汪林志，高明中，杨德传，王 鹏

(1.安徽理工大学矿业工程学院，淮南 236025；2.安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，淮南 232001)

0 引 言

水在混凝土内的传输性能始终是研究混凝土结构耐久性不可规避的因素。近年来，不少学者通过改变混凝土的原材料和配合比来改变水的传输性能，例如在混凝土内掺入有机硅[6]或橡胶[7]等。这些举措虽然能够降低混凝土吸水性能，但始终无法从本质上改变其亲水性质，因此，研究水在混凝土内的传输和分布仍具有意义。孔隙和裂缝作为混凝土中水分传输的主要通道，直接决定水在混凝土中渗透、毛细吸水以及蒸发等多种机制的传输[8]，而不同荷载水平的作用又影响着混凝土多尺度孔隙结构(无害孔、少害孔、有害孔及多害孔)[9]，引起孔隙的破裂与相互贯通，进而形成新裂缝，间接影响混凝土吸水性能。实际工程中，混凝土不仅处于不同荷载水平的持续荷载作用下，还要承受水的反复侵蚀，为此，研究持续荷载与干湿循环耦合作用下混凝土的吸水特性是准确预测混凝土结构使用寿命的重要前提和评估依据。在现有研究中，关于荷载对混凝土渗透率与吸水率[10-12]影响的探究有很多，普遍都认同随着荷载水平的增加，水在混凝土中的传输性能均存在一个阈值，小于阈值时，传输性能与荷载水平成反比；大于阈值时，则反之。然而，每个试验的混凝土配比不同，导致混凝土累计吸水量变化的阈值也不尽相同。

在现有的研究中，由于实验设备条件约束，很难将荷载与干湿循环耦合作用于混凝土。大部分停留在荷载作用产生裂缝后再进行干湿循环，这种研究方法对混凝土在现实中毛细吸水性能变化的描述与预测存在着一定的片面性。基于此，本文依据ASTM C1585—2013标准，改良混凝土吸水试验系统以及干燥系统，开展荷载与干湿循环耦合作用下混凝土的毛细吸水试验，研究不同荷载水平与不同次数干湿循环对混凝土毛细吸水性能的影响。

1 实 验

1.1 原材料及试件制备

水泥为M 32.5砌筑水泥，淮南舜岳水泥有限责任公司；细骨料为淮河河砂，最大粒径为4.75 mm，细度模数为2.4，密度为2.41 g/cm3；粗骨料为粒径5～15 mm天然花岗岩碎石，密度为2.63 g/cm3；水为实验室自来水。混凝土按m(水泥) ∶m(碎石) ∶m(中砂) ∶m(水)=1 ∶2 ∶2 ∶0.5的质量配合比制备。利用外径为15 mm、长为200 mm的PVC管插入标准混凝土模具底部中心处，如图1(a)所示,利用改进的模具制作中空混凝土试件，在制作后6 h内及时拔出PVC管，24 h后拆模并放入饱和氢氧化钙溶液中养护28 d，具体情况见图1。

图1 混凝土制备Fig.1 Concrete preparation

制备3个标准立方体试块(150 mm×150 mm×150 mm)，用于测定标准养护28 d混凝土抗压强度，单轴抗压强度结果为17.7 MPa；15个中空混凝土试件，其中3个用于测定中空混凝土的抗压强度，单轴抗压强度结果也为17.7 MPa。剩余12个用于探究不同荷载水平与不同干湿循环次数(N)耦合作用条件下混凝土毛细吸水性能，同时为减少蠕变效应对混凝土毛细吸水影响作用，本试验只讨论前几次干湿循环情况，具体试验设计见表1。

表1 混凝土所受耦合条件情况Table 1 Coupling conditions of concrete

1.2 吸水试验设计

为减少持续压荷载的波动，本试验采用机械加载的方式，利用RRTS-Ⅱ型岩石流变及扰动效应试验仪[13-14]作为加载装置，加载时通过液压泵将液压油分别输送入小油缸和大油缸，大油缸内活塞杆混凝土接触并提供压应力，而小油缸则通过输油管维持大油缸内的压力，以此构成稳压系统，具体如图2所示。加载采用齿轮和液压二级扩力，扩力比可达60～100倍(本试验装置的扩力比为72)，扩力比K可表示为:

