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摘 要：为研究西北地区水工混凝土在多因素耦合作用下的损伤特征，根据现场调研结果设计了室内加速试验，得到了干湿-冻融-盐侵作用下各试件质量损失率、抗压强度、相对动弹性模量的变化规律；通过核磁共振扫描结果分析了各试件T2谱的演化规律，并以灰色系统理论计算出了试件相对动弹性模量与T2图谱之间的关联度
研究结果表明：随着试验的进行，冻融-干湿-盐侵对试件造成的损伤效应不断积累，试件各项参数持续下降，最终失效；核磁共振扫描所得T2谱总面积随试验进行不断增大，其中峰1、峰2面积占T2谱总面积的比例不断减小，而峰3所占比例不断增大；试件相对动弹性模量与T2图谱中峰1、峰2的关联度最高，可根据T2图谱中峰1、峰2的分布情况对试件损伤程度作初步判断
在试验中发现聚丙烯纤维能削弱冻融-干湿-盐侵对混凝土的破坏作用，可在水工混凝土设计中掺入聚丙烯纤维以延长输水建筑物的使用寿命
关键词：纤维混凝土;多因素耦合;核磁共振;灰色关联分析;作者简介：杜强业(1996—),男，硕士研究生，主要从事输水工程材料耐久性的研究
贡力(1977—),男，教授，博士，主要从事输水工程安全研究
基金：国家自然科学基金项目(51969011);甘肃省科技计划资助项目(20JR10RA274);引用：杜强业, 贡力, 张秉宗, 等. 基于 NMR 技术的多因素耦合作用下水工混凝土损伤特征研究[ J]. 水利水电技术(中英文), 2022, 53(8): 180- 188. DU Qiangye, GONG Li, ZHANG Bingzong, et al. Research on the damage characteristics of hydraulic concrete under multi-factor coupling based on NMR technology[J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2022, 53(8): 180- 188.0 引 言我国西北地区具有年际温差大、降水少、冬季气温低等气候特征，且存在大量盐渍土区域，致使长期服役于该地区的输水建筑物出现了表皮脱落、粗骨料外漏、钢筋锈蚀等耐久性问题
因此，对西北地区多因素耦合作用下水工混凝土的劣化规律进行研究，掌握输水建筑物的劣化特征，对保障西北地区的供水安全具有十分重要的意义
对于混凝土的劣化研究大多集中于单因素或双因素破坏方面，针对三因素或多因素耦合破坏的研究相对较少
赖海珍等通过冻融循环试验研究了高寒地区不同掺合料掺量和种类对水工混凝土抗冻耐久性的影响；徐存东等通过冻融循环试验研究了粉煤灰混凝土的相对动弹性模量衰减规律；贡力等设计室内加速试验分析了盐冻条件下水工混凝土的劣化规律；ZHAO等研究了冻融作用下氯离子侵蚀对纤维混凝土的影响；谭源等研究了硫酸盐干湿循环下纤维混凝土的耐久性及寿命；BERKOWSKI等研究了纤维对冻融循环下混凝土表皮脱落的影响
根据现代材料科学的基本理论，一种材料的性能与其组成、结构存在紧密联系，充分掌握和分析其细观组分以及排列结构是深入了解材料物理力学性能及破损机理的关键
核磁共振检测技术(NMR)具有通过对孔介质内部氢原子进行探测，并根据材料孔隙中流体弛豫时间T2分布谱分析材料内部孔隙结构的特点，在近几年被广泛应用于混凝土的劣化研究
LI等利用NMR技术研究了冻融-碳化耦合环境下风积沙粉混凝土劣化规律及机理；LIU等通过核磁共振扫描得到的T2图谱分析了混凝土内部的孔隙结构；杨晶采用核磁共振成像技术对混凝土冻融损伤特征进行研究；陈克凡等运用核磁共振技术分析了干湿循环试验下再生混凝土孔隙发展及孔隙度变化的规律
以上学者基于室内加速试验和核磁共振技术从宏观和微观方面对混凝土试件在单因素或双因素作用下的劣化规律做了大量研究，但把宏观与微观结合起来研究的较少
