冲蚀速率对混凝土表面损伤的影响.pdf

DOI：10.13905/ki.dwjz.2023.6.017冲蚀速率对混凝土表面损伤的影响EXPERIMENTAL STUDY OF EROSION RATE ON CONCRETE SURFACE EROSION DAMAGE刘奎浩1，董鑫2，陈洁静1，夏晋1（1.浙江大学建筑工程学院，杭州 310058；2.浙江交工集团股份有限公司，杭州，310051）LIU Kuihao1,DONG Xin2,CHEN Jiejing1,XIA Jin1（1.College of Civil Engineering and Architecture,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China;2.Zhejiang CommunicationsConstruction Group,Hangzhou 310051,China）【摘要】为探明冲蚀速率对混凝土表面损伤的影响，使用自制挟沙水流装置开展加速冲蚀试验。结果表明混凝土单位面积质量损失、表层孔数量、孔径、孔面积、孔体积等表面损伤指标均随冲蚀速率增加而增加，其中孔体积增量、孔面积比增量与冲蚀速率的变化趋势接近，冲蚀作用下孔洞体积的增加以01mm范围内的孔洞宽度扩展为主。研究结果为冲蚀作用下混凝土表面损伤发展和冲蚀混凝土结构的耐久性研究提供了参考。【关键词】冲蚀速率；质量损失；表面损伤【中图分类号】TU528【文献标志码】A【文章编号】1001-6864（2023）6-0073-05Abstract：Accelerated erosion tests are conducted using a homemade sand and water flow device to investigate theeffect of erosion rate on concrete surface damage.The results show that the surface damage indexes including massloss per unit area of concrete,number of holes in the surface layer,hole diameter,hole area,and hole volume increase with the increase of erosion rate,among which the increment of hole volume and hole area ratio are close tothe change trend of erosion rate,and the increase of hole volume under erosion is dominated by the expansion of holewidth in the range of 01.0mm.The results of the study may provide the reference for the development of concretesurface damage under the action of erosion and the durability study of eroded concrete structures.Key words：water velocity;mass loss;surface damage0引言随着杭州湾跨海大桥、港珠澳大桥等跨海桥梁建设的持续深入，桥梁墩柱等混凝土构件的冲蚀磨损问题受到广泛关注1。在挟沙水流的持续冲蚀作用下，混凝土构件的保护层厚度持续削减，危及结构的耐久性能和安全性能2。冲蚀速率直接影响挟沙水流对混凝土表面的作用能量和作用频率，是造成混凝土表面冲蚀损伤程度的关键因素3。当前研究主要通过圆环法、水下钢球法等加速试验装置建立冲蚀速率与冲蚀质量损失的关系4，5，用以表征水流作用下混凝土表面冲蚀损伤程度6，7。然而，这些装置只能实现切向切削作用的工况，无法考虑质量损失更加严重的法向冲击作用工况。此外，冲蚀作用下混凝土表面持续发生砂浆剥落、骨料裸露、骨料脱落等现象，孔洞数量、孔径大小等指标持续改变，混凝土表面损伤程度难以使用质量损失指标进行统一表征8。研究发现冲蚀作用下混凝土表面产生的额外孔洞使混凝土更容易被冲蚀破坏，冲蚀速率与冲蚀质量损失的关系将进一步发生改变9。文中使用自制挟沙水流冲蚀试验装置，通过称重试验和表面3D扫描试验研究了不同冲蚀速率对混凝土表面单位面积质量损失、孔数量、孔径、孔面积、孔体积等损伤指标的影响，量化了冲蚀作用下混凝土表面孔洞发展过程，为冲蚀速率下混凝土表面损伤发展和冲蚀混凝土结构的耐久性研究提供了参考。1试验研究1.1试件设计混凝土试件制作选用P O42.5普通硅酸盐水泥；粗骨料为510mm连续级配的碎石；细骨料为中砂；粉煤灰为I级粉煤灰，矿粉为S105矿粉，减水剂为高效聚羧酸粉剂。混凝土配合比参照杭州湾跨海大桥现浇墩柱配合比10，具体配合比见表1。混凝土水胶比为0.35，同批次的150mm150mm150mm混凝土标准基金项目 国家自然科学基金面上项目“海洋环境液-固两相冲蚀作用下混凝土劣化与钢筋腐蚀机理”（52278278）；浙江省杰出青年科学基金项目“海浪冲蚀作用下混凝土结构耐久性能劣化机理研究”（LR21E080003）表1混凝土试件配合比kg/m3水泥126矿粉168粉煤灰126砂735石1068水145减水剂0.2173低温建筑技术Jun.2023 No.300-建筑材料研究及应用立方体试件28d抗压强度为36.89MPa。冲蚀试验的混凝土试件尺寸为100mm100mm100mm，考虑3种冲蚀速率（2、6、10m/s），每组2个试件，共计6个。1.2试验装置文中采用自制挟沙水流试验装置，装置外部及内部构成如图1所示。