李 鵬 飛,劉 微,蔣 正 施

(1.重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院,重慶 400074; 2.重慶市永川區(qū)水利局,重慶 402160; 3.中鐵長(zhǎng)江交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 規(guī)劃研究院,重慶 400074)

0 引 言

堿-硅酸反應(yīng)(Alkali-Silica Reaction,ASR)是影響混凝土耐久性能的最重要因素之一[1-2]。由于ASR所引起的混凝土開裂和破壞始于混凝土內(nèi)部,加固和修補(bǔ)的工程難度高、耗資大,因此ASR在國(guó)際上也被稱作為混凝土的“癌癥”[3-5]。

ASR具體表現(xiàn)為水泥砂漿中的堿溶液與骨料中的活性二氧化硅發(fā)生化學(xué)反應(yīng),在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生凝膠物質(zhì),凝膠吸水膨脹,從而導(dǎo)致混凝土開裂[6-7]。與素混凝土不同,對(duì)帶ASR損傷的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(Reinforced Concrete structure,RC)其膨脹特性的分析,需要綜合考慮鋼筋對(duì)ASR損傷的演化機(jī)制,以及對(duì)混凝土開裂后力學(xué)性能的影響[8-9]。在實(shí)際工程中,由于骨料中反應(yīng)性物質(zhì)分布不均勻,再加上各部位受雨水影響的差異,構(gòu)件所處位置等因素導(dǎo)致的內(nèi)外約束的不同等,結(jié)構(gòu)的ASR損傷會(huì)呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)、非均勻的特征。此外,有學(xué)者研究指出[10],ASR產(chǎn)物的影響存在尺寸效應(yīng),基于標(biāo)準(zhǔn)試件試驗(yàn)得到的結(jié)果難以對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估,需要進(jìn)一步在結(jié)構(gòu)尺度下針對(duì)ASR產(chǎn)物的膨脹與混凝土劣化之間的機(jī)理進(jìn)行分析。因此,本文以RC梁為研究對(duì)象,采用試驗(yàn)研究與機(jī)理分析相結(jié)合的方法,闡明RC梁在非均勻ASR損傷下的膨脹特征,并揭示非均勻ASR損傷作用下鋼筋的約束機(jī)制。

1 材料準(zhǔn)備及試驗(yàn)方案

1.1 材 料

試驗(yàn)所用水泥為普通硅酸鹽水泥(P·O 42.5),粗骨料的粒徑為5～20 mm,細(xì)骨料的細(xì)度模數(shù)為2.4,并在正式試驗(yàn)前,按照SL352-2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中骨料堿活性檢驗(yàn)方法(快速砂漿棒法),對(duì)河砂和粗骨料進(jìn)行骨料堿活性檢測(cè)。結(jié)果表明,河砂和粗骨料砂漿棒試件14 d膨脹率均大于0.2%且誤差小于15%。依據(jù)相關(guān)要求,可認(rèn)為本次試驗(yàn)所采用的材料為具有潛在危害性的活性骨料。試驗(yàn)測(cè)得28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后的標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度為49.57 MPa。混凝土配合比如表1所列。所用鋼筋型號(hào)為HRB400,其極限強(qiáng)度600 MPa,屈服強(qiáng)度400 MPa,鋼筋直徑14 mm。

表1 混凝土配合比

1.2 試 件

如圖1所示,試驗(yàn)梁尺寸為200 mm×200 mm×1 600 mm。并沿梁長(zhǎng)度方向,布置有兩根直徑為14 mm的鋼筋。本次試驗(yàn)測(cè)量了Bx-1(0)、Bx-2(25 mm)、Bx-3(75 mm)、Bx-4(125 mm)、Bx-5(175 mm)和Bx-6(200 mm)測(cè)點(diǎn)在34個(gè)月內(nèi)的長(zhǎng)度變化,測(cè)點(diǎn)間的初始距離為l0。試驗(yàn)過程中,以一個(gè)月為測(cè)量周期,采用滄州中碩儀器設(shè)備有限公司開發(fā)的YB-15型手持式應(yīng)變儀測(cè)量各測(cè)點(diǎn)間距離lt,利用公式(1)計(jì)算得到各測(cè)點(diǎn)膨脹率。

