基于Wiener退化的混凝土加速試驗(yàn)?zāi)途眯匝芯?/h1>
2020-12-10 07:22喬宏霞路承功
硅酸鹽通報(bào) 2020年11期
喬宏霞，付 勇，路承功，郭 飛
(1.蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，蘭州 730050；2.蘭州理工大學(xué)，西部土木工程防災(zāi)減災(zāi)教育部工程研究中心,蘭州 730050)
0 引 言
我國(guó)西部鹽漬土面積約占我國(guó)鹽漬土面積的60%[1-2]，鹽漬土中含有大量對(duì)混凝土服役壽命起決定作用的硫酸鹽、氯鹽等腐蝕性離子,酒泉地區(qū)屬于西部典型的鹽漬土地區(qū)[3],且酒泉?dú)夂颦h(huán)境十分惡劣,混凝土結(jié)構(gòu)常年受日照、風(fēng)吹、紫外線輻射、干濕循環(huán)等多重因素影響,以及土壤和地下水中含有較多的腐蝕性離子，這些都對(duì)當(dāng)?shù)鼗炷两Y(jié)構(gòu)的耐久性造成了嚴(yán)重的影響,研究這種環(huán)境下混凝土的劣化機(jī)理和耐久性退化過程對(duì)提高該地區(qū)混凝土服役壽命是很有必要的。
眾多學(xué)者基于不同的退化模型對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)壽命進(jìn)行了研究[4-6]，導(dǎo)致混凝土的劣化因素較多和服役時(shí)所處的環(huán)境差異較大，從而導(dǎo)致混凝土的壽命預(yù)測(cè)模型較多。目前普通混凝土的壽命預(yù)測(cè)模型有氯離子擴(kuò)散模型、碳化模型和凍融循環(huán)模型等。對(duì)于氯離子擴(kuò)散模型，主要基于Fick第二定律[7-8]進(jìn)行研究。如余紅發(fā)等[9]研究了各種不同因素對(duì)混凝土壽命的影響，羅大明等[10]用貝葉斯理論,考慮了不同的因素對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響模型；糜人杰等[11]根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得出了碳化深度預(yù)測(cè)模型；徐亦斌[12]建立了干濕循環(huán)條件下考慮荷載與碳化共同作用的氯離子傳輸模型;屈鋒[13]研究鹽凍損傷對(duì)混凝土耐久性的影響,預(yù)測(cè)鹽凍環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)耐久性使用壽命。
混凝土耐久性方面的研究目前主要集中在干濕、凍融、碳化、氯鹽和硫酸鹽單一因素的作用下，并且以硫酸鈉溶液作為主要的硫酸鹽侵蝕溶液，而基于西部鹽漬土地區(qū)實(shí)際腐蝕環(huán)境方面的研究很少?；谝辉猈iener隨機(jī)過程能夠很好地反映產(chǎn)品性能退化過程，因此被廣泛地應(yīng)用在產(chǎn)品性能退化建模分析中。文獻(xiàn)[14-15]分別將其應(yīng)用在光伏并網(wǎng)逆變器模型辨識(shí)、電子產(chǎn)品的剩余壽命預(yù)測(cè)，然而將一元Wiener退化過程應(yīng)用于混凝土壽命預(yù)測(cè)尚不多見。因此本文從酒泉地區(qū)混凝土服役的實(shí)際侵蝕環(huán)境出發(fā),設(shè)計(jì)了模擬該地區(qū)混凝土構(gòu)筑物在硫酸鹽、氯鹽、輻射等多重因素下的室內(nèi)加速試驗(yàn)，通過試驗(yàn)結(jié)果分析混凝土耐久性退化規(guī)律，利用一元Wiener隨機(jī)過程對(duì)加速試驗(yàn)進(jìn)行可靠性建模分析。
1 實(shí) 驗(yàn)
1.1 原料及儀器
試驗(yàn)所制備試件用到的主要材料有祁連山牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其各項(xiàng)指標(biāo)如表1所示；蘭州地區(qū)粗集料，含水率0.15%,含泥量0.5%；蘭州某公司提供的細(xì)骨料，細(xì)度模數(shù)3.18，含水率3.3%；蘭州二熱廠提供的Ⅱ級(jí)粉煤灰，含水量0.3%，活性指數(shù)81%；西安百盛化工公司提供的羥系減水劑，減水率為18%?；炷猎嚰|(zhì)量通過電子天平測(cè)定，試件超聲聲速通過NM-4A非金屬超聲檢測(cè)分析儀測(cè)定。
表1 P·O 42.5水泥的各項(xiàng)指標(biāo)Table 1 Various indicators of P·O 42.5 cement
1.2 實(shí)驗(yàn)過程
