两种不同配比的混凝土进行服役寿命可靠度计算公式。式中各参数的物理意义及取值方法详见文献[11]。

本文60例胸腹部占位性病变患者的收治时间为2017年9月—2018年9月,其中男性观察对象30例,女性观察对象30例,年龄27~78岁,平均(55.6±5.6)岁。均通过超声、CT技术予以确定,为多发或单发胸腹部占位性病变。其中44例胸部穿刺(纵膈穿刺4例,肺部穿刺40例)、16例腹部穿刺(11例肾穿刺,5例肝穿刺)。均签署研究同意书;通过医学伦理委员会审查。

采用不同应力条件下混凝土的表观氯离子扩散系数作为输入变量(见表4),以氯离子侵蚀最为严重的浪溅区环境条件参数进行荷载-氯盐侵蚀耦合作用下混凝土服役寿命可靠度计算。龄期指数、环境参数等输入变量的分布取值参考文献[12]确定,按照全概率的可靠度方法计算混凝土可靠度指标随时间的演变情况,采用德国RCP GmbH公司与慕尼黑工业大学共同开发的软件STRUREL进行可靠度指标计算。

表4 试验得出的表观氯离子扩散系数及其可靠度计算输入值

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经过计算,得出了被测C40和C45混凝土在拉荷载和氯盐侵蚀耦合作用下的可靠度指标演变和失效概率演变情况如图6~图9所示。

图6 拉应力作用下桩基础C40混凝土的可靠度指标

图7 拉应力作用下桩基础C40混凝土的失效概率

图8 拉应力作用下桩基础C45混凝土的可靠度指标

图9 拉应力作用下桩基础C45混凝土失效概率

可以看出,两类混凝土试件在拉应力与氯盐协同作用下服役100年后可靠度指标均大于设计值1.3,表明两类混凝土的使用寿命均远超100年。30%拉荷载作用使得混凝土在氯盐环境下的服役寿命缩短。因此,在进行铁路工程材料耐久性设计时,要重点考虑受拉构件及构件受拉区的耐久性。

5 结论

(1)利用中国建筑材料科学研究总院研发的设备对桩基础C40混凝土和桩基础C45混凝土开展拉应力与氯盐侵蚀协同作用下的耐久性评价,保证了实验室内的试验环境接近实际服役环境,评价结果更具有实际指导意义。

2.1.2 认知障碍 神经梅毒患者可出现痴呆,表现为记忆力下降、判断力减退、情绪不稳定、情绪低落、懒散、生活不能自理[2]。

(2)在基于全概率氯离子侵蚀模型的基础上,考虑荷载作用,参考耐久性设计文献经计算得出结论:两类被测混凝土使用寿命均超过设计使用寿命。

(3)与不受力混凝土相比,施加30%拉应力后,混凝土在不同龄期内的氯离子扩散系数均稍微增大;外加拉应力一定程度上加速了混凝土内的氯离子扩散,导致混凝土的服役寿命缩短。在进行铁路工程材料耐久性设计时,应重点关注受拉构件和构件受拉区的材料设计,并加强混凝土配合比优化和施工质量控制,如控制混凝土水胶比和最小水泥用量来改善混凝土的密实性、增加保护层厚度等。必要时还需要采取防腐蚀附加措施,如混凝土表面涂层和防腐蚀面层、环氧涂层钢筋、钢筋阻锈剂等。

当然,老子的关注点不在于在具体的操作层面上给予统治者以具体的措施或施行方案,对于老子而言,其合乎“道”的行为是:

实证研究中所用的数据主要来源于2000—2006年中国工业企业数据和中国海关产品层面交易数据。本文借鉴Yu(2015)的方法剔除统计过程中存在偏差的样本,参考Yu(2015)和Xu等(2016)的方法对中国工业企业数据与海关数据进行匹配,参考Amiti等(2014)的方法剔除了所有的贸易类企业。

参考文献

[1] Mehta P K.Concrete durability-fifty year's progress[C]∥Proceeding 2nd International Conference on Concrete Durability.American:Concrete Institution,1991.

[2] 谢友均,马昆林,龙广成,等.矿物掺合料对混凝土中氯离子渗透性的影响[J].硅酸盐学报,2006,34(11):1345-1350.

[3] Yao Y,Wang Z D,Wang L.Durability of concrete under combined mechanical load and environmental actions:a review[J].Journal of Sustainable Cement-Based Materials,2012,1(1-2):2-15.

[4] 金伟良,延永东,王海龙.氯离子在受荷混凝土内的传输研究进展[J].硅酸盐学报,2010,38(11):2217-2224.

[5] 孙继成,姚燕,王玲,等.多因素耦合作用下混凝土中氯离子传输的研究进展[J].低温建筑技术,2011,33(4):5-7.

[6] Meghdad Hoseini,Vivek Bindiganavile,Nemkumar Banthia,The effect of mechanical stress on permeability of concrete:a review[J].Cement&Concrete Composites,2009,31(4):213-220.

[7] 李化建,谢永江.我国铁路混凝土结构耐久性研究的进展及发展趋势[J].铁道建筑,2016,56(2):1-8.

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[11]曹银.应力作用下混凝土中的氯盐传输及基于可靠度的寿命预测[D].北京:中国建筑材料科学研究总院,2016.

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