圖1 混凝土梁膨脹測(cè)量示意(尺寸單位:mm)

(1)

式中:εt是梁在t月的膨脹率;l0是測(cè)量點(diǎn)間的初始距離,mm;lt是浸泡時(shí)間為t月時(shí)測(cè)量點(diǎn)之間距離,mm。

1.3 ASR試驗(yàn)

澆筑、脫模并養(yǎng)護(hù)28 d后,將所有梁置于含有2.8 mol/L NaOH溶液的試驗(yàn)箱中,以加速ASR試驗(yàn)。如圖2所示,為了模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)中不同的內(nèi)外部條件,本次研究選擇了4種不同的浸泡方式:1號(hào)梁(B1)和2號(hào)梁(B2)浸泡深度為50 mm,3號(hào)梁(B3)和4號(hào)梁(B4)浸泡深度為100 mm。B1和B3的浸沒部位為受拉區(qū),B2和B4的浸泡部位為受壓區(qū)。每根梁的浸泡周期為34個(gè)月,圖示中灰色的區(qū)域表示浸入NaOH溶液中,白色的區(qū)域表示置于空氣中。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 膨脹率監(jiān)測(cè)結(jié)果

2.1.1膨脹率-時(shí)間分布特征

膨脹率和加速ASR時(shí)間之間的關(guān)系如圖3所示。對(duì)于所有梁,其膨脹率曲線按照增長(zhǎng)速率大致可分為3個(gè)階段:在試驗(yàn)早期(0～6個(gè)月),混凝土的膨脹率增長(zhǎng)非常緩慢;在中期(6～24個(gè)月)急劇增加;在后期(24～34個(gè)月),膨脹增長(zhǎng)速度開始放緩,最終趨于不變。這種現(xiàn)象可以用ASR反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行解釋[11]。在ASR反應(yīng)的早期階段,ASR反應(yīng)生成的凝膠首先填充混凝土的初始孔隙,因此試驗(yàn)前期不會(huì)立即監(jiān)測(cè)到膨脹。隨后,凝膠繼續(xù)吸水膨脹,在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生膨脹應(yīng)力,膨脹快速增加。隨著反應(yīng)的進(jìn)行,當(dāng)凝膠供應(yīng)沒有補(bǔ)充時(shí),宏觀膨脹停止[12]。

在試驗(yàn)早期,每個(gè)測(cè)點(diǎn)初次監(jiān)測(cè)到膨脹的時(shí)間如圖4所示。試驗(yàn)結(jié)果表明,浸泡區(qū)出現(xiàn)膨脹的時(shí)間早于干燥區(qū)。這種現(xiàn)象是由水、堿金屬離子和OH-的共同作用引起的[13]。對(duì)于被堿溶液浸泡的區(qū)域,有充足的水和離子供應(yīng),凝膠產(chǎn)物更加豐富,填充混凝土中的原始孔隙,加速膨脹進(jìn)程[14]。對(duì)于未浸入溶液中的區(qū)域,離子和水分主要通過混凝土表面的毛細(xì)孔隙和微裂縫孔隙滲透到混凝土內(nèi)部,溶液在混凝土中的主要傳輸方式包括擴(kuò)散和毛細(xì)作用。在局部浸泡堿溶液的情況下,由于Na+、OH-等離子在不同位置的濃度存在差異,在濃度梯度的作用下,離子總是會(huì)自發(fā)地從濃度高的地方向濃度低的區(qū)域擴(kuò)散。另外一方面,由于混凝土部分浸泡有堿溶液,導(dǎo)致梁內(nèi)部飽和度不同,水分自發(fā)地從高濕度的區(qū)域移動(dòng)到低濕度部位,伴隨著溶液的流動(dòng)。相應(yīng)地,Na+、OH-等離子也隨之發(fā)生了遷移[15],在擴(kuò)散和毛細(xì)作用的共同作用下,為干燥區(qū)的混凝土提供了堿骨料反應(yīng)的反應(yīng)物。因此,在離浸泡區(qū)較遠(yuǎn)的地方,離子含量和濕度較低,ASR產(chǎn)物較少,ASR相對(duì)緩慢,初次監(jiān)測(cè)到膨脹的時(shí)間也進(jìn)一步延遲。

