凍融循環(huán)過(guò)程中混凝土性能的劣化研究

李家正，周世華，石 妍

(長(zhǎng)江科學(xué)院a.材料與結(jié)構(gòu)研究所;b.水利部水工程安全與病害防治工程技術(shù)研究中心，武漢 430010)

1 概述

混凝土結(jié)構(gòu)的凍融破壞是促使混凝土結(jié)構(gòu)老化的主要因素，也是我國(guó)水電工程中混凝土結(jié)構(gòu)常見(jiàn)的病害之一。工程調(diào)查表明［1］，我國(guó)有22%的大壩和21%的中小型水工建筑物存在凍融破壞問(wèn)題。引起混凝土結(jié)構(gòu)凍融剝蝕的主要原因是混凝土微孔隙中的水在正負(fù)溫差大幅度變化和交替頻繁的作用下，形成結(jié)冰膨脹壓力［2］和滲透壓力［3］的聯(lián)合作用［4］。在這種綜合壓力的作用下，混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了由表至里的剝蝕破壞［5，6］，從而降低了混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，影響建筑物的安全。

在我國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中，混凝土抗凍等級(jí)大多采用質(zhì)量損失率與相對(duì)動(dòng)彈性模量來(lái)進(jìn)行評(píng)定。本文研究了凍融循環(huán)過(guò)程中混凝土強(qiáng)度的劣化情況及各種測(cè)試方法與混凝土強(qiáng)度劣化之間的關(guān)系，探討了不同的測(cè)試手段對(duì)不同老化特性的敏感性，歸納了混凝土凍融過(guò)程中宏觀特性和微觀結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律，為水工混凝土結(jié)構(gòu)的老化機(jī)理分析、壽命評(píng)估和健康診斷以及預(yù)警提供科學(xué)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 原材料和混凝土配合比

(1)試驗(yàn)用原材料:水泥為42.5中熱硅酸鹽水泥;粉煤灰采用平圩電廠Ⅰ級(jí)灰;骨料為花崗巖人工砂、人工碎石;外加劑選用JG3高效減水劑和DH9引氣劑。

(2)混凝土配合比:本研究采用混凝土配合比的技術(shù)要求為R9025W10F250(一級(jí)配)，混凝土配合比見(jiàn)表1。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 混凝土物理力學(xué)性能的劣化

3.1.1 力學(xué)性能

隨著凍融次數(shù)的增加，混凝土的強(qiáng)度特性均呈下降趨勢(shì)，混凝土的抗折強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度下降較多，而抗壓強(qiáng)度下降趨勢(shì)略緩。如圖1所示，從凍融循環(huán)150次的情況來(lái)看，混凝土抗壓強(qiáng)度降至凍融前的58.4%，抗折強(qiáng)度降至凍融前的 41.8%，劈拉強(qiáng)度降至凍融前的42.3%。

表1 混凝土配合比Table 1 The mixing ratio of concrete

圖1 凍融循環(huán)中混凝土強(qiáng)度的變化Fig.1 Change of concrete strength during freeze-thaw cycles

3.1.2 質(zhì)量損失

質(zhì)量損失是混凝土抗凍性的一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，從圖2可以看出，隨著凍融次數(shù)的增加，質(zhì)量損失率增加，尤其當(dāng)凍融次數(shù)達(dá)到100次后，質(zhì)量損失率有明顯的增加，質(zhì)量損失率為2%，即混凝土表面發(fā)生了較明顯的剝蝕。凍融循環(huán)后，混凝土抗壓強(qiáng)度的降低率與質(zhì)量損失率之間的關(guān)系如圖3所示，質(zhì)量損失率越大，混凝土抗壓強(qiáng)度下降的幅度越高，兩者呈線性關(guān)系，擬合方程為 Y1=－14.78X1+99.4%(Y1為抗壓強(qiáng)度，X1為質(zhì)量損失率)。

圖2 凍融循環(huán)中混凝土的質(zhì)量損失Fig.2 Change of mass loss of concrete during freeze-thaw cycles

圖3 質(zhì)量損失與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系Fig.3 Relationship between mass loss and compressive strength of concrete

