鄭怡 ，李莉 ，許嘉龍，由世寬，回志峰，邱連強(qiáng)

(1.遼寧省建筑材料科學(xué)研究所，遼寧 沈陽(yáng)，110032；2.大連理工大學(xué) 土木水利學(xué)院，遼寧 大連，116023；3.武漢理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢，430070；4.沈陽(yáng)建筑大學(xué) 材料學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng)，110168)

凍融破壞是建筑材料在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的主要病害之一，并且材料的凍融破壞在東北、華北和西北地區(qū)的工程中占 100%，有些工程已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)嚴(yán)重的程度[1]。因此，開(kāi)展建筑材料凍融損傷機(jī)理研究和力學(xué)性能研究十分必要。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)混凝土在凍融循環(huán)作用下的強(qiáng)度、質(zhì)量損失率以及相對(duì)動(dòng)彈性模量等進(jìn)行了較多的試驗(yàn)研究[2?11]，但是對(duì)于新型墻體材料的凍融損傷模型仍然沒(méi)有建立起完整的理論體系，在實(shí)際工程中受到種種限制而無(wú)法應(yīng)用。通過(guò)對(duì)6種新型墻體材料和燒結(jié)普通磚在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的試驗(yàn)，研究了新型墻體材料的質(zhì)量損失率、強(qiáng)度損失率與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，結(jié)合新型墻體材料凍融損傷失效過(guò)程，建立了新型墻體材料的凍融損傷時(shí)變可靠度計(jì)算模型。結(jié)果表明：以混凝土實(shí)心磚為例，隨著時(shí)間的推移，混凝土實(shí)心磚的凍融循環(huán)時(shí)變可靠指標(biāo)逐漸變小，變化趨勢(shì)呈拋物線型。通過(guò)模型可預(yù)測(cè)新型墻體材料的凍融循環(huán)壽命，為新型墻體材料的凍融損傷計(jì)算提供依據(jù)，為維護(hù)部門提供決策依據(jù)，降低失效風(fēng)險(xiǎn)。本文作者結(jié)合新型墻體材料凍融損傷失效過(guò)程的試驗(yàn)研究，采用簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)模型，描述新型墻體材料的單一因素凍融損傷失效過(guò)程，獲得了新型墻體材料的凍融損傷數(shù)學(xué)模型，在理論上提出凍融損傷速度和凍融損傷加速度的概念，最后探討了新型墻體材料的凍融損傷數(shù)學(xué)模型在耐久性壽命預(yù)測(cè)中的應(yīng)用問(wèn)題。

1 抗凍性試驗(yàn)

墻體材料選用北方普遍采用的混凝土小型空心砌塊、混凝土多孔磚、廢渣混凝土多孔磚、混凝土實(shí)心磚、煤矸石燒結(jié)磚、蒸壓粉煤灰磚和黏土燒結(jié)普通磚?？箖鲂栽囼?yàn)參照GB/T 4111—1997《混凝土小型空心砌塊試驗(yàn)方法》進(jìn)行。取樣品10塊，其中5塊凍融試件浸入10～20 ℃的水池中，水面高出試件20 mm以上，試件間距不小于20 mm，另外5塊試件作對(duì)比。凍融試件在水中浸泡4 d后取出，用濕布拭干內(nèi)外表面，立即稱量飽和面干狀態(tài)下的質(zhì)量，精確至0.05 kg。將5塊凍融試件放入預(yù)先降至?15 ℃的冷庫(kù)中，間距大于20 mm，當(dāng)溫度再次降至?15 ℃時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，冷凍4 h后取出，再置于水溫為10～20 ℃的水中融化2 h。將凍融循環(huán)數(shù)規(guī)定為25，50和75次，達(dá)到規(guī)定循環(huán)數(shù)后，將試件從水中取出，拭干表面后，稱量?jī)龊箫柡兔娓蔂顟B(tài)質(zhì)量，精確至0.05 kg，靜置24 h后，與對(duì)比試樣一起抹面，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。計(jì)算質(zhì)量損失率和強(qiáng)度損失率，精確至0.1%。

