凍融循環(huán)作用下混凝土毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)的劣化機(jī)制

姜作杰

(呼倫貝爾學(xué)院 建筑工程學(xué)院, 內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021008)

凍融循環(huán)作用下混凝土毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)的劣化機(jī)制

姜作杰

(呼倫貝爾學(xué)院 建筑工程學(xué)院, 內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021008)

研究凍融循環(huán)作用下混凝土毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律，并與吸水性及宏觀性能相結(jié)合，探索毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)的劣化機(jī)制及其對混凝土宏觀性能的影響規(guī)律.結(jié)果表明：水飽和狀態(tài)是造成凍融循環(huán)過程中混凝土孔結(jié)構(gòu)改變的重要因素；利用混凝土毛細(xì)吸水系數(shù)能夠較為明確地反映凍融循環(huán)作用下混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變；毛細(xì)吸水系數(shù)初值和增長速率是表征毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)演變規(guī)律的關(guān)鍵參數(shù)，毛細(xì)吸水系數(shù)越大，凍融循環(huán)后混凝土強(qiáng)度越低.

毛細(xì)吸水； 水飽和狀態(tài)； 凍融循環(huán)； 孔結(jié)構(gòu); 混凝土.

混凝土是一種多孔的建筑材料，水在多孔材料中的傳輸是造成其性能劣化的重要原因[1].水在材料中的遷移有3種方式：毛細(xì)作用、擴(kuò)散作用及在壓力梯度下的滲透[2].在非壓力作用下，水在混凝土中的擴(kuò)散是一個(gè)相當(dāng)緩慢的過程.在混凝土中，毛細(xì)作用是水滲透的主要方式，日益受到各國學(xué)者的關(guān)注[3-5].凍融破壞是我國東北、西北和華北地區(qū)水工混凝土建筑在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的主要病害，對于水閘、渡槽等中小型水工混凝土建筑物，凍融破壞的地區(qū)范圍更為廣泛[6].凍融循環(huán)的主要破壞機(jī)理是混凝土孔結(jié)構(gòu)中的水在環(huán)境作用下，體積變化產(chǎn)生的壓力破壞[3].在凍融循環(huán)作用下，毛細(xì)孔中的水會引起9%的體積變化[4,7].因此，深入研究混凝土孔結(jié)構(gòu)，尤其是毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)，對于提高混凝土抗凍融循環(huán)作用具有重要意義.本文主要研究凍融循環(huán)對混凝土毛細(xì)吸水性能的影響，將混凝土毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)的變化與混凝土宏觀性能相結(jié)合，深入研究孔結(jié)構(gòu)的劣化機(jī)制.

1 材料與方法

1.1 原材料

海螺PⅡ52.5級水泥；Ⅰ級粉煤灰，符合 GB/T 1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的質(zhì)量要求；浙江某公司袋收塵二氧化硅粉，比表面積為19.1 m2·g-1；市售聚羧酸型高效減水劑；細(xì)骨料采用河砂，細(xì)度模數(shù)為2.8的Ⅱ區(qū)中砂；粗骨料5～20 mm，連續(xù)級配碎石.

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

研究凍融循環(huán)作用下混凝土吸水性能的變化，混凝土成型后，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d，進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)[8].在凍融循環(huán)25，50，75和100次時(shí)，分別檢測混凝土表觀孔隙率、含水率、水飽和度和抗壓強(qiáng)度.同時(shí)，研究摻加硅灰、粉煤灰凍融循環(huán)混凝土的性能，硅灰、粉煤灰分別取代5%，10%水泥.混凝土配合比[9]中，水、水泥、礦粉、硅灰、減水劑、砂、石分別為175，400，0，0，6，800，1 000 kg·m-3.

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 表觀孔隙率及水飽和度的計(jì)算 將待測的混凝土試塊放入70 ℃的烘箱中烘干至恒質(zhì)量，真空保水6 h，在室溫下，放置至恒質(zhì)量.