因此，笔者以西北地区引大入秦输水工程现场调研结果为依据，设计了冻融-干湿-盐侵作用下水工混凝土的劣化试验，通过核磁共振扫描得出各试件在不同循环次数下的T2图谱变化规律，以宏观、微观相结合的方式研究了水工混凝土在冻融-干湿-盐侵耦合作用下的损伤特征，运用灰色关联分析法计算出了试件的损伤度与T2图谱之间的关联度，并基于试验设定的聚丙烯纤维掺量范围给出了适用于冻融-干湿-盐侵耦合工况下的纤维掺量，为拟建于类似环境中的输水建筑物提供混凝土的设计参考
1 试验与原理1.1 现场调研、取样根据《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001),对引大入秦东二干渠43-900段渠道附近的土样、建筑物脱落残渣取样并进行化学成分分析如图1所示
图1 现场取样分析通过测定该地区土壤浸出液中有害离子含量，发现该地区硫酸根离子的含量为1 844.11 mg/kg, 根据《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001)该含量的硫酸根离子对混凝土结构具有强腐蚀性
将建筑物剥落残渣的XRD衍射分析所得数据导入jada软件中进行物相分析，通过与标准谱对比发现建筑物残渣中主要物质如图1(h)所示，从图中可知残渣内部的主要物质为硫酸盐产物如CaCO3·CaSO4·CaSiO4·15H2O、3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O等，这些物质主要是由于环境中的硫酸盐侵入混凝土建筑物内部之后发生化学反应所产生的，这些物质结晶之后会产生结晶应力造成混凝土内部撑裂形成裂缝
因此，笔者在设计冻融-干湿-盐侵工况时，根据现场调研结果及《普通混凝土长期性和耐久性能试验方法标准》 (GB/T 50082—2009)设定盐侵溶液是质量分数为5%的Na2SO4溶液
1.2 试验方案试验用水泥为普通的P.O 42.5硅酸盐水泥
其水泥品质指标及强度指标如表1所列
细骨料为河沙，其表观密度为2 400 kg/m3,细度模数为3.18,含水率3.3%
粗骨料为碎石，其表观密度为2 660 kg/m3,含水率0.15%,拌和为普通自来水
本次试验按照《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ-55—2011)所规定的配合比进行设计，水灰比定为0.45,各部分配比如表2所列
按表2设计配合比制成100 mm×100 mm×100 mm、100 mm×100 mm×400 mm两种普通试件，并按照上述配合比同规格浇筑聚丙烯纤维掺量为0.6 kg/m3、0.9 kg/m3的聚丙烯纤维混凝土，聚丙烯纤维的各项物理特性如表3所列
由于掺入的聚丙烯纤维质量相对较小，故此处不考虑聚丙烯纤维的掺入对配合比的影响
在试件脱模后进行编号处理，试件的编号如表4所列
在试件标准养护28 d后，根据相近原则选取三种试件各一块进行钻芯取样，制成直径为50 mm, 高100 mm的圆柱体试件用于核磁共振扫描，并在每次核磁共振扫描前对试件进行饱水，然后再进行核磁共振扫描
根据文献[15,16,17,18]制定的冻融-干湿循环制度，以及《普通混凝土长期性和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009),最终确定本文的冻融-干湿-盐侵循环制度为：将所有试件标准养护28 d后置于质量分数为5%的Na2SO4溶液浸泡16 h, 之后置于(80±5) ℃烘箱中烘干6 h, 自然冷却2 h为一次干湿循环，一天一次干湿循环，在六次干湿循环完成后以快冻法进行冻融循环(-18±2) ℃冻2.5 h, (5±2) ℃融1.5 h, 冻融循环8次后作为一次冻融-干湿-盐侵大循环，一周完成一次大循环，每次大循环完成后对试件的各项劣化指标进行测定
其中，干湿过程中的“湿”、以及冻融过程中的“融”均在质量分时为5%的Na2SO4溶液中进行
