孔結(jié)構(gòu)對水泥混凝土抗凍性的影響★

羅玲 溫勇 秦擁軍

0 引言

凍融循環(huán)作用是影響混凝土耐久性的一個十分重要的因素，所以在混凝土耐久性研究中，混凝土的抗凍性能是其一個重要的分支，對其進行研究具有廣泛的現(xiàn)實意義[1]?；炷羶鋈谄茐臅r，宏觀上表現(xiàn)為開裂、剝落、粗細骨料分離、力學(xué)性能下降等，但是對混凝土耐久性劣化與微觀結(jié)構(gòu)變化之間關(guān)系的研究尚少，致使混凝土耐久性的破壞與微觀角度對應(yīng)的研究不足[2]。只有通過研究混凝土宏觀性能與微觀結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系，才能從本質(zhì)上認識混凝土耐久性劣化規(guī)律[3]，而孔結(jié)構(gòu)則是混凝土微觀結(jié)構(gòu)中最重要的內(nèi)容。

所以研究混凝土抗凍性與混凝土孔結(jié)構(gòu)的關(guān)系，分析混凝土抗凍性劣化與孔結(jié)構(gòu)變化的關(guān)系，對改善混凝土在惡劣環(huán)境下的耐久性有著十分重要的意義。

1 試驗方法

1.1 試件制備

用新疆天山水泥股份有限公司生產(chǎn)的P.Ⅱ32.5級水泥，細度模數(shù)為2.5的天然砂，粗集料選用新疆本地產(chǎn)的石灰?guī)r碎石;配制硬化水泥漿體和混凝土試件。其中水泥漿體水灰比為1∶3，試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm;混凝土配合比為水泥∶砂∶石子∶水 =1∶1.69∶3.42∶0.55，試件尺寸為100 mm ×100 mm ×100 mm。

1.2 方法

凍融試驗參照DL/T 5150-2001水工混凝土試驗規(guī)程進行，采用KDR-28V型快速凍融試驗機，凍結(jié)時試件的中心溫度為－15℃ ～－18℃，融化時試件的中心溫度為5℃～7℃，一次凍融循環(huán)約4 h。觀察一定次數(shù)凍融后的試件的宏觀破壞特征，用MIP法和SEM分析硬化水泥漿體和混凝土中砂漿的孔結(jié)構(gòu)和細觀結(jié)構(gòu)的變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 試件凍融破壞的宏觀特征

圖1和圖2分別是未凍融和凍融25次以后硬化水泥漿體和混凝土試件的照片。

SME對凍融前后試樣微觀結(jié)構(gòu)的觀察結(jié)果也表明，由于水壓力的作用，水泥基試件凍融后，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得疏松，大孔徑的孔增多，總孔徑增大。

凍融前后水泥凈漿的微觀結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可以看出，凍融前的凈漿結(jié)構(gòu)比較致密，Ca(OH)2含量很多(見圖1a))。凍融后結(jié)構(gòu)變得疏松，可以看得見蜂窩狀的大孔(見圖1b))。故凍融后，其總的孔徑增大。

混凝土試件的凍融破壞首先表現(xiàn)為表面砂漿起鼓、剝落，表呈麻面狀。凍融破壞主要沿著水泥砂漿與骨料的粘結(jié)處，粗骨料與砂漿分離，呈無規(guī)則的破壞?；炷林兴嗌皾{凍融前后的結(jié)構(gòu)變化如圖2所示。

可以看出，凍融前，硬化水泥石和大骨料的結(jié)合比較緊密(見圖2a))。凍融后，水泥石結(jié)構(gòu)變得疏松，水泥石和大骨料脫離(見圖2b))。

圖1 凍融前后水泥凈漿的結(jié)構(gòu)變化

圖2 凍融前后混凝土中水泥砂漿的結(jié)構(gòu)變化

2.2 凍融過程中細觀結(jié)構(gòu)的變化

凍融過程對混凝土細觀結(jié)構(gòu)的影響主要體現(xiàn)在硬化水泥漿體和砂漿的孔結(jié)構(gòu)、顯微結(jié)構(gòu)以及其與骨料的結(jié)合狀態(tài)的變化，而混凝土中粗骨料受凍融過程的影響較小。因此本研究中用MIP和SEM分析了凍融前后硬化水泥漿體試件和混凝土試件中砂漿試樣的孔隙率、孔結(jié)構(gòu)和顯微結(jié)構(gòu)。

1)孔結(jié)構(gòu)。

硬化水泥漿體(P)和混凝土中砂漿(M)凍融前后的孔體積和孔分數(shù)測定結(jié)果見表1。

表1 硬化水泥漿體和砂漿凍融前后孔體積和孔徑分布

由表1可知，凍融后硬化水泥漿體和砂漿的孔隙率均有較大幅度的增加，特別是孔徑大于50 nm的毛細孔體積增加較多。如硬化水泥漿體試件中心部位的總孔體積從凍融前的0.1145 cm3/g(P)增加到0.1498 cm3/g(P1)，而孔徑大于50 nm所占孔分數(shù)從凍融前的18.79%增加到30.4%;混凝土中砂漿的總孔體積從0.0570 cm3/g(M)增加到0.0761 cm3/g(MF)，孔徑大于 50 nm所占孔分數(shù)從35.09%增加到44.94%。這是由于在反復(fù)凍融過程中，硬化水泥漿體中的微孔受到循環(huán)變化的靜水壓和滲透壓及交變溫度應(yīng)力的作用，微孔體積與孔徑逐漸增大，并導(dǎo)致微裂紋的產(chǎn)生。