孔隙率、水飽和度[3]的計(jì)算公式為

式(1)，(2)中：P為孔隙率;Pw為水飽和度；msat為空氣飽和質(zhì)量；mwat為水飽和質(zhì)量；mdry為絕干質(zhì)量.

圖1 毛細(xì)吸水試驗(yàn)裝置

1.3.2 毛細(xì)吸水系數(shù)的測定 真空飽水6 h后，放入溫度為 70 ℃的烘箱中烘干、稱質(zhì)量，已切割的試件烘干后稱凈質(zhì)量.在試件的側(cè)面涂上環(huán)氧樹脂，擱放在支棒上，使試件的內(nèi)表面與水接觸，水面高出試樣不超過 5 mm.毛細(xì)吸水試驗(yàn)裝置，如圖 1 所示.

經(jīng)不同的時(shí)間間隔，取出試件，用濕布將試件與水接觸面上的多余水分擦去，然后稱質(zhì)量，整個(gè)過程在 30 s 內(nèi)完成.

毛細(xì)吸水系數(shù)[4]的計(jì)算公式為

式(3)中：k為毛細(xì)吸水系數(shù)；Q為毛細(xì)吸水量，cm3；A為毛細(xì)吸水面積，cm2；t為毛細(xì)吸水時(shí)間，s.

1.3.3 混凝土力學(xué)性能 參照GB/T 50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》檢測對應(yīng)凍融循環(huán)破壞后的混凝土強(qiáng)度.

2 分析與討論

2.1 凍融循環(huán)作用下混凝土吸水性能的變化

利用飽和吸水率的方法表征混凝土孔結(jié)構(gòu)，測量的孔隙率結(jié)果，如圖2所示.由圖2可知：隨著凍融循環(huán)次數(shù)(n)的增加，混凝土的孔隙率(η)逐步增加.以基準(zhǔn)混凝土為例，經(jīng)過100次凍融循環(huán)，混凝土孔隙率增加48%，說明經(jīng)過凍融循環(huán)，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，最終會影響混凝土的宏觀結(jié)構(gòu).

圖2 凍融循環(huán)對混凝土孔隙率的影響

對比圖2中的3條孔隙率變化曲線可知：不同階段混凝土的孔隙多少呈現(xiàn)穩(wěn)定的趨勢，摻加粉煤灰混凝土孔隙率>普通混凝土孔隙率>摻加硅灰的混凝土孔隙率.這是由于硅灰的顆粒粒徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于粉煤灰，在填充混凝土結(jié)構(gòu)微孔方面的作用顯著高于粉煤灰.

隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，3條曲線呈現(xiàn)出不同的變化趨勢.當(dāng)凍融循環(huán)小于50次時(shí)，基準(zhǔn)混凝土的孔結(jié)構(gòu)變化并不明顯，僅呈現(xiàn)出略微增加的趨勢；而當(dāng)凍融循環(huán)超過50次，繼續(xù)進(jìn)行凍融循環(huán)，混凝土孔結(jié)構(gòu)顯著地變化，孔隙率呈現(xiàn)快速增加的趨勢.即在前50次的凍融循環(huán)過程中，普通混凝土的總孔隙結(jié)構(gòu)并未發(fā)生顯著地變化，混凝土處于相對穩(wěn)定的階段；而繼續(xù)增加凍融循環(huán)，內(nèi)部損傷加劇，產(chǎn)生大量的裂紋并繼續(xù)發(fā)展，造成了總孔隙的快速增加.

摻加硅灰的混凝土，與普通混凝土的變化趨勢相似.首先，平穩(wěn)變化，而后呈現(xiàn)較快地增長.不同的是，摻加硅灰的混凝土經(jīng)歷了75次凍融循環(huán)之后，其總的孔隙率變化并不明顯.這說明摻加硅灰之后，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)得到加強(qiáng)，對由于凍融循環(huán)導(dǎo)致的應(yīng)力破壞具有更強(qiáng)的抵抗能力[10-11].摻加粉煤灰的混凝土，在凍融循環(huán)開始之后，孔隙率隨循環(huán)次數(shù)增加而增長，經(jīng)過100次凍融循環(huán)后，總孔隙率達(dá)到17%.

