馬寶富

(中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100088)

我國是僅次于歐洲和北美的世界第三大酸雨地區(qū)[1]，中部和西南部等酸雨重災(zāi)區(qū)的大量建筑長期遭受嚴(yán)重酸腐蝕。據(jù)估計，僅1999年我國由酸雨造成的直接經(jīng)濟損失達(dá)30億元[2]。從室內(nèi)試驗和現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果[3]可以看出，酸雨侵蝕下混凝土將發(fā)生物理和化學(xué)反應(yīng)，其表面出現(xiàn)孔洞、酥化、開裂和剝落等現(xiàn)象，極大地削減了混凝土抗壓強度，且隨服役期增長上述劣化程度日益加重，導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)存在嚴(yán)重安全隱患。因此，研究酸雨對混凝土抗壓強度經(jīng)時變化規(guī)律十分必要和迫切。目前，國內(nèi)外學(xué)者已陸續(xù)開展了酸雨損傷混凝土機理和對其外觀、質(zhì)量和強度等影響的研究工作，并取得一定成果。如，F(xiàn)an[4,5]等對酸雨環(huán)境下混凝土的抗壓強度、質(zhì)量損失和彈性模量進(jìn)行了試驗研究，定義并計算了相應(yīng)的損傷指標(biāo)。張英姿[6,7]通過一系列試驗，揭示了酸雨侵蝕下混凝土抗壓、抗拉、抗折性能和彈性模量等的劣化趨勢。孫鑫鵬[8]采用周期浸泡法和噴淋法模擬廣東地區(qū)酸雨環(huán)境，考慮礦物摻合料和摻合量的影響，研究C50高強混凝土在酸雨侵蝕條件下力學(xué)性能的衰變規(guī)律。

從上述研究可以看出，目前研究大多基于試驗室模擬結(jié)果，與實際情況符合程度有待驗證，且關(guān)于該環(huán)境下混凝土強度退化程度隨服役期變化規(guī)律研究鮮見報道，因而難以對酸雨侵蝕下混凝土經(jīng)時抗壓強度進(jìn)行預(yù)測。鑒于此，該文從工程實測出發(fā)，對酸雨侵蝕地區(qū)不同服役期下的混凝土建筑進(jìn)行抽樣調(diào)查，并建立該環(huán)境下混凝土抗壓強度經(jīng)時預(yù)測模型，從而為酸雨侵蝕下混凝土結(jié)構(gòu)安全評估提供技術(shù)支撐。

1 檢測方案

1.1 檢測方法

檢測技術(shù)中，回彈法操作簡便，對結(jié)構(gòu)或構(gòu)件無損傷，可在檢測中廣泛應(yīng)用，但測量結(jié)果誤差較大。鉆芯法相比回彈法的測量結(jié)果可信度高，但會對結(jié)構(gòu)構(gòu)件造成一定的損傷。鉆芯修正回彈法是對鉆芯法和回彈法優(yōu)勢的整合，可方便快捷地對工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行非破損全面普查，并局部核實修正，節(jié)約大量檢測費用和時間，從整體上提高了混凝土強度檢測精度。鑒于此，該文實地檢測中采用鉆芯修正回彈法檢測混凝土抗壓強度。此次檢測所涉及的主要儀器和試劑分別為：回彈儀(HT225)、混凝土取芯機(HZ-110)、沖擊鉆(TSB5500)、橡皮吹和數(shù)顯碳化測量尺(JW-STH型，測量精度為0.01 mm)，濃度為1%～2%的酚酞酒精溶液。

根據(jù)JGJ/T 23—2011《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術(shù)規(guī)程》[9]第4.1.3條要求，檢測按批量檢測進(jìn)行。根據(jù)檢測條件，在每個區(qū)域內(nèi)隨機抽取一定數(shù)量的梁、柱構(gòu)件進(jìn)行混凝土抗壓強度檢測，所選取構(gòu)件應(yīng)具有代表性，且在結(jié)構(gòu)空間上盡量均勻分布，且同批次數(shù)量不少于GB/T 50344—2004《建筑結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[10]第3.3.13條所規(guī)定的最小樣本容量。所涉及的具體檢測項目和抽樣方案如下：

1)回彈法測試：在所抽選梁、柱構(gòu)件上布置若干測區(qū)，每個測區(qū)用粉筆劃分為4×4的網(wǎng)格(間距50 mm×50 mm)。現(xiàn)場回彈檢測如圖1所示。