[15] 宿晓萍.吉林省西部地区盐渍土环境下混凝土耐久性研究[D].长春：吉林大学，2013.SU Xiaoping.Research on the concrete durability due to salinized soil in the western region of Jilin Province[D].Changchun:Jilin University,2013.[16] 金海军，于继寿，李立辉，等.在硫酸盐环境下冻融-干湿循环对混凝土的影响[J].混凝土，2012(6):46-50.JIN Haijun,YU Jishou,LI Lihui,et al.Study on sulfate environment under freeze-thaw and dry-wet cycling of concrete[J].Concrete,2012(6):46-50.[17] 葛勇，杨文萃，袁杰，等.硫酸盐溶液中混凝土抗冻融干湿循环性能[J].东南大学学报(自然科学版),2006(S2):234-237.GE Yong,YANG Wencui,YUAN Jie,et al.Frost-dry-wet resistance of concrete in sodium sulfate solution[J].Journal of Southeast University (Natural Science Edition),2006(S2):234-237.[18] 谢东升.冻融—干湿循环作用下混凝土抗硫酸盐侵蚀评价方法研究[D].重庆：重庆交通大学，2015.XIE Dongsheng.The researching about evaluation methods that concrete resists sulfate erosion under the freeze thaw-dry wet cycling condition[D].Chongqing:Chongqing Jiaotong University,2015.2 试验结果与分析2.1 表观变化经过冻融-干湿-盐侵耦合作用下各试件的表观变化如图2所示，其中图2(a)(b)(c)分别为三种试件在0次、4次、8次冻融-干湿-盐侵大循环完成时的外观变化
从图中可以看出在养护完成时试件外观完好，在第4次循环完成后普通混凝土试件边角部分有开始脱落的现象，掺入聚丙烯纤维的试件较普通试件表现良好，边角未发生脱落；在第8次循环完成时，普通试件表面变得酥碎并大量脱落，内部的粗骨料直接裸露，在试件的上下边缘部均出现贯通的大裂缝，而掺入聚丙烯纤维的试件由于聚丙烯纤维的束缚作用，未出现大面积掉落现象，其中掺量为0.9 kg/m3的试件脱落量最少
图2 试件在循环过程中的表观破坏情况2.2 损伤分析每次大循环完成后测定各试件的质量、抗压强度、动弹性模量
试件质量损失率、相对动弹性模量的计算公式分别为式中，ΔWn为第n次大循环后的质量损失率；Gn、G0分别是第n次大循环后试件的质量和循环开始前试件的初始质量；P为经N次循环后试件的相对动弹性模量；fn为经N次循环后试件的横向基频(Hz);f0为N次循环试验开始前试件的横向基频(Hz)
由式(1)得到冻融-干湿-盐侵耦合作用下的试件质量损失率如图3所示
从图中可以看出所有试件的质量损失变化曲线呈波折上升，这是由于试件在循环过程中不断生成内部孔隙，导致溶液中的盐分、水分不断渗入，影响试件实际脱落质量的测定，也从侧面说明试件内部在不断生成新的孔隙
从试件的质量损失速率来看，普通试件的质量损失从第三次大循环结束后开始快速上升，而聚丙烯纤维混凝土的质量损失速率前后无较大变化；在试验结束时，试件DG-5 S0.45、DG-5 J1、DG-5 J2的质量损失率分别是7.24%、5.23%、4.47%,由此说明一定掺量的聚丙烯纤维对此工况下试件的质量损失具有一定的约束作用
