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1多因素耦合作用對混凝土性能影響的研究現狀

1.1凍融循環與鹽侵蝕雙因素耦合作用慕儒［7］研究了凍融循環耦合鹽溶液作用下混凝土的性能，選取了五種混凝土，分別為普通水泥混凝土(OPC)、普通引氣混凝土(APC)、高強度混凝土(HSC)、鋼纖維增強混凝土(SFRC)和引氣鋼纖維增強混凝土(FRC)，混凝土的強度等級分別為C40、C60和C80，鹽溶液為3．5%NaCl和5%Na2SO4溶液。結果表明:(1)混凝土在3．5%NaCl溶液中快速凍融時表面剝落非常嚴重，質量損失率遠大于純水中凍融作用，而在5%Na2SO4溶液中凍融時的質量損失率比在純水中時要小。(2)因鹽溶液降低冰點的作用，使混凝土凍融過程中的動彈性模量下降速度比在純水中時慢，導致混凝土在NaCl溶液中凍融壽命比在純水中提高10%～30%。在Na2SO4溶液中凍融時，低強度等級混凝土的凍融壽命比在純水中略有增加，但HSC的凍融破壞因硫酸鹽腐蝕作用而提前，而且破壞形態為脆性破壞。(3)APC在NaCl和Na2SO4溶液凍融時的質量損失只有相應非引氣OPC的30%～40%，其相對動彈性模量加速下降的時間比相應非引氣OPC要晚，抗凍融壽命明顯增加。(4)SFRC在NaCl和Na2SO4溶液中的凍融壽命比OPC和APC長，說明鋼纖維對凍融耦合除冰鹽或硫酸鹽雙重因素作用下混凝土損傷的抑制效果比引氣更加明顯，但它對混凝土的鹽凍剝蝕幾乎沒有影響。(5)FRC對凍融耦合除冰鹽或硫酸鹽雙重因素作用下混凝土損傷的抑制效果最好，其抗凍融壽命大大增加，而且其增加值遠大于引氣和鋼纖維單獨增強時增加值之和，產生顯著的增強復合效應［8］。Janssen［9］等研究了在3．0%濃度NaCl溶液中的混凝土在進行凍融循環試驗時，氯離子顯著加劇了混凝土的凍融質量損失，即加劇了混凝土的凍融破壞。余紅發等［10］在Fick擴散定律的基礎上推導出了氯離子在混凝土中擴散行為的新擴散方程，克服了Fick擴散定律與實際情況不相符的問題，得到混凝土的氯離子擴散理論基準模型，在此基礎上導出混凝土表面剝落氯離子擴散理論模型、混凝土凍融循環氯離子擴散理論模型和混凝土損傷氯離子擴散理論模型。綜上所述，耦合鹽溶液后，混凝土的抗凍性降低;但對于不同種類的混凝土的抗凍融能力降低程度不同，引氣或摻鋼纖維可以顯著提高抗凍性。鹽凍雙因素作用下的混凝土劣化程度是遠大于凍融單因素作用下的混凝土劣化程度的，這是二者相互影響、相互作用的結果。

1.2荷載與凍融循環雙因素耦合作用Jacobsen［11］指出荷載對混凝土凍融循環破壞主要是由裂縫的存在而產生的，所以初始裂縫將增大凍融循環的破壞作用。孫偉、慕儒等［12］研究了在凍融循環和三分點彎曲荷載共同作用下引氣高強混凝土(APC)和非引氣高強混凝土(NPC)的損傷過程和損傷機理，施加的荷載比例分別為0、0．1、0．25和0．5。結果表明:(1)當荷載比例為零或者較小時，兩種高強混凝土都能承受的凍融循環次數較多;(2)當荷載比例較大時，兩種高強混凝土破壞時所經受的凍融循環次數均下降，且荷載比例越大，能經受的凍融循環次數越少。盡管在荷載比例較大時抗凍性降低較大，但是兩種高強混凝土的抗凍性能表現還有所不同，當水灰比較大時，APC高強混凝土能經受的凍融循環次數稍大于NPC高強混凝土;當低水灰比時，則是NPC高強混凝土的凍融循環次數稍大于APC高強混凝土，這是因為低水灰比時引氣使APC高強混凝土的強度降低明顯，在荷載作用下容易斷裂，同時低水灰比使NPC高強混凝土更為致密，抗凍性提高［13］。劉波［14］研究了C20和C30混凝土在0、0．3、0．5和0．7的荷載比例下抗凍性能，獲得了荷載比例與耐久性的變化關系以及荷載比例對不同強度等級混凝土的耐久性的影響規律。即荷載比例對混凝土試件的孔隙也有很大的影響，當荷載比例為0時混凝土內的孔隙是由水化程度和施工條件決定，比較穩定;而隨著荷載比例的加大，混凝土的孔隙慢慢增大，無害孔向有害孔轉變，導致混凝土的抗凍性能的下降。在荷載比例小于0．3時，由于加載對混凝土試件內部孔隙的“壓合”作用，抗凍融性能下降的幅度很小，速度很慢;當荷載比例大于0．3時，其下降速度很快，且下降速度隨著荷載比例的加大而加快。嚴安等［15］考慮到了在荷載和凍融循環雙因素作用下，臨界裂紋擴展破壞的突然性，從結構安全性考慮，根據實驗結果給出了混凝土在荷載及凍融同時作用下可靠度計算公式;同時引入“等效凍融循環壽命”的概念，即應力作用下的凍融循環周期數nr轉化為不受應力作用下的等效凍融循環周期數nre，只要在受應力比r作用下凍融循環壽命nr次的混凝土失效概率與受應力作用下凍融循環壽命nre次的混凝土失效概率相同，就可得到等效凍融循環壽命。在失效概率相同的條件下，推導出了不受應力作用下的混凝土凍融循環壽命和不同應力狀況下的混凝土凍融循環壽命的關系式，由此可以根據不同應力狀況下的混凝土凍融循環壽命試驗結果計算無應力狀態下的等效凍融循環壽命，也可以根據按標準方法在無應力狀態下的測得的凍融循環壽命(次數)推算不同應力狀況下的混凝土凍融循環壽命。總之，耦合荷載作用后，混凝土的抗凍性遠小于混凝土在單獨凍融循環作用下的抗凍性;耦合荷載作用后，混凝土的內部損傷遠大于單因素損傷。即在荷載作用下高性能混凝土的破壞主要為外荷載加速凍融破壞，和不受荷載作用下的凍融循環破壞不同。