如圖3所示,在試驗(yàn)中期,浸泡混凝土區(qū)域?qū)ε蛎浡试鲩L(zhǎng)速率存在影響,浸泡受拉區(qū)的梁整體膨脹增長(zhǎng)速率低于浸泡受壓區(qū)的梁。在試驗(yàn)后期,每根梁的膨脹率絕對(duì)值也存在差異,浸泡受拉區(qū)的梁上檢測(cè)到的膨脹率最大值小于浸泡受壓區(qū)。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是浸泡位置不同,B1、B3浸泡區(qū)存在鋼筋,抑制了膨脹的發(fā)展。

當(dāng)浸泡位置相同時(shí),對(duì)比不同梁試件的膨脹曲線可以發(fā)現(xiàn),堿溶液浸泡深度同樣會(huì)影響梁的劣化程度。如圖3所示,無(wú)論浸泡區(qū)為受壓區(qū)還是受拉區(qū),梁試件的整體的膨脹水平都會(huì)隨著溶液浸泡深度的增加而增加,這表明NaOH溶液浸泡深度會(huì)影響膨脹發(fā)展。一方面,溶液中的水既作為反應(yīng)物,又作為不同反應(yīng)物的載體參與ASR反應(yīng)[16],因此浸泡深度越高,膨脹越快;另一方面,Na+和OH-對(duì)ASR損傷有顯著影響?；钚怨橇显贠H-濃度較高的孔隙液中溶解,已溶解SiO2會(huì)跟Na+等堿金屬離子反應(yīng)生成可吸水凝膠,凝膠吸水膨脹。從而引起了不同浸泡深度的鋼筋混凝土梁呈現(xiàn)不同的膨脹程度[17]。

2.1.2膨脹率-空間分布特征

以膨脹率為橫坐標(biāo),測(cè)點(diǎn)編號(hào)為縱坐標(biāo),繪制了梁34個(gè)月內(nèi)膨脹率空間分布特征圖,如圖5所示。對(duì)于B1,B1-1處膨脹率最大。這是由于反應(yīng)物濃度引起的。B1-1直接浸入溶液中,反應(yīng)物更加充分。測(cè)點(diǎn)B1-2由于靠近鋼筋,當(dāng)ASR產(chǎn)生膨脹應(yīng)力時(shí),鋼筋產(chǎn)生應(yīng)力抵消部分膨脹應(yīng)力,從而抑制了混凝土膨脹。在NaOH溶液和鋼筋的共同影響下,測(cè)點(diǎn)B1-3、B1-4、B1-5和B1-6處的膨脹率逐漸降低。但綜合來(lái)看,在溶液未浸泡的位置,溶液的遷移對(duì)膨脹的發(fā)展起著更主導(dǎo)的作用,距離NaOH溶液越遠(yuǎn)的地方,梁整體的膨脹程度越低。與B1類似,B2、B3和B4溶液浸泡區(qū)的膨脹率同樣高于干燥區(qū),在鋼筋周圍,由于鋼筋約束,ASR引起的膨脹明顯減少。但是,梁整體的應(yīng)變?cè)诹焊叨确较虼笾鲁尸F(xiàn)線性分布。