图3 试件在循环过程中的质量损失变化图4为整个试验过程中各试件抗压强度的变化趋势，从图4中可以看出试件龄期抗压强度随纤维掺量的增加而增加，在前两次试验过程中DG-5 S0.45、DG-5 J1两种试件出现了抗压强度上升的现象，而DG-5 J2没有出现上述情况，这是由于DG-5 S0.45、DG-5 J1试件的密实程度小于DG-5 J2,导致溶液中的水分渗入试件内部，在进行干湿-冻融-盐侵循环试验的“干”过程时，渗入试件内部的水分在高温烘干时发生类似于蒸汽养护的状态，促进了胶凝材料的水化反应，因此产生了抗压强度不降反升的现象；而掺量为 0.9 kg/m3的DG-5 J2试件，由于纤维掺量较DG-5 J1的高，提高了试件内部的密实度，降低水分渗入进而减小了水化反应的程度，因此未出现抗压强度上升的情况，这一点在2.3节中核磁扫描得到的T2图谱中得到验证
图4 试件在试验过程中抗压强度的变化情况图5为试验过程中各试件的相对动弹性模量的变化趋势
由图5可知，三种试件的相对动弹性模量均随循环次数的增加而减小，减小速率依次为DG-5 S0.45>DG-5 J1>DG-5 J2,各试件的相对动弹性模量的减小速率在整个试验过程中均出现平缓阶段，其中DG-5 J2试件的平缓阶段最长，持续了两次循环，如前文所述，试件内部胶凝材料的水化反应被延后，说明随着试验的进行，DG-5 J2试件内部孔隙开始增多，增加了水分的渗入以满足水化反应的条件，但由于此时干湿-冻融-盐侵对试件造成的损伤程度大于水化反应，因此并未出现相对动弹性模量上升的现象
但这一过程并未在质量损失变化和抗压强度变化中体现出来，由此说明弹性模量较质量损失率和抗压强度损失更能体现试件的实际破坏情况，相较于质量损失率和抗压强度变化，相对动弹性模量能真实反应试件内部的微观变化
因此，在结合宏观表现与微观变化分析混凝土试件劣化机理时选用相对动弹性模量作为宏观劣化参数更为精确
图5 各试件相对动弹性模量随试验循环次数变化2.3 T2图谱分析核磁共振扫描得到的T2图谱反映的是混凝土内部孔隙中氢质子的自由度以及所受的束缚力，即混凝土内部孔隙大小决定了氢质子的束缚程度，当混凝土内部孔隙孔径大时，氢质子自由度大，反映在T2 图谱上就是弛豫时间T2值大；相反，当混凝土内部的孔隙半径小时，氢质子自由度小，反应在T2图谱上就是弛豫时间T2值小
在T2谱中各峰位置与混凝土内部的孔径尺寸有关，各峰的面积与对应孔隙的数量有关
冻融-干湿-盐侵作用下各试件的T2图谱如图6所示，从图中可以看出在试验开始前，试件原生T2图谱存在三个峰，峰1范围为0.1～10 ms, 峰2范围为10～100 ms, 峰3范围为100～10 000 ms, 其中0.1～10 ms的峰值远大于其他两个峰的峰值，说明试件内部原生孔隙主要以小孔隙为主
DG-5 J2试件的各个峰谱面积均小于DG-5 S0.45、DG-5 J1试件，其大小关系依次为DG-5 S0.45>DG-5 J1>DG-5 J2,根据峰谱面积与孔隙数量对应的原理可做如下推断，即DG-5 J2试件内部产生的孔隙数量最少，其次为DG-5 J1,孔隙数量最多的为DG-5 S0.45,与前面2.2节所得出的结论一致，即0.9 kg/m3聚丙烯纤维掺量下的试件在这三种试件之中最为密实
图6 T2图谱对比0次和4次大循环结束时的T2图谱可以看出处于冻融-干湿-盐侵作用下的试件第一波峰峰值有明显提高，各试件的增幅按纤维掺量的增加而减小，且峰1整体右移，说明前4次的循环试件内部孔隙变化为原生小孔隙的扩张和新生小孔隙组成，中等孔径孔隙和大孔径孔隙未发生明显变化
从8次大循环结束时的T2图谱可以看出，三种试件的各峰值均有增加，以DG-5 S0.45为例，第一峰值较0次增加了115%,第二峰值较第0次增加了140%,第三峰值增加了105%,且各峰位置整体右移
各峰面积占T2图谱总面积的比例如表5所列，从表5中可以看出，随着试验的进行，峰1、峰2面积占T2图谱总面积的比例在不断减小，峰3所占比例在不断增加，说明在试验过程中试件内部小孔径孔隙和中等孔径孔隙在不断向大孔径孔隙发展，大孔径孔隙数量在不断增多
从试验结束时三种试件各峰所占比例来看，DG-5 S0.45和 DG-5 J1试件峰2、峰3所占比例最大，分别是38.7%、38.16%和39.17%、35.09%,而DG-5 J2试件峰1和峰2所占比例最大，为38.65%和46.79%,说明在试验结束时DG-5 S0.45和 DG-5 J1试件内部孔隙以中、大孔径孔隙为主，DG-5 J2试件以中、小孔径孔隙为主