考慮到酒泉地區(qū)具有氣候環(huán)境惡劣、土壤中腐蝕性離子較多等特點(diǎn)，模擬混凝土試件在酒泉地區(qū) 1 d的劣化過程。按表2的配合比制備尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試件，將制備好的試件(A組、B組、C組)全浸泡在復(fù)合鹽溶液中4 d,復(fù)合鹽溶液中各種鹽濃度如表3所示，之后放入硫酸鹽干濕循環(huán)箱中，模擬室外劣化環(huán)境，流程如圖1所示，根據(jù)當(dāng)?shù)? d的日照強(qiáng)度來調(diào)節(jié)鈉燈光照強(qiáng)度，弱光照時(shí)開兩個(gè)60 W鈉燈，強(qiáng)光照時(shí)開四個(gè)60 W鈉燈，每7 d測(cè)試一次試件的質(zhì)量和Z、M、R、L端的超聲聲速,超聲聲速測(cè)點(diǎn)分布如圖2所示，當(dāng)做到14次循環(huán)即98 d時(shí)停止試驗(yàn)。
表2 混凝土配合比Table 2 Mix proportion of concrete
表3 復(fù)合鹽溶液中的各種鹽濃度Table 3 Various salt concentrations in the compound salt solution
圖1 模擬室外劣化環(huán)境Fig.1 Simulated outdoor deterioration environment
圖2 動(dòng)彈性模量測(cè)點(diǎn)分布 Fig.2 Distribution of measuring points of dynamic elastic modulus
ω1=(mr-0.95)/0.05
(1)
(2)
式中：mr表示混凝土試件相對(duì)質(zhì)量；υ0、υt分別為混凝土試件初始超聲聲速和一定循環(huán)時(shí)間下t時(shí)刻的超聲聲速，km/s。每7 d作為一個(gè)循環(huán),一周結(jié)束后,對(duì)試件的質(zhì)量和超聲波聲速進(jìn)行測(cè)試，計(jì)算得到相應(yīng)評(píng)價(jià)參數(shù)ω1和ω2。
2 結(jié)果與討論
2.1 加速試驗(yàn)下混凝土耐久性評(píng)價(jià)指標(biāo)分析
試件在標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)后進(jìn)行第1次質(zhì)量和超聲檢測(cè)，以此為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，7 d為一個(gè)大循環(huán),采集了98 d的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別繪制了3組試件耐久性評(píng)價(jià)變化曲線，如圖3所示。圖中ω2-D、ω2-L分別表示橫向相對(duì)動(dòng)彈性模量評(píng)價(jià)參數(shù)和縱向相對(duì)動(dòng)彈性模量評(píng)價(jià)參數(shù)。
從圖3中可以看到,3組試件初期質(zhì)量和超聲都有所增加，隨著循環(huán)次數(shù)的增加開始慢慢下降。ω1由最初的1.0到14 d達(dá)到峰值，分別增加了10.1%、11.1%、11.0%,質(zhì)量都在14 d達(dá)到最大值,14 d后隨著循環(huán)次數(shù)的增加質(zhì)量開始減少,性能逐漸劣化,究其原因是水泥水化后生成大量的水化鋁酸鈣(C-A-H)和水化硅酸鈣(C-S-H)等物質(zhì)，在干濕循環(huán)交替作用下，復(fù)合鹽溶液中的離子通過混凝土表面的孔隙進(jìn)入混凝土內(nèi)部，和水泥水化產(chǎn)物進(jìn)一步反應(yīng),生成三硫型水化硫鋁酸鈣(AFt)和碳硫硅鈣石填充在混凝土試件骨料之間孔隙中，使得混凝土結(jié)構(gòu)變得更加密實(shí)，從而導(dǎo)致質(zhì)量有所增加，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，反應(yīng)持續(xù)消耗大量的C-S-H和Ca(OH)2，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部堿性下降，破壞了C-S-H凝膠材料存在的穩(wěn)定環(huán)境,迫使其不斷分解的同時(shí)和持續(xù)侵入混凝土內(nèi)部的硫酸根離子反應(yīng)，使得C-S-H凝膠材料嚴(yán)重消耗，導(dǎo)致混凝土粘結(jié)力下降,混凝土表面出現(xiàn)開裂和剝落現(xiàn)象，從而加劇了混凝土的劣化。