2 凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果分析

將6種新型墻體材料和普通燒結(jié)磚在凍融循環(huán)條件下質(zhì)量損失率與循環(huán)數(shù)的關(guān)系以及強(qiáng)度損失率與循環(huán)數(shù)的關(guān)系見(jiàn)圖1和2。

圖1 墻體材料質(zhì)量損失率與凍融循環(huán)數(shù)的關(guān)系Fig.1 Relationships of rate of mass loss of wall materials and number of freeze-thaw cycles

圖2 墻體材料強(qiáng)度損失率與凍融循環(huán)數(shù)的關(guān)系Fig.2 Relationships of rate of strength loss of wall materials and number of freeze-thaw cycles

從圖1可以看出：隨著凍融次數(shù)的增加，普通混凝土砌塊、混凝土實(shí)心磚、煤矸石燒結(jié)磚、混凝土多孔磚的質(zhì)量損失率與普通燒結(jié)磚的質(zhì)量損失率的變化相近，而廢渣混凝土多孔磚和蒸壓粉煤灰磚的質(zhì)量損失率與普通燒結(jié)磚的質(zhì)量損失率相差較大。

從圖2可以看出：隨著凍融次數(shù)的增加，普通混凝土砌塊、混凝土實(shí)心磚、煤矸石燒結(jié)磚、混凝土多孔磚、蒸壓粉煤灰磚的強(qiáng)度損失率與普通燒結(jié)磚的強(qiáng)度損失率的變化相近，而廢渣混凝土多孔磚的強(qiáng)度損失率與普通燒結(jié)磚的強(qiáng)度損失率相差較大。并且，廢渣混凝土多孔磚、混凝土多孔磚、普通混凝土砌塊和混凝土實(shí)心磚的曲線是下拋型，即隨著循環(huán)次數(shù)的增加，強(qiáng)度損失率變化越趨于緩和；煤矸石燒結(jié)磚、蒸壓粉煤灰磚和燒結(jié)普通磚的曲線是上拋型，即隨著循環(huán)數(shù)的增加，強(qiáng)度損失率變化越大[12]。

3 凍融循環(huán)損傷數(shù)學(xué)模型

為了分析新型墻體材料的凍融損傷效應(yīng)，根據(jù)損傷力學(xué)的原理，采用Brown等建議的損傷因子[13]：

式中：Dσ為以強(qiáng)度損失為變量的新型墻體材料損傷變量；Dm為以質(zhì)量損失為變量的新型墻體材料損傷變量；rσ為新型墻體材料的強(qiáng)度損失率；mr為新型墻體材料的質(zhì)量損失率。

通過(guò)對(duì)這些曲線的分析研究，發(fā)現(xiàn)這些曲線主要為拋物線型。本文以凍融實(shí)驗(yàn)結(jié)果為例，采用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型引出新型墻體材料的凍融損傷數(shù)學(xué)模型，來(lái)描述新型墻體材料的凍融損傷規(guī)律?；貧w分析模型可以用一元二次多項(xiàng)式描述新型墻體材料的質(zhì)量損失率mr或強(qiáng)度損失率rσ與凍融循環(huán)數(shù)N之間的拋物線關(guān)系：

式中：a，b，c和d為待定的相關(guān)系數(shù)。

7組墻體材料的凍融損傷數(shù)學(xué)模型中的凍融損傷參數(shù)見(jiàn)表1。從表1中可以得出：SigF＜0.05，表明回歸極顯著。

4 凍融循環(huán)損傷時(shí)變計(jì)算模型

新型墻體材料在使用期內(nèi)，隨著時(shí)間的推移，凍融循環(huán)后的可靠指標(biāo)在逐漸變化，以強(qiáng)度損失率為基本變量，建立新型墻體材料凍融循環(huán)時(shí)變計(jì)算模型為：

式中：σr0為強(qiáng)度損失剩余率，規(guī)范值為 0.8；t為時(shí)間，a；Nt為每年的凍融循環(huán)數(shù)變量。其中，每年的凍融循環(huán)次數(shù)可到氣象部門進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，根據(jù)30 a的凍融循環(huán)數(shù)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，每年的凍融循環(huán)數(shù)的分布類型，以及平均值和變異系數(shù)。在這里，由于缺乏足夠的統(tǒng)計(jì)資料，為便于分析說(shuō)明，假定Nt服從正態(tài)分布，平均值和變異系數(shù)為5和0.1。