參考DL/T 5150《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中規(guī)定混凝土抗凍等級(jí)的評(píng)定要求，通過(guò)擬合方程進(jìn)行計(jì)算可知，當(dāng)質(zhì)量損失達(dá)到5%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度下降到凍融前的25.5%。

3.1.3 相對(duì)動(dòng)彈模

機(jī)械波波速的快慢變化一定程度上能反映混凝土整體性、密實(shí)性的變化，機(jī)械波波速的下降宏觀上反映為混凝土自振頻率的降低，微觀上是混凝土中裂縫的擴(kuò)展和連通的表現(xiàn)。如圖4所示，隨著凍融次數(shù)的增加，混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量逐漸下降。凍融循環(huán)后，混凝土抗壓強(qiáng)度的降低率與相對(duì)動(dòng)彈性模量之間的關(guān)系如圖5所示，兩者呈線性關(guān)系，線性擬合方程為 Y2=2.06X2－104.3%(Y2為抗壓強(qiáng)度、X2為相對(duì)動(dòng)彈模)，相對(duì)動(dòng)彈模越低，混凝土抗壓強(qiáng)度下降的幅度越高。

參考DL/T 5150《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中規(guī)定混凝土抗凍等級(jí)的評(píng)定要求，通過(guò)線性擬合方程計(jì)算，相對(duì)動(dòng)彈模降低到60%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度下降到凍融前的19.3%。

3.1.4 超聲波波速

在混凝土內(nèi)傳播聲速是檢測(cè)混凝土密實(shí)性的一個(gè)間接指標(biāo)，由于超聲波頻率和波長(zhǎng)的限制，使超聲波對(duì)混凝土中較大的缺陷反應(yīng)敏感。

從圖6可看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，其混凝土內(nèi)超聲波聲速呈逐步降低的趨勢(shì)，但降低的速率較小。試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明:一方面，混凝土在凍融破壞過(guò)程中內(nèi)部孔隙逐步增加，密實(shí)度是逐步下降的，這與宏觀強(qiáng)度的下降規(guī)律是一致的;另一方面，超聲波對(duì)混凝土中細(xì)小的孔隙及其連通與擴(kuò)展不敏感，可能在混凝土凍融破壞后期，細(xì)小的裂隙擴(kuò)展連通成較大的缺陷時(shí)，超聲波的測(cè)試會(huì)變得敏感。

圖4 凍融循環(huán)中混凝土相對(duì)動(dòng)彈模的變化Fig.4 Change of relative dynamic elastic modulus of concrete during freeze-thaw cycles

圖5 相對(duì)動(dòng)彈模與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系Fig.5 Relationship between relative dynamic elastic modulus and compressive strength

圖6 凍融循環(huán)中混凝土超聲波波速的變化Fig.6 Change of ultrasonic velocity of concrete during freeze-thaw cycles

針對(duì)經(jīng)受凍融環(huán)境的混凝土結(jié)構(gòu)，如何測(cè)試混凝土的服役狀態(tài)是非常重要的。顯然，通過(guò)取芯以測(cè)試混凝土抗壓強(qiáng)度是最直接最有效的途徑，但取芯將給混凝土結(jié)構(gòu)帶來(lái)一定的破壞。比較2種無(wú)損檢測(cè)方法，即機(jī)械波與超聲波，從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，機(jī)械波波速對(duì)混凝土凍融破壞的敏感程度要高于超聲波。

3.2 凍融循環(huán)過(guò)程中混凝土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的演變

3.2.1 混凝土微孔結(jié)構(gòu)特性的變化規(guī)律

用高壓水銀測(cè)孔儀對(duì)凈漿試樣凍融前后微孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如圖7、圖8所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，凍融循環(huán)過(guò)程中，混凝土微孔含量逐步增加，尤其是孔徑范圍在25～250 nm之間的孔隙。從孔徑分布的百分比來(lái)看，凍融循環(huán)后，孔徑范圍在25～75 nm的孔隙所占的比例呈增大趨勢(shì)。

圖7 混凝土凍融前后累積比孔容曲線Fig.7 Change of cumulative specific pore volume of concrete during freeze-thaw cycles

圖8 混凝土凍融前后微孔分布曲線Fig.8 Change of pore size distribution of concrete during freeze-thaw cycles