3組試件相對(duì)動(dòng)彈性模量評(píng)價(jià)參數(shù)在14 d幾乎都達(dá)到峰值，分別增加了13.9%、14.4%、13.3%，14 d后ω2值小幅度下降，究其原因主要是粉煤灰活性摻合料作為輔助膠凝材料，可以改善凝膠的化學(xué)組成，粉煤灰的二次水化反應(yīng)[16]可改善水泥石之間的界面結(jié)構(gòu)，水化后期Ca(OH)2、粉煤灰和高鈣硅比的C-S-H凝膠發(fā)生二次水化反應(yīng),生成低鈣硅比的C-S-H 凝膠，此凝膠能夠填充那些對(duì)水泥石強(qiáng)度和耐久性極為不利的孔隙空洞,使水泥石的結(jié)構(gòu)更加致密,優(yōu)化水泥石的孔結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致混凝土超聲聲速有所提高,隨著腐蝕產(chǎn)物的增多，部分腐蝕產(chǎn)物吸水后體積膨脹，導(dǎo)致混凝土開裂和剝落,混凝土耐久性逐漸退化。
圖3 混凝土試件耐久性評(píng)價(jià)參數(shù)變化曲線Fig.3 Variation curves of durability evaluation parameters of concrete specimen
在模擬酒泉地區(qū)氣候與腐蝕環(huán)境的室內(nèi)加速試驗(yàn)中，ω1和ω2均可有效表征試件逐漸劣化過程，其相對(duì)動(dòng)彈性模量評(píng)價(jià)參數(shù)比相對(duì)質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)對(duì)于自然環(huán)境因素更敏感，因此以相對(duì)動(dòng)彈性模量作為耐久性評(píng)價(jià)參數(shù)更能反映試件真實(shí)的損傷情況，并且L端的相對(duì)動(dòng)彈性模量更能反映混凝土試件劣化的整體效應(yīng)，因此本文基于L端的相對(duì)動(dòng)彈性模量來研究混凝土的可靠度函數(shù)。
2.2 加速試驗(yàn)下混凝土損傷機(jī)理及微觀分析
為了描述室內(nèi)加速試驗(yàn)下混凝土試件的真實(shí)損傷機(jī)理，在98 d循環(huán)結(jié)束后，對(duì)A組試塊內(nèi)部20 mm處的混凝土進(jìn)行X射線衍射(XRD)和掃描電鏡(SEM)微觀試驗(yàn)分析。圖4、圖5分別為A組試件放大2 000倍、5 000倍的SEM照片，圖6為A組試件的XRD譜。
針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造巖質(zhì)邊坡地震穩(wěn)定性方面的研究仍需進(jìn)一步深入探討。尤其是含軟弱結(jié)構(gòu)面巖質(zhì)邊坡是一種常見的地質(zhì)體，在靜力作用下的受力特征、穩(wěn)定性判識(shí)方法等方面的研究取得了較多的研究成果。但是，地震作用下復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造巖質(zhì)邊坡動(dòng)力響應(yīng)特征、破壞機(jī)制及穩(wěn)定性判別方法還需要進(jìn)一步研究。針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造巖質(zhì)邊坡地震動(dòng)力響應(yīng)特征及其動(dòng)力穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，主要存在如下問題：
圖4 A組試件放大2 000倍SEM照片F(xiàn)ig.4 2 000 times SEM image of group A specimen
圖5 A組試件放大5 000倍SEM照片F(xiàn)ig.5 5 000 times SEM image of group A specimen
圖6 A組試件XRD譜Fig.6 XRD pattern of group A specimen
從XRD譜并結(jié)合SEM照片可以觀察到，A組試塊內(nèi)部20 mm處的混凝土表面附著較多呈層狀、絮狀及薄片狀的物質(zhì)，這些物質(zhì)為C-S-H 凝膠，由于C-S-H凝膠呈無(wú)定型而造成形狀的不同,此凝膠材料在初期有利于改善混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu),使試件耐久性評(píng)價(jià)參數(shù)有一定幅度的增加，后期腐蝕產(chǎn)物增多并且吸水體積膨脹而使試件劣化加快。從XRD譜中未觀察到水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2,表明在劣化過程中Ca(OH)2被嚴(yán)重消耗，使得混凝土內(nèi)部堿性降低,具有粘性的C-S-H凝膠材料被大量反應(yīng)和分解,混凝土內(nèi)部的粘結(jié)力逐漸下降,導(dǎo)致混凝土試件表面出現(xiàn)剝落和開裂現(xiàn)象,加劇了混凝土試件的劣化過程。