圖5 不同梁試件膨脹率空間分布特征

2.2 ASR引起的裂紋分布

在第34個(gè)月,加速ASR試驗(yàn)結(jié)束后,采用放大鏡檢查梁表面裂紋,并選取固定區(qū)域描繪裂縫,繪制裂紋分布圖,如圖6所示。梁中,S1為頂面,S2和S3面為側(cè)面,S4面為底面。

對(duì)于S1,上部存在鋼筋的B2和B4未出現(xiàn)裂縫;對(duì)于S4,下部存在鋼筋的B1、B3裂縫數(shù)量明顯小于B2和B4。在混凝土中,骨料中的活性SiO2和水泥中的堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng),生成半液態(tài)的凝膠產(chǎn)物,凝膠吸水膨脹并填充混凝土孔隙,使得混凝土內(nèi)部產(chǎn)生膨脹應(yīng)力,當(dāng)應(yīng)力大于混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí),混凝土結(jié)構(gòu)開裂。而對(duì)于有鋼筋存在的部位,由于帶肋鋼筋的存在,混凝土與鋼筋之間存在咬合力、摩擦力以及鋼筋表面凸出的橫肋對(duì)混凝土的擠壓作用,會(huì)加強(qiáng)混凝土與鋼筋之間的黏結(jié),從而通過黏結(jié)性能對(duì)混凝土的ASR膨脹產(chǎn)物的膨脹以及遷移產(chǎn)生抑制作用,延緩裂縫的產(chǎn)生。觀察側(cè)面S2、S3,可以發(fā)現(xiàn)所有裂紋均分布在溶液液面以下。此外,具有較高溶液浸泡深度的B3和B4中裂紋相對(duì)密集,從宏觀層面,反映了裂縫與溶液深度的關(guān)系。

2.3 非均勻損傷下鋼筋的約束機(jī)制

2.3.1鋼筋混凝土梁的區(qū)域損傷指數(shù)

為了量化ASR對(duì)梁的非均勻損傷程度,本文定義了區(qū)域損傷指數(shù)αt(也稱膨脹指數(shù)),見公式(2)。計(jì)算示意圖如圖7所示。

圖7 區(qū)域損傷指數(shù)計(jì)算方法示意

(2)

式中:st為第t月截面面積,mm2,s0為初始截面面積,mm2,lt為第t月測(cè)點(diǎn)間距離,mm,l0為測(cè)點(diǎn)間初始距離,mm,h為積分高度,mm,h1為起點(diǎn),h2為終點(diǎn)。

2.3.2鋼筋約束機(jī)制

為了分析不同部位ASR劣化下鋼筋的約束機(jī)制,將梁沿溶液表面分為兩個(gè)區(qū)域:浸泡區(qū)及干燥區(qū),如圖8所示。

圖8 B1和B2截面膨脹分布特征

圖8顯示了B1和B2第34個(gè)月時(shí)沿高度的膨脹分布,B1和B2的膨脹分布存在顯著差異。計(jì)算B1、B2浸泡區(qū)的區(qū)域損傷指數(shù),如圖9所示。在浸泡區(qū),混凝土與溶液直接接觸,膨脹程度較大。此外,與B2相比,由于鋼筋約束,B1的區(qū)域膨脹指數(shù)較小。這可以通過鋼筋的直接約束解釋,混凝土發(fā)生ASR膨脹,膨脹受到鋼筋約束,鋼筋受拉,產(chǎn)生拉應(yīng)力,對(duì)混凝土產(chǎn)生“預(yù)壓應(yīng)力”效應(yīng),從而直接約束混凝土膨脹,如圖10所示。

圖9 B1和B2浸泡區(qū)膨脹指數(shù)