因此，由式(5)得到動(dòng)態(tài)可靠指標(biāo)，可表示為：

表1 墻體材料的凍融損傷數(shù)學(xué)模型的參數(shù)Table1 Parameters of freeze-thaw damage mathematical model of walling materials

當(dāng)基本變量不是正態(tài)分布時(shí)，應(yīng)首先將其當(dāng)量正態(tài)化。以混凝土實(shí)心磚為例，

因此，建立混凝土實(shí)心磚凍融循環(huán)時(shí)變可靠度計(jì)算模型：

約束條件：

式中：x1為Nt轉(zhuǎn)換的獨(dú)立正態(tài)隨機(jī)變量；t為時(shí)間，a。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可知：隨著時(shí)間的推移，混凝土實(shí)心磚的凍融循環(huán)時(shí)變可靠指標(biāo)逐漸變小，變化趨勢(shì)呈拋物線型。

圖3 混凝土實(shí)心磚凍融循環(huán)時(shí)變可靠指標(biāo)Fig.3 Time?depending reliability index of concrete solid brick in freeze-thaw cycle

表2所示為既有構(gòu)件鑒定等級(jí)與要求的可靠指標(biāo)關(guān)系。通過(guò)時(shí)變可靠度的計(jì)算，根據(jù)表2可判定在某一時(shí)段內(nèi)，該混凝土實(shí)心磚砌筑的構(gòu)件需要進(jìn)行維護(hù)，該計(jì)算方法可為維護(hù)部門提供決策依據(jù)，降低失效風(fēng)險(xiǎn)。圖3中新型墻體材料在凍融情況下，滿足可靠指標(biāo)的使用壽命遠(yuǎn)低于合理使用年限，作者認(rèn)為實(shí)際中，墻體材料外圍還有相關(guān)保護(hù)層，在實(shí)驗(yàn)中墻體材料沒(méi)有外保溫措施，直接進(jìn)行凍融循環(huán)。

表2 既有構(gòu)件鑒定等級(jí)與要求的可靠指標(biāo)關(guān)系Table2 Relationship of reliability index and appraisal classic of existing member

5 結(jié)論

(1)隨著凍融數(shù)的增加，普通混凝土砌塊、混凝土實(shí)心磚、煤矸石燒結(jié)磚、混凝土多孔磚的質(zhì)量損失率與普通燒結(jié)磚的質(zhì)量損失率的變化相近，而廢渣混凝土多孔磚和蒸壓粉煤灰磚的質(zhì)量損失率與普通燒結(jié)磚的質(zhì)量損失率相差較大。同時(shí)，廢渣混凝土多孔磚、混凝土多孔磚、普通混凝土砌塊和混凝土實(shí)心磚的強(qiáng)度損失曲線是下拋型，即隨著循環(huán)數(shù)的增加，強(qiáng)度損失率變化越趨于緩和；煤矸石燒結(jié)磚、蒸壓粉煤灰磚和燒結(jié)普通磚的曲線是上拋型，即隨著循環(huán)數(shù)的增加，強(qiáng)度損失率變化越大。

(2)結(jié)合新型墻體材料凍融損傷失效過(guò)程，建立了新型墻體材料的凍融損傷時(shí)變可靠度計(jì)算模型，以混凝土實(shí)心磚為例，隨著時(shí)間的推移，混凝土實(shí)心磚的凍融循環(huán)時(shí)變可靠指標(biāo)逐漸變小，變化趨勢(shì)呈拋物線型。通過(guò)模型可預(yù)測(cè)新型墻體材料的凍融循環(huán)壽命，為維護(hù)部門提供決策依據(jù)，降低失效風(fēng)險(xiǎn)。

(3)新型墻體材料在凍融循環(huán)作用下容易出現(xiàn)裂縫開(kāi)裂，特別是在北方嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，可以在新型墻體材料中加入纖維，增強(qiáng)阻裂性能，延緩裂縫的開(kāi)展，可提高新型墻體材料的抗凍融性能。

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