3 基于Wiener隨機(jī)過程的退化模型
3.1 一元Wiener退化過程相關(guān)知識(shí)
混凝土的耐久性退化趨勢(shì)為隨機(jī)過程，在本試驗(yàn)中，假設(shè)混凝土的耐久性退化過程可以用一元Wiener退化過程來描述[17]。即：
X(t)=λt+σbB(t)
(3)
式中：λ為漂移系數(shù),表征退化速度；σb為擴(kuò)散系數(shù)；B(t)為標(biāo)準(zhǔn)布朗運(yùn)動(dòng)，表征衰退過程的動(dòng)態(tài)。
設(shè)混凝土試件失效的閾值為l。根據(jù)相關(guān)規(guī)定認(rèn)為，混凝土試件彈性模量損失量達(dá)到40%時(shí)，即認(rèn)為混凝土結(jié)構(gòu)失效，因此本文中評(píng)價(jià)混凝土耐久性退化指標(biāo)的相對(duì)動(dòng)彈性模量達(dá)到0.6時(shí)，即認(rèn)為混凝土試件失效。當(dāng)累計(jì)退化量X(t)首次達(dá)到l時(shí)，認(rèn)為混凝土試件失效，對(duì)應(yīng)的時(shí)間T即為混凝土試件的服役壽命。如式(4)所示。
T=inf{t|X(t)≥l}
(4)
經(jīng)過推導(dǎo)可知，混凝土試件退化量的可靠度函數(shù)R(t)和概率密度函數(shù)f(t)分別為：
(5)
(6)
式中：φ代表標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)。
3.2 一元Wiener建模步驟過程
(1) 一元 Wiener過程的辨識(shí)：首先檢驗(yàn)表征耐久性退化過程的相對(duì)動(dòng)彈性模量是否符合一元Wiener 退化過程；
(2) 根據(jù)極大似然估計(jì)法對(duì)參數(shù)進(jìn)行估計(jì)；
(3) 繪制可靠度曲線和概率密度圖。
3.3 模型建立
如果一元連續(xù)時(shí)間隨機(jī)過程(X(t),t>0)為一元Wiener過程，則需滿足以下性質(zhì)：
(2)[t1,t2],[t3,t4](t1
圖7 相對(duì)動(dòng)彈性模量增量分布圖Fig.7 Incremental distribution of relative dynamic elastic modulus
(3)X(0)=0并且X(t)在t時(shí)刻連續(xù)。
如果B(t)為標(biāo)準(zhǔn)的布朗運(yùn)動(dòng)，則E[B(t)]=0,E[B(t1)B(t2)]=min(t1，t2)。
基于3組C50混凝土試件酒泉地區(qū)自然環(huán)境加速壽命試驗(yàn)，第i個(gè)試件在j時(shí)刻到j(luò)+1時(shí)刻的相對(duì)動(dòng)彈性模量的增量為ΔXij=X(ti(j+1))-X(tij)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計(jì)直方圖對(duì)相對(duì)動(dòng)彈性模量增量進(jìn)行分布檢驗(yàn)[19]，如圖7所示。從圖7可以看出相對(duì)動(dòng)彈性模量的增量服從正態(tài)分布。根據(jù)概率論相關(guān)理論可知，表征混凝土耐久性退化過程的相對(duì)動(dòng)彈性模量滿足一元連續(xù)時(shí)間隨機(jī)過程性質(zhì)，于是可知混凝土耐久性退化過程符合一元Wiener 退化過程。
3.4 參數(shù)估計(jì)
根據(jù)式(6)的概率密度函數(shù),可得到似然函數(shù)為：
(7)
式中：ΔXij表示第i個(gè)試件在j+1時(shí)刻到j(luò)時(shí)刻相對(duì)動(dòng)彈性模量的退化量；Δtij=ti(j+1)-tij。
(8)
(9)
(10)
3.5 可靠性分析
利用 Orgin9.1軟件對(duì)式(9)、(10)進(jìn)行作圖,其結(jié)果如圖8、9 所示。
從圖8可以看出，在模擬酒泉地區(qū)氣候與腐蝕環(huán)境作用下，隨著循環(huán)次數(shù)的增加混凝土試件逐漸劣化，其可靠性也隨時(shí)間變化逐漸下降，當(dāng)可靠度為0.6時(shí)，試件的加速壽命為175 d左右。
圖8 試件可靠度函數(shù)曲線Fig.8 Reliability function curve of specimen