(1)

式中：d1、d2分别为大齿轮和小齿轮直径；φ1、φ2分别为大油缸和小油缸的活塞直径。

图2 RRTS-Ⅱ型岩石流变扰动效应仪Fig.2 RRTS-Ⅱ rock rheological disturbance effector

定义荷载水平λc为实际加载应力f与试件单轴抗压强度平均值fc的比值，可表示为：

(2)

混凝土吸水系统基于连通器原理：将橡胶管(外径为13 mm)分别与混凝土中心孔道的两端粘连，并用玻璃胶填充连接处(静置24 h)保证吸水系统的密封性，对混凝土施加荷载达到预定值10 min后，分别将两根L型(内径为6 mm)玻璃管插入橡胶管中，其中一根L型玻璃管上贴有刻度为精度为0.1 mm的透明刻度尺，从进水管注水，每隔一定时间读取观测管水位高度并记录，每次吸水过程记录时长为300 min，记录完后继续试件的吸水过程，在吸水24 h后，用鼓风机以5 m/s的风速在自然平均温度为35 ℃的环境下(平均每天记录温度所得)自然风干24 h。本次试验设定荷载水平λc分别为0%、10%、20%、35%，分别记录第1次、3次、7次干湿循环吸水过程中观测管的水位变化。在试验结束后，分别对每个试件进行自然状态和饱和状态下的含水率测试，结果得出自然干燥状态含水率平均为2%，饱和状态含水率平均为6%。

2 结果与讨论

本次试验中，混凝土试件不仅处于双向不等应力场，同时还受孔道集中的静水压力P0作用，为更好地分析试件的累计吸水量与各阶段吸水率，首先对试件各处所受应力情况进行理论计算。

图3 试件加载及吸水过程Fig.3 Specimen loading and water absorption process

由于观测管的水位高于孔道，所以孔道的静水压力为：

P0=γwh

(3)

式中：γw为水的相对密度；h为观测管水位与孔道的高差(如图3所示)。

在孔道中，每个方向的集中应力P为:

(4)

式中：r为孔道半径;β为角度。

依据土力学理论，集中应力P对距离孔道中心z处的径向作用应力σz为:

(5)

结合弹性理论，侧压系数λ为0时，双向应力无限板内圆形孔的径向应力和切向应力分别为：

(6)

(7)

式中：f为加载应力；θ为所求位置与水平的夹角(具体见图4)；σr为f作用的径向应力；σt为f作用的切向应力。

根据式(6)可知，试件各处所受静水压力的影响远小于孔道周围的径向应力，可将其忽略不计，得到：

(8)

由上述可知，距孔道顶、底部1.73r处出现拉应力区，且在两侧最大切向应力集中系数值达到3。

图4 试件受力分析Fig.4 Force analysis of the specimen

在静水压力忽略不计情况下，非饱和混凝土中的水分传输主要由其内部孔隙及喉道内液体表面积上张力产生的毛细吸附作用所主导，通常混凝土单位面积上的累计吸水量i(mm)可表示为：

(9)

式中：Δm为某一时刻累计吸水质量，g；ρw为水的质量密度，g/mm3；Ac为试件吸水面积，mm2；S为试件吸水率，mm·min-1/2；t为吸水时间，min；b为纵轴截距,mm。

2.1 不同耦合条件下混凝土累计吸水量

不同荷载水平与干湿循环耦合作用条件下混凝土累计吸水量情况如图5所示。由图5(f)不难发现在第1次干湿循环过程中，混凝土累计吸水量随着荷载水平的增加呈先减后增的趋势，且此趋势的阈值λt在10%～20%。然而，由于本试验中混凝土孔道的布置与荷载水平方向相互垂直，使得混凝土处于双向不等应力场中，如图4(b)所示，孔道附近两侧处于3倍荷载水平作用影响，对比实际混凝土累计吸水量变化的阈值λt应处于30%～60%。