計(jì)算B1、B2干燥區(qū)的區(qū)域損傷指數(shù),如圖11所示。在干燥區(qū),水和離子通過混凝土孔隙和裂縫傳輸。凝膠首先在水泥漿體附近產(chǎn)生,并可以部分遷移到周圍的孔隙中[18]。因此,混凝土的孔隙率在ASR膨脹中起著至關(guān)重要的作用。通常,多孔混凝土可以使環(huán)境中的水和離子更容易聚集,從而導(dǎo)致骨料溶解并引發(fā)ASR。此外,裂縫可以作為凝膠的傳輸通道,加速ASR,而當(dāng)裂縫連接,形成網(wǎng)絡(luò)時(shí),它們會(huì)進(jìn)一步增加滲透率,促進(jìn)ASR反應(yīng)。如圖12所示,鋼筋可以使結(jié)構(gòu)更加致密,減小鋼筋混凝土梁中膨脹引起的裂縫的寬度,從而降低滲透性,間接影響并降低ASR引起的膨脹。在干燥區(qū),對(duì)于B1,鋼筋位于液面附近,可以使其附近的結(jié)構(gòu)更加致密,抑制裂縫的張開擴(kuò)展及ASR反應(yīng)物和產(chǎn)物的向上傳輸,從而降低了干燥區(qū)的整體損傷程度。對(duì)于B2,鋼筋位于干燥區(qū),通過拉應(yīng)力,直接對(duì)該區(qū)域的膨脹產(chǎn)生抑制作用?？傮w來(lái)看,在鋼筋的直接和間接約束作用影響下,兩個(gè)梁在干燥區(qū)的膨脹指數(shù)相差不大。

圖11 B1和B2干燥區(qū)膨脹指數(shù)

圖12 鋼筋的間接約束作用

如圖13所示,當(dāng)堿溶液的浸入深度為100 mm時(shí),對(duì)比B3、B4各測(cè)點(diǎn)的膨脹分布,同樣可以看出鋼筋對(duì)膨脹的約束作用。圖14(a)顯示,在溶液浸泡區(qū),ASR引起的膨脹直接受到鋼筋的限制,因此,在浸泡區(qū)存在鋼筋的B3,膨脹指數(shù)低于B4。在干燥區(qū),如圖14(b)所示,對(duì)于B3,鋼筋主要通過間接約束作用降低混凝土滲透性,抑制裂縫傳輸和ASR產(chǎn)物的遷移,而對(duì)于B4,鋼筋主要通過產(chǎn)生拉應(yīng)力直接約束混凝土膨脹,但整體上B3干燥區(qū)的損傷程度大于B4。

圖13 B3和B4截面膨脹分布特征

圖14 B3、B4不同區(qū)域膨脹指數(shù)

3 結(jié) 論

(1) ASR是一個(gè)多級(jí)連續(xù)的有害反應(yīng)。相比于干燥區(qū),浸泡堿溶液的部位膨脹發(fā)展速率更快,膨脹出現(xiàn)時(shí)間更早。

(2) 溶液浸泡部位和溶液浸泡區(qū)域?qū)炷僚蛎浘哂忻黠@影響。相比于干燥區(qū),溶液浸泡區(qū)的膨脹程度更大,且浸泡深度的增加會(huì)加劇ASR反應(yīng)。

(3) 堿-硅酸反應(yīng)可導(dǎo)致混凝土開裂,在側(cè)面,裂縫主要分布在堿溶液浸泡部位;而在頂面和底面,鋼筋的約束作用會(huì)對(duì)裂縫產(chǎn)生抑制作用。

(4) 鋼筋會(huì)對(duì)混凝土ASR引起的膨脹產(chǎn)生抑制作用:一方面,在溶液浸泡區(qū)混凝土的膨脹應(yīng)力作用下,鋼筋會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力,直接約束混凝土膨脹;另一方面,鋼筋可以通過影響水及離子的傳輸、裂縫的開展,并進(jìn)一步影響凝膠的生成和遷移,間接影響ASR引起的混凝土膨脹。