3.2.2 凍融破壞過(guò)程中混凝土的微觀結(jié)構(gòu)

用掃描電鏡對(duì)混凝土凍融前后的試樣進(jìn)行了微觀結(jié)構(gòu)的觀測(cè)和分析，試驗(yàn)結(jié)果表明:

(1)混凝土在凍融過(guò)程中，水化產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)狀態(tài)發(fā)生了明顯變化，即由凍融前的堆積狀密實(shí)體(圖9)逐步變成疏松狀態(tài)，且水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了微裂縫(圖10)。

圖9 混凝土凍融前水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)Fig.9 Hydration product of concrete before freeze-thaw actions

圖10 混凝土凍融后水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)Fig.10 Hydration product of concrete after freeze-thaw actions

(2)隨著凍融過(guò)程的增加，混凝土中原來(lái)完整封閉氣泡的，氣泡壁逐步出現(xiàn)了開(kāi)裂，如圖11、圖12所示。

圖11 凍融前氣泡呈完整的封閉狀態(tài)Fig.11 The closed air entrapment in concrete before freeze-thaw actions

圖12 凍融后氣泡壁已出現(xiàn)裂縫Fig.12 The crack along the wall of air entrapment after freeze-thaw actions

4 結(jié)論

(1)凍融循環(huán)過(guò)程中，混凝土抗折強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度的劣化速度較抗壓強(qiáng)度更快。

(2)混凝土抗壓強(qiáng)度的降低率與質(zhì)量損失率、相對(duì)動(dòng)彈模之間呈正線性關(guān)系。

參考DL/T 5150《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中規(guī)定混凝土抗凍等級(jí)的評(píng)定要求，相對(duì)動(dòng)彈模降低到60%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度下降到凍融前的19.3%;質(zhì)量損失達(dá)到5%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度下降到凍融前的 25.5%。

(3)機(jī)械波波速對(duì)混凝土凍融破壞的敏感程度界于混凝土強(qiáng)度和超聲波波速之間。

(4)凍融循環(huán)作用使水泥水化產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)狀態(tài)發(fā)生了明顯變化，即由凍融前的堆積狀密實(shí)體逐步變成疏松狀態(tài)，隨著凍融過(guò)程的增加，混凝土中原來(lái)完整封閉的氣泡，氣泡壁逐步出現(xiàn)了開(kāi)裂。混凝土凍融循環(huán)過(guò)程中，從孔徑分布情況來(lái)看，孔徑25～75 nm之間的孔隙所占的比例呈增大趨勢(shì)。

［1］李金玉，曹建國(guó).水工混凝土耐久性的研究和應(yīng)用［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2004.(LI Jin-Yu，CAO Jian-Guo.Study and Application of the Durability of Hydraulic Concrete［M］.Beijing:China Electric Power Press，2004.(in Chinese))

［2］楊華全，周世華，蘇 杰.氣泡參數(shù)對(duì)引氣混凝土性能的影響［J］.水力發(fā)電，2009，35(1):18－20.(YANG Hua-Quan，ZHOU Shi-Hua，SU Jie.Effect of Air Void Parameters on Properties of Air Entraining Concrete［J］.Water Power，2009，35(1):18－20.(in Chinese))

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［4］POWERS T C，HELMUTH R A .Theory of Volume Change in Hardened Portland Cement Paste During Freezing［J］.Highway Research Board Proceedings，1953，(32):285－297.

［5］楊全兵.凍融循環(huán)條件下氯化鈉濃度對(duì)混凝土內(nèi)部飽水度的影響［J］.硅酸鹽學(xué)報(bào)，2007，35(1):96－100.(YANG Quan-bing.Effects of Sodium Chloride Concentration on Saturation Degree in Concrete under Freezing-Thawing Cycles［J］.Journal of the Chinese Ceramic Society，2007，35(1):96－100.(in Chinese))

［6］李金玉，曹建國(guó)，徐文雨，等.混凝土凍融破壞機(jī)理的研究［J］.水利學(xué)報(bào)，1999，30(1):41－49.(LI Jin-yu，CAO Jian-guo，XU Wen-yu，et al.Study on the Mechanism of Concrete Destruction under Frost Action［J］.Journal of Hydraulic Engineering，1999，30(1):41－49.(in Chinese))