凍融循環(huán)后，混凝土毛細(xì)吸水效應(yīng)的變化，如圖3所示.由圖3可知：與總孔隙率的變化趨勢不同，混凝土毛細(xì)吸水性能隨凍融次數(shù)增加而顯著增加[12].毛細(xì)吸水系數(shù)的增加意味著混凝土內(nèi)部毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)的顯著改變，這一改變包括自身毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)由于內(nèi)部毛細(xì)水凍融作用下產(chǎn)生的體積變化，引起了毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)的膨脹破壞，進(jìn)而形成更為粗大的宏觀孔；另一方面，水泥產(chǎn)物中的部分尺寸更小的凝膠孔由于收到應(yīng)力破壞而形成的毛細(xì)孔.因此，毛細(xì)吸水系數(shù)的變化代表著兩部分孔結(jié)構(gòu)變化的工作作用結(jié)果.

對應(yīng)圖2混凝土總孔隙率的討論，以普通混凝土為例.在凍融循環(huán)小于50次時(shí)，僅是內(nèi)部不同孔徑的轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生了更多的毛細(xì)孔，而總孔隙率并不顯著.當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)繼續(xù)增加，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生了大量的孔融破壞，總孔隙率顯著增加.經(jīng)過100次凍融循環(huán)后，基準(zhǔn)混凝土、摻加粉煤灰混凝土和摻加硅灰的混凝土，毛細(xì)吸水系數(shù)分別增加了133%，104%和151%.

圖3 凍融循環(huán)對混凝土毛細(xì)吸水系數(shù)的影響

由此可見，硅灰顯著地降低了混凝土內(nèi)部毛細(xì)孔數(shù)量，然而，在經(jīng)受凍融循環(huán)之后，其內(nèi)部的毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)變化要高于普通混凝土和摻加粉煤灰后的混凝土.而摻加粉煤灰后，混凝土初始毛細(xì)孔量高于普通混凝土，但在變化趨勢上顯得更為平緩.這可能是由于硅灰在改善混凝土致密性的同時(shí)，提高了混凝土的剛度.因此，在凍融循環(huán)后，其內(nèi)內(nèi)應(yīng)力作用增加，導(dǎo)致孔結(jié)構(gòu)變化更為顯著.

相比于混凝土飽和吸水孔隙率，混凝土毛細(xì)吸水系數(shù)更能體現(xiàn)出凍融循環(huán)作用下，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化趨勢.而與混凝土宏觀性能顯著關(guān)聯(lián)的混凝土毛細(xì)吸水系數(shù)，在變化過程中，與混凝土的內(nèi)部密實(shí)度和剛度都具有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，在性能設(shè)計(jì)過程中需要綜合考慮.

2.2 吸水性能與混凝土宏觀性能的關(guān)系

不同凍融循環(huán)作用下，混凝土的抗壓強(qiáng)度的變化情況，如圖4所示.由圖4可知：隨著凍融作用的增加，混凝土強(qiáng)度(p′)顯著下降.在經(jīng)過100次凍融之后，基準(zhǔn)混凝土、粉煤灰混凝土和硅灰混凝土強(qiáng)度分別下降20%，18%和25%.

硅灰對于提高混凝土的抗壓強(qiáng)度具有重要的作用.因此，在凍融循環(huán)作用前后，硅灰混凝土的強(qiáng)度都顯著高于其他兩類型混凝土.粉煤灰由于活性較低，在凍融之前的強(qiáng)度最低.然而，在100次凍融之后，其強(qiáng)度與基準(zhǔn)相近，甚至略高于基準(zhǔn).這說明在抵抗凍融循環(huán)作用過程中，粉煤灰具有相對的潛力.凍融循環(huán)作用下，混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到膨脹應(yīng)力的破壞，產(chǎn)生大量的微裂縫和孔洞.因此，混凝土的宏觀強(qiáng)度顯著下降[13].