当荷载水平λc达到35%时，混凝土累计吸水量突增至3.538 mm，接近4倍无荷载水平作用影响的累计吸水量。分析认为，当荷载水平较低时，混凝土内部孔隙和喉道会产生一定程度压缩以及部分闭合，从而间接减小混凝土的孔隙度,导致累计吸水量减少；而当荷载水平较高时，混凝土内部的孔隙和喉道因自身强度原因而扩展、贯通，发育成明显的裂缝，为水的传输提供更大尺寸的运输通道以及储存空间，同时随着荷载水平的不断增加，孔道顶、底部的拉应力对其作用愈加明显，尤其当荷载水平增加至35%时，孔道顶、底部有明显的裂缝，极大程度上增加了混凝土内部与水的接触面积，使得在300 min的观测时间内，混凝土累计吸水量突增至无荷载作用的4倍左右。

图5 不同荷载水平与干湿循环耦合试件吸水累计吸水量曲线Fig.5 Cumulative water absorption curves for specimens coupled with dry-wet cycles and different load levels

同时，当荷载水平λc相同时，混凝土累计吸水量会随着干湿循环次数的增加，出现不同程度的减少。在试验过程中，时常发现石英管内有絮状物的出现，结合试验现象分析，水在渗入试件内部时，会溶蚀孔隙或裂缝周围部分细小颗粒，而在干湿循环的干燥过程中，水会以气、液两相状态脱离混凝土，此时由水溶蚀的细小颗粒便会部分留存在孔隙与裂缝之中，从而堵塞部分孔隙以及喉道，减小水传输通道的尺寸，如此周而复始的影响，导致混凝土累计吸水量随着干湿循环次数的增加而不断下降。在低荷载水平时，无荷载作用第7次干湿循环的累计吸水量相较于第1次降低了63.48%，而在荷载水平λc为10%时其累计吸水量降低了72.75%，这说明在没有损伤混凝土内部结构时，随着荷载水平的增加，混凝土累计吸水量受干湿循环的影响也会随之增大，分析认为有两种原因:其一，混凝土内部颗粒之间的黏结力会随着荷载水平的增加而减小，从而更易被水溶蚀；其二，随着荷载水平的增加，孔隙会不断被压缩，使得孔隙边缘出现裂纹扩展，导致孔隙与水的接触面积增加，从而导致水溶蚀的细小颗粒增多。随着荷载水平的增加，孔道顶、底部所受的拉应力对混凝土累计吸水量的影响会变得愈加明显，拉应力对混凝土的作用影响便不可忽略，此时混凝土累计吸水量是由局部的压应力和局部的拉应力共同作用所导致的结果，情况比较复杂，由于试验的局限性，便不做分析。

2.2 不同耦合条件下试件的吸水率

非饱和混凝土毛细吸水过程可分为两个阶段：第一阶段是水与混凝土表面刚开始接触，表面区域快速吸水的初始阶段，此阶段定义为混凝土初始吸水率S1。第二阶段是水渗入混凝土内部孔隙，由于张力作用影响，形成薄膜阻碍水在混凝土内部的吸附，此阶段定义为混凝土后期吸水率S2[15-16]。因此混凝土累计吸水量与吸水时间的关系曲线表现为双线性，根据图5和式(9)对不同耦合条件下混凝土累计吸水量进行双线性拟合，时间拐点约为7.8 min1/2。得到不同耦合条件下混凝土的初始吸水率S1与后期吸水率S2,并求此两阶段的差值S2-S1,所得拟合参数如表2所示。

表2 混凝土吸水率以及双曲线拟合参数Table 2 Water absorption rate of concrete and parameters for fitting the hyperbolic curve