圖9 試件概率密度曲線Fig.9 Probability density curve of specimen
4 結(jié) 論
(1)在設(shè)計(jì)模擬酒泉地區(qū)環(huán)境的室內(nèi)加速試驗(yàn)時(shí)，以相對(duì)動(dòng)彈性模量模評(píng)價(jià)參數(shù)作為耐久性評(píng)價(jià)參數(shù)比相對(duì)質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)更可靠,更能反映真實(shí)的環(huán)境因素。
(2)采用表征混凝土試件退化量的相對(duì)動(dòng)彈性模量作為混凝土耐久性退化指標(biāo)，一元隨機(jī)Wiener退化過程可以很好地對(duì)混凝土進(jìn)行可靠度建模并且進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)，為酒泉當(dāng)?shù)鼗炷恋木S修和加固提供了很好的理論基礎(chǔ)。
(3)利用一元Wiener退化過程建立的室內(nèi)加速試驗(yàn)預(yù)測(cè)模型，得出酒泉地區(qū)混凝土的使用壽命為175 d左右。
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混凝土耐久性方面的研究目前主要集中在干濕、凍融、碳化、氯鹽和硫酸鹽單一因素的作用下，并且以硫酸鈉溶液作為主要的硫酸鹽侵蝕溶液，而基于西部鹽漬土地區(qū)實(shí)際腐蝕環(huán)境方面的研究很少?；谝辉猈iener隨機(jī)過程能夠很好地反映產(chǎn)品性能退化過程，因此被廣泛地應(yīng)用在產(chǎn)品性能退化建模分析中。文獻(xiàn)[14-15]分別將其應(yīng)用在光伏并網(wǎng)逆變器模型辨識(shí)、電子產(chǎn)品的剩余壽命預(yù)測(cè)，然而將一元Wiener退化過程應(yīng)用于混凝土壽命預(yù)測(cè)尚不多見。因此本文從酒泉地區(qū)混凝土服役的實(shí)際侵蝕環(huán)境出發(fā),設(shè)計(jì)了模擬該地區(qū)混凝土構(gòu)筑物在硫酸鹽、氯鹽、輻射等多重因素下的室內(nèi)加速試驗(yàn)，通過試驗(yàn)結(jié)果分析混凝土耐久性退化規(guī)律，利用一元Wiener隨機(jī)過程對(duì)加速試驗(yàn)進(jìn)行可靠性建模分析。
1 實(shí) 驗(yàn)
1.1 原料及儀器
試驗(yàn)所制備試件用到的主要材料有祁連山牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其各項(xiàng)指標(biāo)如表1所示；蘭州地區(qū)粗集料，含水率0.15%,含泥量0.5%；蘭州某公司提供的細(xì)骨料，細(xì)度模數(shù)3.18，含水率3.3%；蘭州二熱廠提供的Ⅱ級(jí)粉煤灰，含水量0.3%，活性指數(shù)81%；西安百盛化工公司提供的羥系減水劑，減水率為18%?；炷猎嚰|(zhì)量通過電子天平測(cè)定，試件超聲聲速通過NM-4A非金屬超聲檢測(cè)分析儀測(cè)定。
表1 P·O 42.5水泥的各項(xiàng)指標(biāo)Table 1 Various indicators of P·O 42.5 cement
1.2 實(shí)驗(yàn)過程
考慮到酒泉地區(qū)具有氣候環(huán)境惡劣、土壤中腐蝕性離子較多等特點(diǎn)，模擬混凝土試件在酒泉地區(qū) 1 d的劣化過程。按表2的配合比制備尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試件，將制備好的試件(A組、B組、C組)全浸泡在復(fù)合鹽溶液中4 d,復(fù)合鹽溶液中各種鹽濃度如表3所示，之后放入硫酸鹽干濕循環(huán)箱中，模擬室外劣化環(huán)境，流程如圖1所示，根據(jù)當(dāng)?shù)? d的日照強(qiáng)度來調(diào)節(jié)鈉燈光照強(qiáng)度，弱光照時(shí)開兩個(gè)60 W鈉燈，強(qiáng)光照時(shí)開四個(gè)60 W鈉燈，每7 d測(cè)試一次試件的質(zhì)量和Z、M、R、L端的超聲聲速,超聲聲速測(cè)點(diǎn)分布如圖2所示，當(dāng)做到14次循環(huán)即98 d時(shí)停止試驗(yàn)。
表2 混凝土配合比Table 2 Mix proportion of concrete
表3 復(fù)合鹽溶液中的各種鹽濃度Table 3 Various salt concentrations in the compound salt solution