2)顯微結(jié)構(gòu)。

圖1是凍融前后硬化水泥漿體試樣的SEM圖像。從圖1可看出，凍融前的水泥漿體結(jié)構(gòu)非常致密，細孔較少，無明顯裂紋。凍融后結(jié)構(gòu)變得疏松，可以看到蜂窩狀的大孔，即凍融后平均孔徑增大。這是由于水壓力的作用其內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得疏松，大孔徑的孔增多，總孔隙率增大。

凍融前后混凝土中水泥砂漿的SEM圖像見圖2。混凝土經(jīng)受凍融前，其中水泥砂漿結(jié)構(gòu)比較致密，骨料被包裹在硬化的水泥漿體中，結(jié)合緊密，觀察不到明顯的裂紋。凍融后，水泥漿體結(jié)構(gòu)變得疏松，與骨料脫離，出現(xiàn)大量裂紋，有的寬度達到5 μm～7 μm。

2.3 實驗結(jié)果分析

以水泥凈漿試件為例，可以看出凍融破壞的順序。水泥凈漿是一種均勻材料，孔的分布也較均勻，故試件截面破壞的速度要快都快，要慢都慢，形成由表及里的均勻破壞。試件截面的四個角處由于受到左右兩邊的雙向壓力，破壞程度比邊上要嚴重得多。這一點可由SEM圖像明顯地看出，并且由于材料的致密性，表面剝落量很少。

混凝土試件不光加入砂，還加入了石子這樣的粗骨料，對結(jié)構(gòu)的均勻性造成了很大的破壞。凍融破壞主要沿著水泥與骨料的結(jié)合處，并且由于材料的致密性很差，表面剝落量很多。

2.4 關(guān)于混凝土凍融破壞機理的討論

對混凝土的凍害機理，通常用Powers提出的靜水壓力假說和滲透壓力假說來解釋[4，5]。而根據(jù)本文的試驗結(jié)果，凍融過程中混凝土和硬化水泥漿體試件的表面，特別是4個棱角處的破壞程度遠比內(nèi)部嚴重。這是由于在快速凍融過程中，試件表面實際上所經(jīng)受的溫差變化比內(nèi)部大，因此所受到的破壞作用也大。至于硬化水泥漿體凍融破壞時呈現(xiàn)出拉伸斷裂特征，可歸因于快速凍融試驗時試件內(nèi)部和表面存在較大溫差、體積變化不同而產(chǎn)生的應(yīng)力，以及水泥漿體試件與試件盒中冰的膨脹系數(shù)的不同而受到的拉伸作用。

混凝土和硬化水泥漿體的快速凍融試驗是在注滿水(低溫下形成冰)的試件盒中進行的，在從最低冷凍溫度升溫至0℃(冰融化前)的過程中，冰的體積增大，而硬化水泥漿體試件一方面其水泥水化產(chǎn)物的膨脹系數(shù)小于冰的膨脹系數(shù)，另一方面由于其毛細孔中冰的融化可使試件縮小，因此試件整體的膨脹系數(shù)要比冰小得多，試件與其周圍冰體積變化的差異使得試件表面受到一定的拉應(yīng)力。由于硬化水泥漿體的脆性較大，抗拉強度低，進行快速凍融試驗時這種拉應(yīng)力及由于試件內(nèi)部和表面存在溫差而產(chǎn)生的應(yīng)力的反復(fù)作用，可將硬化水泥漿體棱柱體試件拉斷。此外還可以分析得出，對于硬化水泥漿體試件來說，快速凍融破壞機理與自然條件下緩慢凍融的破壞機理有一定差別，即快速凍融時硬化水泥漿體試件不僅受到靜水壓和滲透壓力的作用，而且受到試件表面與內(nèi)部溫差引起的應(yīng)力的作用，因此硬化水泥漿體在快速凍融時比緩慢凍融時更容易破壞。這一機理也可以推論到水泥砂漿和混凝土的凍融破壞。

3 結(jié)語

1)凍融破壞是以滲透破壞為主的均勻破壞。由于凈漿表面外部冰晶的種胚作用，凍融破壞從試件表面開始由表及里地進行。

2)水泥凈漿是均勻材料，凍融破壞由表及里均勻進行，表面剝落量很少。

3)混凝土凍融破壞主要沿著水泥與骨料的結(jié)合處，看不出均勻的凍融趨勢，表面剝落量很多。

[1]Mather B.Concrete durability[J].Cement Concrete Composites，2004(26):3-4.

[2]吳中偉.論水泥混凝土耐久性研究的思路和方法[R].北京:中國建筑材料科學(xué)研究院，1997.

[3]S R Duwadi.Structural Application and Cost Effectiveness of High Performance Concrete[R].Washington D.C:Presentation of FHWA，1997:67-80.

[4]Powers T C.A working hypothesis further studies for frost resistance of concrete[J].ACI J，1945(41):245.

[5]Powers T C，Helmuth P A.Theory of volume change in hardened Portland cement paste during freezing[C].Proceedings，highway Research Board，1953:285.