图6为荷载水平与干湿循环耦合作用下混凝土吸水率曲线。由图6(a)、(b)可以看出，随着干湿循环的次数增加，混凝土的初始吸水率S1、后期吸水率S2都会相应降低。其中在荷载水平λc为35%时，混凝土各阶段吸水率下降最明显，第7次干湿循环的初始吸水率S1和后期吸水率S2分别是第1次干湿循环的24.17%和23.53%，同时混凝土前、后期两阶段吸水率随着荷载水平增加出现先降低后升高的趋势，这与混凝土累计吸水量的规律相一致。由图6(c)所示，在干湿循环为第1次时，当荷载水平λc小于10%时，混凝土初始吸水率S1大于后期吸水率S2，在荷载水平λc大于10%时，混凝土后期吸水率S2大于初期吸水率S1,分析认为，随着荷载水平的增加，孔道顶部和底部的拉应力对混凝土的作用愈加明显，由式(8)可知，在距孔道顶底部1.73r处径向应力才开始显现为拉应力，而混凝土初始吸水阶段的吸水深度并未达到此处，随着时间的推移，毛细作用深度渐渐达到拉应力显现区域，对于混凝土材料而言，当拉应力达到一定程度时，其对应区域所发育的裂缝尺寸会随着荷载水平的增加而不断增加，不断发育的裂缝不仅为水渗入提供储存空间，同时也间接增大了混凝土的吸水面积，因此导致在荷载水平达到一定程度时，混凝土的后期吸水率S2大于初期吸水率S1。而在干湿循环为第3次时，混凝土初始吸水率S1大于后期吸水率S2，分析认为前几次干湿循环过程中，孔道顶部和底部拉应力显现区域中未经水化反应的硅酸盐部分会进行二次养护，从而降低该区域的毛细作用。第7次干湿循环中，混凝土初始吸水率S1小于后期吸水率S2，分析认为，在每次干湿循环过程中，均会伴随着次生孔隙出现，当混凝土内未水化反应部分经历前几次干湿循环反应后，便不再出现二次养护的现象，此后混凝土内部的毛细孔会随着干湿循环次数的增加而增加，使得后期吸水率S2大于初始吸水率S1。

图6 荷载水平与干湿循环耦合作用下混凝土吸水率曲线Fig.6 Water absorption rate curves of concrete under coupled load levels and wet-dry cycles

2.3 累计吸水量及各阶段吸水率回归分析

为分析在不同荷载水平与干湿循环次数耦合作用下混凝土累计吸水量以及各阶段吸水率的变化情况。以荷载水平和干湿循环次数为自变量，分别对混凝土累计吸水量、初始吸水率和后期吸水率进行非线性曲面拟合，经过多次拟合对比，得到累计吸水量Rational Taylor非线性回归模型如式(10)所示，以及初始吸水率和后期吸水率Gauss Cum非线性回归模型如式(11)和式(12)所示。

(10)

(11)

(12)

图7为累计吸水量及各阶段吸水率回归曲面。如图7所示，构建可视化模型来直观分析不同荷载水平和干湿循环次数对混凝土累计吸水量、初始吸水率以及后期吸水率的作用影响。

图7 累计吸水量及各阶段吸水率回归曲面Fig.7 Cumulative water absorption and regression surfaces for each stage of water absorption

总体上，在荷载水平和干湿循环次数耦合条件作用下，混凝土累计吸水量、初始吸水率以及后期吸水率的变化趋势相似。在荷载水平λc为35%时，混凝土吸水特性参数受干湿循环影响最大，同时在第1次干湿循环时，混凝土吸水特性相关参数受荷载水平影响最显著，且随着干湿循环次数的增加，荷载水平对混凝土吸水特性的影响逐渐减弱，这与2.1节以及2.2节所得结论相似，因此上述模型能够较好地描述不同荷载水平和干湿循环次数耦合条件作用下，混凝土的毛细吸水性能。

3 结 论

(1)混凝土的累计吸水量与各阶段吸水率均随着干湿循环次数的增加出现不同程度的减小，且在荷载水平λc为35%时，受干湿循环影响作用最为显著。

(2)在侧压系数λ为0的双向不等应力场中，混凝土的初始吸水率S1随着荷载水平的增加呈先减小后增加的规律，其荷载水平的阈值λt在10%～20%内，同时此阈值λt随着干湿循环次数的增加而减小。

(3)在侧压系数λ为0的双向不等应力场中，混凝土后期吸水率S2与初始吸水率S1的差值随着荷载水平增加逐渐减小，甚至有后期吸水率S2大于初始吸水率S1的情况出现。

(4)分别采用Rational Taylor和Gauss Cum回归模型，较好地描述在不同荷载水平和干湿循环次数耦合条件作用下，混凝土的毛细吸水性能。