圖1 模擬室外劣化環(huán)境Fig.1 Simulated outdoor deterioration environment
圖2 動(dòng)彈性模量測(cè)點(diǎn)分布 Fig.2 Distribution of measuring points of dynamic elastic modulus
ω1=(mr-0.95)/0.05
(1)
(2)
式中：mr表示混凝土試件相對(duì)質(zhì)量；υ0、υt分別為混凝土試件初始超聲聲速和一定循環(huán)時(shí)間下t時(shí)刻的超聲聲速，km/s。每7 d作為一個(gè)循環(huán),一周結(jié)束后,對(duì)試件的質(zhì)量和超聲波聲速進(jìn)行測(cè)試，計(jì)算得到相應(yīng)評(píng)價(jià)參數(shù)ω1和ω2。
2 結(jié)果與討論
2.1 加速試驗(yàn)下混凝土耐久性評(píng)價(jià)指標(biāo)分析
試件在標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)后進(jìn)行第1次質(zhì)量和超聲檢測(cè)，以此為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，7 d為一個(gè)大循環(huán),采集了98 d的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別繪制了3組試件耐久性評(píng)價(jià)變化曲線，如圖3所示。圖中ω2-D、ω2-L分別表示橫向相對(duì)動(dòng)彈性模量評(píng)價(jià)參數(shù)和縱向相對(duì)動(dòng)彈性模量評(píng)價(jià)參數(shù)。
從圖3中可以看到,3組試件初期質(zhì)量和超聲都有所增加，隨著循環(huán)次數(shù)的增加開始慢慢下降。ω1由最初的1.0到14 d達(dá)到峰值，分別增加了10.1%、11.1%、11.0%,質(zhì)量都在14 d達(dá)到最大值,14 d后隨著循環(huán)次數(shù)的增加質(zhì)量開始減少,性能逐漸劣化,究其原因是水泥水化后生成大量的水化鋁酸鈣(C-A-H)和水化硅酸鈣(C-S-H)等物質(zhì)，在干濕循環(huán)交替作用下，復(fù)合鹽溶液中的離子通過混凝土表面的孔隙進(jìn)入混凝土內(nèi)部，和水泥水化產(chǎn)物進(jìn)一步反應(yīng),生成三硫型水化硫鋁酸鈣(AFt)和碳硫硅鈣石填充在混凝土試件骨料之間孔隙中，使得混凝土結(jié)構(gòu)變得更加密實(shí)，從而導(dǎo)致質(zhì)量有所增加，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，反應(yīng)持續(xù)消耗大量的C-S-H和Ca(OH)2，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部堿性下降，破壞了C-S-H凝膠材料存在的穩(wěn)定環(huán)境,迫使其不斷分解的同時(shí)和持續(xù)侵入混凝土內(nèi)部的硫酸根離子反應(yīng)，使得C-S-H凝膠材料嚴(yán)重消耗，導(dǎo)致混凝土粘結(jié)力下降,混凝土表面出現(xiàn)開裂和剝落現(xiàn)象，從而加劇了混凝土的劣化。
3組試件相對(duì)動(dòng)彈性模量評(píng)價(jià)參數(shù)在14 d幾乎都達(dá)到峰值，分別增加了13.9%、14.4%、13.3%，14 d后ω2值小幅度下降，究其原因主要是粉煤灰活性摻合料作為輔助膠凝材料，可以改善凝膠的化學(xué)組成，粉煤灰的二次水化反應(yīng)[16]可改善水泥石之間的界面結(jié)構(gòu)，水化后期Ca(OH)2、粉煤灰和高鈣硅比的C-S-H凝膠發(fā)生二次水化反應(yīng),生成低鈣硅比的C-S-H 凝膠，此凝膠能夠填充那些對(duì)水泥石強(qiáng)度和耐久性極為不利的孔隙空洞,使水泥石的結(jié)構(gòu)更加致密,優(yōu)化水泥石的孔結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致混凝土超聲聲速有所提高,隨著腐蝕產(chǎn)物的增多，部分腐蝕產(chǎn)物吸水后體積膨脹，導(dǎo)致混凝土開裂和剝落,混凝土耐久性逐漸退化。
圖3 混凝土試件耐久性評(píng)價(jià)參數(shù)變化曲線Fig.3 Variation curves of durability evaluation parameters of concrete specimen