冲蚀速率控制方面，通过流量计实时监测过流面的流量，计算得到挟沙水流冲蚀速率，通过控制水泵电动机功率实现水流冲蚀速率的动态控制。配备水砂搅拌机，以2900r/min的转速持续搅拌，使箱内水、砂混合均匀，将含砂率控制在10kg/m3；试件固定方面，在箱体内部焊接试件固定夹具，确保冲蚀试验过程中混凝土受冲面的稳定性。1.3测试方法称重试验使用全自动真空饱水机对冲蚀混凝土试件进行饱水处理，经过4h干抽、2h湿抽、18h静置后取出，用干抹布擦去试件表面水分，使用精度为0.1g的电子秤称取试件饱和面干质量，分别称取0、3、6、9d和12d时刻的试件质量，记作Mt。表面3D扫描试验使用精度为02mm的3D扫描仪对冲蚀作用0、3、6、9d和12d时刻的混凝土试件进行扫描，如图2所示。通过三维网格重构获得冲蚀混凝土试件的表面模型，尺寸为100mm100mm。为消除试件四周边缘冲蚀不均匀影响，在表面模型中切除距试件边缘2.5mm的模型区域，最终形成的表面模型尺寸为95mm95mm，并使用软件特征模块的三点法选取平行于试件表面的平面为基准参考平面。最后，沿试件表面法向以0.5mm间隔选取参考平面，参考平面与试件表面形成的封闭区域数量记为孔数量，为减少气孔影响，封闭区域采集范围设定在面积0.2mm2及以上；每个封闭区域的面积记为孔面积，按照面积相等的原则将不规则孔洞转换为圆形孔以记录其孔径；积分计算参考平面与表面模型间封闭区域的体积，记为孔体积。2试验结果与分析2.1质量损失混凝土表面单位面积质量损失与冲蚀时间的关系如图3所示，随着冲蚀时间增加，各冲蚀速率工况下单位面积质量损失均持续增加。冲蚀时间3d时刻冲蚀速率改变对混凝土表面单位面积质量损失的影响不明显，这可能是因为冲蚀作用初期单位面积质量损失总量较小。混凝土表面单位面积质量损失与冲蚀速率成正相关关系，结合图4可以看到，冲蚀作用下混凝土表面砂浆持续磨损，内部骨料逐渐暴露，然而，骨料暴露前后混凝土的冲蚀质量损失与冲蚀速率的关系变化不大，质量损失主要由砂浆磨损提供，在试验周期内尚未发生裸露骨料脱落造成的质量损失突变。图1挟沙水流冲蚀试验装置分流管水箱流量计水泵喷嘴混凝土受冲面夹具图2表面3D扫描试验3D扫描边界裁剪数据提取参考平面SIMSCAN 30分层截取参考平面封闭孔洞孔数量孔面积孔体积95mm图3单位面积质量损失与冲蚀时间的关系16001400120010008006004002000单位面积质量损失/（g m-2）2m/s6m/s10m/s036912冲蚀时间/d图410m/s工况下混凝土表面骨料裸露情况（a）0d（b）6d（c）12d742.2孔数量变化孔数量是表征水流作用对混凝土表面冲蚀孔洞影响程度的指标，图5展示了各冲蚀速率工况下混凝土表面孔数量与冲蚀时间的变化关系。可以看出3种冲蚀速率工况下试件表层（0mm）孔数量均随冲蚀时间增加而增加，10m/s工况下0.5mm深度处的孔数量在12d时略有下降，这主要是因为冲蚀作用下内部孔洞扩展连通形成了面积较大的孔洞，使得0.5mm处的孔数量有所减小，但孔洞的总面积随冲蚀时间增加而增加。而在空间分布上，混凝土表面孔数量随深度的增加而减小，并集中分布在00.5mm深度范围内，以6m/s工况为例，12d时刻各深度处孔数量占比分别为63%、20%、12%、4%、1%，00.5mm深度范围内孔数量占比为83%。2.3孔径变化采集各冲蚀速率工况下混凝土表面0mm处孔径大小及其对应数量，孔径分布情况如图6所示。随冲蚀时间增加，各冲蚀速率工况下混凝土表面各孔径范围内孔数量均逐渐增加，主要集中在0.2510mm孔径范围内。随着冲蚀时间增加，各表面最大孔的孔径随着冲蚀速率的增加而增加，且只有冲蚀速率10m/s的工况中最大孔径在冲蚀时间12d时刻产生了突变，说明此时试件表面形成了面积较大的冲蚀凹陷。2.4孔面积变化为直观表现冲蚀作用对孔洞面积的影响，定义为孔洞总面积占混凝土冲蚀表面积的比值。不同冲蚀速率工况下孔面积比与冲蚀时间的关系，如图7所示，随冲蚀时间增加，各冲蚀速率工况下孔面积比持续增图5不同冲蚀速率下孔数量与冲蚀时间的关系（a）2m/s80706050403020100孔数量0mm0.5mm1.0mm1.5mm2.0mm036912冲蚀时间/d1009080706050403020100孔数量0mm0.5mm1.0mm1.5mm2.0mm036912冲蚀时间/d（b）6m/s（c）10m/s1501209060300孔数量0mm0.5mm1.0mm1.5mm2.0mm036912冲蚀时间/d图6不同冲蚀速率下孔径分布与冲蚀时间的关系20151050孔数量0d9d12d最大孔径0d：1.810mm9d：2.057mm12d：2.221mm0.250.500.500.750.751.001.001.251.251.501.501.751.752.002.00+孔径范围/mm（a）2m/s0d9d12d最大孔径0d：2.517mm9d：3.448mm12d：6.290mm0.250.500.500.750.751.001.001.251.251.501.501.751.752.002.00+孔径范围/mm32302826242220181614121086420孔数量（b）6m/s（c）10m/s0d9d12d最大孔径0d：3.754mm9d：6.574mm12d：47.602mm0.250.500.500.750.751.001.001.251.251.501.501.751.752.002.00+孔径范围/mm4035302520151050孔数量75低温建筑技术Jun.2023 No.300-建筑材料研究及应用加。孔面积比在2、10m/s工况下表层（0mm深度）孔面积比曲线分别出现斜率陡增，原因可能是2m/s工况下混凝土表层孔面积比总量较小，实际面积比增量仅为1%，属于正常现象；而10m/s工况下混凝土表面砂浆脱落、形成深度在1.5mm以内的冲蚀凹陷，使得孔面积比快速增加。此外，混凝土孔面积比随深度的增