综上所述，试件内部孔隙数量随循环次数的增加而增加，孔隙分布由最初的小孔径逐渐发展为大孔径孔隙，冻融-干湿-盐侵破坏前期试件内部主要为小孔隙孔径的扩张和新生小孔隙组成，在试验进行到后期，DG-5 S0.45和DG-5 J1试件内部生成的孔隙以大孔和中孔为主，DG-5 J2试件内部主要生成的孔隙为小孔和中孔
综上所述，对整个试验过程中各试件的质量损失率、抗压强度损失、相对动弹性模量以及核磁扫描结果进行综合评判发现在整个试验过程中，各组试件抵抗冻融-干湿-盐侵的破坏能力依次为DG-5 S0.45<DG-5 J1<DG-5 J2,由此说明聚丙烯纤维抵抗冻融-干湿-盐侵的破坏能力在试验所取纤维掺量范围内随纤维掺量的增加而提升
3 基于灰色系统理论分析T2图谱与混凝土损伤度之间的相关性3.1 灰色系统理论简介由于事物表现的影响因素之间的影响关系较为复杂，且试验数据具有一定的随机性，通过灰色系统理论可对影响关系进行进一步分析控制,利用灰色系统理论能够将材料微观孔隙特征与宏观性能之间建立联系
本文以各试件的相对动弹性模量作为宏观性能指标，将不同循环次数下各试件T2图谱中各峰谱面积占总T2图谱总面积的百分比与各试件的相对动弹性模量进行灰色关联分析
计算步骤如下：(1)以冻融-干湿-盐侵下各试件的相对动弹性模量为主序列Yi(i=1,2,…,n),以每次测得的T2图谱各峰面积百分比作为参考序列Xi(i=1,2,…,n)
(2)求主序列Yi与各参考序列Xi的初始值，以消除数据量纲的影响
公式为(3)求主序列与参考序列之差，具体为式中：k为序列数
(4)求序列差的最大值与最小值(5)求解关联系数(6)计算关联度并排序，具体为3.2 基于灰色系统理论下T2图谱变化对试件损伤度影响分析以各试件在0次、4次、8次大循环结束时扫描得到的T2图谱计算出各峰谱面积，并求出各峰所占面积百分比
根据灰色系统理论分析各试件的相对动弹性模量与各峰面积百分比变化之间的相关性
各试件在不同循环次数结束时的相对动弹性模量、各峰面积百分比如表6所列
根据公式(3)—(7)计算各试件相对动弹性模量与各峰面积百分比之间的相关性，具体计算过程如表7—表10所列
由表8可知，主序列与各参考序列之差最大值为1.544 433,最小值为0
根据公式(6)和公式(7)计算出试件各序列之间的关联系数及关联度如表9、表10所列
根据表10的计算结果发现，干湿-冻融-盐侵作用下各试件损伤度与T2图谱各峰变化之间关联度从大到小顺序为：峰2>峰1>峰3
根据各峰占比变化与相对动弹性模量之间的关联度，选取峰2与相对动弹性模量之间进行线性拟合，拟合公式为式中，P1、P2、P3分别是DG-5 S0.45、DG-5 J1、DG-5 J2的相对动弹性模量；S为峰2占T2谱总面积的百分比
根据线性拟合结果可知，T2谱中峰2的变化和各试件的相对动弹性模量的变化之间具有良好的线性关系，在实际工程中可根据T2谱的变化对工程的结构安全做初步预测
4 结 论(1)通过冻融-干湿-盐侵耦合破坏试验发现，在试验前期由于试件内部发生水化反应出现试件抗压强度增加的现象，随循环试验的进行试件损伤程度不断积累，各项宏观性能指标不断下降，最终达到破坏标准
(2)核磁共振扫描发现各试件的T2谱总面积随循环次数的增加而增加，各峰所在位置不断右移，峰1、峰2面积占T2谱总面积的比例不断下降，峰3占比不断上升，各试件峰3占比上升幅度从大到小依次为：DG-5 S0.45>DG-5 J1>DG-5 J2
(3)灰色关联分析发现试件相对动弹性模量的变化与各试件T2谱中各峰之间的关联度较好，可根据T2谱变化对实际工程的破坏情况做初步预测
在试验过程中发现聚丙烯纤维可延缓冻融-干湿-盐侵的破坏作用，在试验所取纤维掺量范围内，0.9 kg/m3的纤维掺量表现最好，对拟建于类似环境中的工程，可在混凝土配比设计时将此掺量作为参考
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