在模擬酒泉地區(qū)氣候與腐蝕環(huán)境的室內(nèi)加速試驗(yàn)中，ω1和ω2均可有效表征試件逐漸劣化過程，其相對(duì)動(dòng)彈性模量評(píng)價(jià)參數(shù)比相對(duì)質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)對(duì)于自然環(huán)境因素更敏感，因此以相對(duì)動(dòng)彈性模量作為耐久性評(píng)價(jià)參數(shù)更能反映試件真實(shí)的損傷情況，并且L端的相對(duì)動(dòng)彈性模量更能反映混凝土試件劣化的整體效應(yīng)，因此本文基于L端的相對(duì)動(dòng)彈性模量來研究混凝土的可靠度函數(shù)。
2.2 加速試驗(yàn)下混凝土損傷機(jī)理及微觀分析
為了描述室內(nèi)加速試驗(yàn)下混凝土試件的真實(shí)損傷機(jī)理，在98 d循環(huán)結(jié)束后，對(duì)A組試塊內(nèi)部20 mm處的混凝土進(jìn)行X射線衍射(XRD)和掃描電鏡(SEM)微觀試驗(yàn)分析。圖4、圖5分別為A組試件放大2 000倍、5 000倍的SEM照片，圖6為A組試件的XRD譜。
針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造巖質(zhì)邊坡地震穩(wěn)定性方面的研究仍需進(jìn)一步深入探討。尤其是含軟弱結(jié)構(gòu)面巖質(zhì)邊坡是一種常見的地質(zhì)體，在靜力作用下的受力特征、穩(wěn)定性判識(shí)方法等方面的研究取得了較多的研究成果。但是，地震作用下復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造巖質(zhì)邊坡動(dòng)力響應(yīng)特征、破壞機(jī)制及穩(wěn)定性判別方法還需要進(jìn)一步研究。針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造巖質(zhì)邊坡地震動(dòng)力響應(yīng)特征及其動(dòng)力穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，主要存在如下問題：
圖4 A組試件放大2 000倍SEM照片F(xiàn)ig.4 2 000 times SEM image of group A specimen
圖5 A組試件放大5 000倍SEM照片F(xiàn)ig.5 5 000 times SEM image of group A specimen
圖6 A組試件XRD譜Fig.6 XRD pattern of group A specimen
從XRD譜并結(jié)合SEM照片可以觀察到，A組試塊內(nèi)部20 mm處的混凝土表面附著較多呈層狀、絮狀及薄片狀的物質(zhì)，這些物質(zhì)為C-S-H 凝膠，由于C-S-H凝膠呈無(wú)定型而造成形狀的不同,此凝膠材料在初期有利于改善混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu),使試件耐久性評(píng)價(jià)參數(shù)有一定幅度的增加，后期腐蝕產(chǎn)物增多并且吸水體積膨脹而使試件劣化加快。從XRD譜中未觀察到水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2,表明在劣化過程中Ca(OH)2被嚴(yán)重消耗，使得混凝土內(nèi)部堿性降低,具有粘性的C-S-H凝膠材料被大量反應(yīng)和分解,混凝土內(nèi)部的粘結(jié)力逐漸下降,導(dǎo)致混凝土試件表面出現(xiàn)剝落和開裂現(xiàn)象,加劇了混凝土試件的劣化過程。
3 基于Wiener隨機(jī)過程的退化模型
3.1 一元Wiener退化過程相關(guān)知識(shí)
混凝土的耐久性退化趨勢(shì)為隨機(jī)過程，在本試驗(yàn)中，假設(shè)混凝土的耐久性退化過程可以用一元Wiener退化過程來描述[17]。即：
X(t)=λt+σbB(t)
(3)
式中：λ為漂移系數(shù),表征退化速度；σb為擴(kuò)散系數(shù)；B(t)為標(biāo)準(zhǔn)布朗運(yùn)動(dòng)，表征衰退過程的動(dòng)態(tài)。
設(shè)混凝土試件失效的閾值為l。根據(jù)相關(guān)規(guī)定認(rèn)為，混凝土試件彈性模量損失量達(dá)到40%時(shí)，即認(rèn)為混凝土結(jié)構(gòu)失效，因此本文中評(píng)價(jià)混凝土耐久性退化指標(biāo)的相對(duì)動(dòng)彈性模量達(dá)到0.6時(shí)，即認(rèn)為混凝土試件失效。當(dāng)累計(jì)退化量X(t)首次達(dá)到l時(shí)，認(rèn)為混凝土試件失效，對(duì)應(yīng)的時(shí)間T即為混凝土試件的服役壽命。如式(4)所示。