2)碳化深度測定：按照J(rèn)GJ/T 23—2011第4.3.1條要求，回彈值測量完畢后，在有代表性的測區(qū)上測量碳化深度值，測點數(shù)取構(gòu)件測區(qū)數(shù)的30%，取其平均值作為該構(gòu)件每個測區(qū)的碳化深度值。

3)鉆芯法測試：根據(jù)JGJ/T 23—2011第4.1.6條要求，在回彈法選取的構(gòu)件測區(qū)中，同一強度等級或標(biāo)號的構(gòu)件共鉆取6個芯樣，并加工成直徑為100 mm、高徑比為1的圓柱體芯樣，于實驗室中進(jìn)行抗壓試驗?；炷零@芯試件的抗壓強度計算公式如式(1)所示。

(1)

式中，fcor,i為芯樣試件混凝土強度換算值，精確至0.1 MPa；F為試件破壞極限荷載；d為芯樣直徑(mm)；α為不同高徑比的芯樣試件混凝土強度換算系數(shù)，由于高徑比為1，α取為1?，F(xiàn)場所取芯樣如圖2所示。

1.2 混凝土抗壓強度計算方法

為便于后期數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，先計算出每個檢測批內(nèi)所有測區(qū)混凝土抗壓強度平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，計算步驟如下：

1)計算每一個測區(qū)的混凝土回彈強度：剔除3個最大值和3個最小值，對余下的10個求平均值，作為該測區(qū)混凝土回彈強度。

2)進(jìn)行角度修正。

3)進(jìn)行澆注面修正。

4)根據(jù)JGJT23—2011附錄A，進(jìn)行碳化深度修正，得出測區(qū)強度換算值。

5)通過樣本修正系數(shù)法對混凝土強度換算值進(jìn)行鉆芯修正，修正方法如式(2)～式(3)所示。

(2)

(3)

6)按式(4)和式(5)計算檢測批所有測區(qū)的強度平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

(4)

(5)

2 工程實測

對我國遭受嚴(yán)重酸雨侵蝕的西南地區(qū)30棟在役RC結(jié)構(gòu)或磚混結(jié)構(gòu)內(nèi)鋼筋混凝土構(gòu)件(服役期為10年到60年)，采用文中第1節(jié)所述方法檢測其混凝土抗壓強度。為便于分析混凝土抗壓強度經(jīng)時變化規(guī)律，將混凝土強度進(jìn)行歸一化處理，即將各測區(qū)混凝土實測抗壓強度與其初始抗壓強度的比值作為新的研究參數(shù)，以下稱為相對抗壓強度，相對抗壓強度計算公式如式(6)所示。歸一化處理后混凝土相對抗壓強度變化范圍為0.80～1.42，標(biāo)準(zhǔn)差為0.081。

(6)

3 數(shù)據(jù)處理與分析

3.1 鉆芯修正系數(shù)與服役期的關(guān)系模型

表1為根據(jù)式(2)計算得到的不同服役期建筑的混凝土強度鉆芯修正系數(shù)，可以看出：鉆芯修正系數(shù)均大于1，即通過鉆芯測得的混凝土抗壓強度較回彈法測得的混凝土抗壓強度大，分析其原因為，回彈法是基于混凝土表面硬度測得其抗壓強度，一定年限后，混凝土表面開始風(fēng)化剝蝕、酥化和開裂，其表面硬度降低，而內(nèi)部混凝土所受影響較小，從而導(dǎo)致回彈強度較鉆芯強度低。

基于表1作出鉆芯修正系數(shù)與服役期的關(guān)系散點圖，如圖3所示。可以發(fā)現(xiàn)，隨服役期的增長，鉆芯修正系數(shù)近似呈線性增大，即回彈強度較混凝土鉆芯強度的誤差逐漸變大，服役51年后，該誤差達(dá)28%。故工程實踐中，對于服役期較長的建筑應(yīng)避免單一采用回彈法測混凝土抗壓強度，否則精度將無法保證。

表1 不同服役期下混凝土強度鉆芯修正系數(shù)

根據(jù)上述定性分析，選用線性模型對鉆芯修正系數(shù)與服役期的關(guān)系進(jìn)行回歸分析，結(jié)果見式(7)，其相關(guān)系數(shù)為0.65。為了驗證所得模型的適用性，采用該模型對未納入擬合模型的部分鉆芯數(shù)據(jù)進(jìn)行計算并對比分析，并按式(8)計算理論值相對實測值的誤差，對比結(jié)果見表2。

ζ(t)=0.004 22t+0.992,R2=0.65

(7)

(8)