1.3荷載與鹽溶液雙因素耦合作用關于荷載與鹽侵蝕雙因素耦合作用對混凝土耐久性的影響，國內外的研究報道很多。方永浩［16］研究發現混凝土澆筑或試件成型時，粗骨料下部砂漿或多或少會沉降而與粗骨料間形成近似與澆筑面平行的弱結合層。混凝土試件抗壓強度測定和持續壓荷載作用下，混凝土氯離子滲透性測定時試件受力方向一般與澆筑面平行，與實際混凝土工程受力方向不一致，這對于抗壓強度測定來說可能影響不大，但對于持續壓荷載作用下混凝土氯離子滲透性可能會有較大的影響，特別是在低應力水平時，受力方向不同可能導致得出完全相反的結論，即壓荷載作用下的混凝土氯離子滲透性可能還與其受力方向有關的結論。何世欽［17］研究表明在同一深度處的氯離子含量隨著彎曲荷載的增大而增加;當在鹽溶液中浸泡時間較短時，氯離子含量受荷載的影響不明顯;隨著浸泡時間的增加，同一深度處的氯離子含量隨著荷載的增加而增加。金祖權［18］研究以5%Na2SO4+3．5%NaCl溶液為腐蝕溶液，使用浸泡腐蝕制度和浸烘循環制度，對混凝土施加35%和50%的彎曲荷載，測試混凝土的相對動彈性模量隨腐蝕時間的演變規律。結果表明:混凝土在5%Na2SO4+3．5%NaCl浸泡作用下，其膨脹率變化為先增加，然后穩定。混凝土通過浸烘循環腐蝕加速后，得到混凝土膨脹率變化全過程包括三個階段:上升段、穩定段和加速上升段;混凝土在彎曲荷載和鹽侵蝕作用下，彎曲荷載加速了混凝土的損傷劣化速度，荷載率越高，混凝土的損傷劣化速度越快。混凝土失效時間隨彎曲荷載率增加呈乘冪函數下降。范穎芳等［19］研究發現，受硫酸鹽腐蝕的混凝土的破壞形式和腐蝕前相同，但開裂荷載比腐蝕前提高2～4倍，破壞荷載也比腐蝕前提高30%～60%。總之，混凝土試件在外荷載或應力作用下產生微裂縫，加速了各種鹽溶液的滲透和擴散，從而加速了混凝土的劣化。

1.4荷載、凍融循環和鹽侵蝕三因素耦合作用孫偉、慕儒等［20］詳細研究了混凝土在彎曲荷載－凍融、彎曲荷載－氯鹽、彎曲荷載－復合鹽、彎曲荷載－鹽湖鹵水、壓荷載－鹽湖鹵水和彎曲荷載－堿集料反應下，混凝土的損傷過程以及氯離子在混凝土中的擴散行為，并對混凝土試驗加載裝置不斷更新，形成了高精度、長壽命、易測試的彎曲加載系統和壓應力加載系統。研究結果表明:彎曲荷載明顯劣化了混凝土的抗凍性，在高應力比下，混凝土的凍融循環甚至出現脆斷;彎曲荷載也加速了氯離子在混凝土中的擴散以及堿集料反應對混凝土造成的損傷。但在壓應力小于80%的情況下，氯離子擴散并不會加速。王陣地等研究了路用混凝土中的鋼筋在凍融循環－氯鹽侵蝕－荷載多因素耦合作用下的銹蝕行為。實驗表明當試件放入含有3．5%NaCl溶液中，并分別對其施加0．3和0．4的荷載比例，放入快速凍融試驗機中進行凍融循環時，在高荷載比例的條件下縮短了鋼筋脫鈍的時間，增大鋼筋發生銹蝕的風險。曹銀等研究了粉煤灰－礦渣粉混凝土在凍融循環－氯鹽侵蝕－荷載多因素耦合作用下的耐久性能。提出了殘余應變表征混凝土損傷的初步模型;在凍融循環－氯鹽侵蝕－荷載三因素協同作用下，鹽凍循環導致的表面剝蝕仍然是混凝土破壞的主要因素，對于強度較高的混凝土來說表面剝蝕量很小。外部彎拉應力的施加一定程度上加速了鹽凍過程中的表面剝落和內部損傷。

2結論

綜合分析多因素耦合對混凝土性能的影響研究可知，多種因素耦合后都會比單一因素的影響程度大，腐蝕速度快，可以較好地反映實際工程混凝土的腐蝕情況。但是實驗室模擬還是和實際工程環境有一定的差異，一是實驗室多采用快速實驗方法，比如鹽溶液的濃度遠遠大于實際環境中的濃度，另外實際工程的荷載作用狀況更為復雜多變，還有實際環境中常常還伴隨有濕度的變化等等。為了能更好反映實際混凝土工程的現狀，需要就實際環境中混凝土工程，在實際荷載作用下的腐蝕狀況加以觀測，但是這一工作耗時長、工作量巨大，還需要多部門的配合進行。

作者：侯云芬 司武保 單位：北京建筑大學