T=inf{t|X(t)≥l}
(4)
經(jīng)過推導(dǎo)可知，混凝土試件退化量的可靠度函數(shù)R(t)和概率密度函數(shù)f(t)分別為：
(5)
(6)
式中：φ代表標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)。
3.2 一元Wiener建模步驟過程
(1) 一元 Wiener過程的辨識(shí)：首先檢驗(yàn)表征耐久性退化過程的相對(duì)動(dòng)彈性模量是否符合一元Wiener 退化過程；
(2) 根據(jù)極大似然估計(jì)法對(duì)參數(shù)進(jìn)行估計(jì)；
(3) 繪制可靠度曲線和概率密度圖。
3.3 模型建立
如果一元連續(xù)時(shí)間隨機(jī)過程(X(t),t>0)為一元Wiener過程，則需滿足以下性質(zhì)：
(2)[t1,t2],[t3,t4](t1 圖7 相對(duì)動(dòng)彈性模量增量分布圖Fig.7 Incremental distribution of relative dynamic elastic modulus (3)X(0)=0并且X(t)在t時(shí)刻連續(xù)。 如果B(t)為標(biāo)準(zhǔn)的布朗運(yùn)動(dòng)，則E[B(t)]=0,E[B(t1)B(t2)]=min(t1，t2)。 基于3組C50混凝土試件酒泉地區(qū)自然環(huán)境加速壽命試驗(yàn)，第i個(gè)試件在j時(shí)刻到j(luò)+1時(shí)刻的相對(duì)動(dòng)彈性模量的增量為ΔXij=X(ti(j+1))-X(tij)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計(jì)直方圖對(duì)相對(duì)動(dòng)彈性模量增量進(jìn)行分布檢驗(yàn)[19]，如圖7所示。從圖7可以看出相對(duì)動(dòng)彈性模量的增量服從正態(tài)分布。根據(jù)概率論相關(guān)理論可知，表征混凝土耐久性退化過程的相對(duì)動(dòng)彈性模量滿足一元連續(xù)時(shí)間隨機(jī)過程性質(zhì)，于是可知混凝土耐久性退化過程符合一元Wiener 退化過程。 根據(jù)式(6)的概率密度函數(shù),可得到似然函數(shù)為： (7) 式中：ΔXij表示第i個(gè)試件在j+1時(shí)刻到j(luò)時(shí)刻相對(duì)動(dòng)彈性模量的退化量；Δtij=ti(j+1)-tij。 (8) (9) (10) 利用 Orgin9.1軟件對(duì)式(9)、(10)進(jìn)行作圖,其結(jié)果如圖8、9 所示。 從圖8可以看出，在模擬酒泉地區(qū)氣候與腐蝕環(huán)境作用下，隨著循環(huán)次數(shù)的增加混凝土試件逐漸劣化，其可靠性也隨時(shí)間變化逐漸下降，當(dāng)可靠度為0.6時(shí)，試件的加速壽命為175 d左右。 圖8 試件可靠度函數(shù)曲線Fig.8 Reliability function curve of specimen 圖9 試件概率密度曲線Fig.9 Probability density curve of specimen (1)在設(shè)計(jì)模擬酒泉地區(qū)環(huán)境的室內(nèi)加速試驗(yàn)時(shí)，以相對(duì)動(dòng)彈性模量模評(píng)價(jià)參數(shù)作為耐久性評(píng)價(jià)參數(shù)比相對(duì)質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)更可靠,更能反映真實(shí)的環(huán)境因素。 (2)采用表征混凝土試件退化量的相對(duì)動(dòng)彈性模量作為混凝土耐久性退化指標(biāo)，一元隨機(jī)Wiener退化過程可以很好地對(duì)混凝土進(jìn)行可靠度建模并且進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)，為酒泉當(dāng)?shù)鼗炷恋木S修和加固提供了很好的理論基礎(chǔ)。 (3)利用一元Wiener退化過程建立的室內(nèi)加速試驗(yàn)預(yù)測(cè)模型，得出酒泉地區(qū)混凝土的使用壽命為175 d左右。3.4 參數(shù)估計(jì)
3.5 可靠性分析
4 結(jié) 論
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