式中，ε為相對誤差的絕對值；ζ為鉆芯修正系數(shù)實測值；ζ′為鉆芯修正系數(shù)理論值。

表2 鉆芯修正系數(shù)與服役期關(guān)系模型誤差

從表2可以看出，鉆芯修正系數(shù)理論值與實測值較為接近，最大誤差為19.5%，平均誤差為13.8%，說明本研究建立的鉆芯修正系數(shù)預(yù)測模型具有一定的適用性，可用于工程實際中對不同服役期建筑混凝土抗壓強度鉆芯修正系數(shù)的快速計算，以修正回彈結(jié)果。

3.2 混凝土抗壓強度經(jīng)時預(yù)測模型

檢測樣本統(tǒng)計信息為每個測區(qū)混凝土相對抗壓強度，將樣本以1年為單位歸并，得到一系列子樣本。根據(jù)文獻(xiàn)[11]的研究，在役建筑混凝土強度服從正態(tài)分布，且其平均值和標(biāo)準(zhǔn)差是結(jié)構(gòu)服役時間的函數(shù)。通過對本研究中子樣本進(jìn)行假設(shè)檢驗可證明其均服從正態(tài)分布，因此研究混凝土強度的經(jīng)時退化規(guī)律就是研究其平均值和標(biāo)準(zhǔn)差隨服役期的變化規(guī)律。

按服役期將所有測區(qū)以1年為單位進(jìn)行歸并，可得17個子樣本，子樣本容量分布情況見圖4，對新得子樣本進(jìn)行假設(shè)檢驗可證明每個子樣本服從正態(tài)分布，其相應(yīng)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差見表3。繪制子樣本混凝土相對抗壓強度的均值和標(biāo)準(zhǔn)差與服役期的關(guān)系折線圖，如圖5所示。通過折線圖可以發(fā)現(xiàn)，混凝土相對抗壓強度均值在一定年限內(nèi)呈現(xiàn)增長趨勢，隨后開始下降，分析其原因為：混凝土初期水化作用產(chǎn)生的水泥凝膠體填充了內(nèi)部毛細(xì)孔，增大了混凝土密實度，且碳化初期混凝土強度有一定提高；服役一定年限以后，混凝土在侵蝕介質(zhì)作用下變酥、開裂、出現(xiàn)孔洞，劣化作用占主導(dǎo)地位，隨服役期增長，劣化作用累加，混凝土抗壓強度開始呈降低趨勢。相對抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)差隨服役期的增長呈現(xiàn)增大的趨勢，表明在服役一定時間后，強度離散性逐漸變大。

表3 以1年為單位歸并后子樣本容量、均值和標(biāo)準(zhǔn)差

根據(jù)定性分析結(jié)果和折線圖趨勢，選擇如式(9)～式(11)所示3種模型對圖6中均值散點數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)擬合。

μ1(t)=at2+bt+c

(9)

μ2(t)=ae-b(ln t-c)2

(10)

μ3(t)=(a+bt)e-c(t-d)

(11)

式中，t為服役期；μ(t)為某一服役期下的混凝土相對抗壓強度均值；a、b、c為擬合參數(shù)。

通過對比分析擬合結(jié)果，3種模型中二次函數(shù)模型擬合度最好，其相關(guān)系數(shù)為0.58，表明所得模型可用于預(yù)測酸雨侵蝕環(huán)境下混凝土相對抗壓強度經(jīng)時變化規(guī)律，預(yù)測模型如式(12)所示。可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)t=0時，相對抗壓強度近似為1，與實際相符，表明所建立的模型準(zhǔn)確性較好。

μ(t)=-2.44×10-4t2+1.21×10-2t+1.02

(12)

4 結(jié) 論

該文采用鉆芯修正回彈法，首次對酸雨侵蝕環(huán)境下不同服役期建筑進(jìn)行了混凝土抗壓強度的工程實測，基于參數(shù)分析，建立了該環(huán)境下混凝土抗壓強度經(jīng)時預(yù)測模型。

a.隨服役期的增長，回彈強度較混凝土鉆芯強度的誤差逐漸變大，故實際工程中對于服役期較長的建筑應(yīng)避免單一采用回彈法。

b.隨服役期的增長，遭受酸雨侵蝕后混凝土抗壓強度呈先增大后減小的趨勢，而強度離散性逐漸變大。

c.基于實測數(shù)據(jù)建立了酸雨侵蝕下混凝土抗壓強度經(jīng)時預(yù)測模型，具有一定的準(zhǔn)確性和適用性，可用于不同服役期下混凝土抗壓強度快速評估。