在節(jié)2.1中，研究了混凝土凍融循環(huán)對混凝土孔結(jié)構(gòu)的影響，將混凝土毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)的代表值毛細(xì)吸水系數(shù)(k)與混凝土抗壓強(qiáng)度進(jìn)行關(guān)聯(lián)，結(jié)果如圖5所示.由圖5可知：毛細(xì)吸水系數(shù)與混凝土宏觀強(qiáng)度具有很高的關(guān)聯(lián)度.毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)的變化會引起混凝土宏觀強(qiáng)度的顯著變化.此時(shí)，利用總孔隙率由于不能充分地表征內(nèi)部不同孔徑的轉(zhuǎn)換關(guān)系，其與宏觀強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)性更弱[14].

圖4 凍融循環(huán)對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響 圖5 混凝土毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)與宏觀性能的關(guān)系

混凝土毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)與混凝土抗壓強(qiáng)度具有很好的相關(guān)性，硅灰能顯著提高混凝土各種環(huán)境下的力學(xué)性能，卻加速了凍融循環(huán)對混凝土的強(qiáng)度的破壞速率[15].雖然粉煤灰對混凝土強(qiáng)度貢獻(xiàn)較小，但摻加粉煤灰后能降低凍融循環(huán)對混凝土結(jié)構(gòu)的破壞速率.

2.3 毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)劣化分析

材料空隙中存在多種狀態(tài)的液體，不同狀態(tài)的液體具有不同的特征，由于凍融循環(huán)作用，混凝土孔隙中的水分在液-固轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生的膨脹壓力對混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有重要影響[16].

假設(shè)當(dāng)孔隙中水均以液相存在時(shí)，孔隙中水的壓力滿足開爾文方程，即

式(4)中：p為液相壓力;p0為大氣壓；pv為蒸汽壓；pv，0為飽和蒸汽壓；pv/pv，0即為水飽和度；R為氣體常數(shù)，取8.314 J·(mol·K)-1；T為溫度；vw為比體積，當(dāng)20 ℃時(shí)，vw為1.8×10-5m3·mol-1.

根據(jù)式(4)，假設(shè)內(nèi)部相對濕度85%，在20 ℃條件下，p-p0=-22 MPa，壓力負(fù)值說明在正常條件下，由于孔隙內(nèi)水分的存在，混凝土收到潛在的收縮力，對于混凝土強(qiáng)度是有利的.

如果孔隙內(nèi)水分收到凍融循環(huán)作用而結(jié)冰，其內(nèi)部方程轉(zhuǎn)化為

圖6 凍融循環(huán)作用下水飽和度對混凝土孔結(jié)構(gòu)改變的影響

對比式(4)，(5)可知：隨著凍融過程的進(jìn)行，孔結(jié)構(gòu)中的水壓力逐步從負(fù)值轉(zhuǎn)為正值，形成膨脹壓力，造成混凝土內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的改變.

凍融循環(huán)作用下，水飽和度對混凝土孔結(jié)構(gòu)改變的影響，如圖6所示.圖6中：ln(pv/pv,0)為蒸汽壓pv與飽和蒸汽壓pv,0比值的對數(shù)值.由圖6可知：兩者具有較好的關(guān)聯(lián)性.因此，在凍融循環(huán)過程中，水飽和度是影響混凝土孔結(jié)構(gòu)及性能的顯著因素.

3 結(jié)論

研究凍融循環(huán)作用下混凝土毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律，并與吸水性及宏觀性能相結(jié)合，探索毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)的劣化機(jī)制及其對混凝土宏觀性能的影響規(guī)律,得出以下3點(diǎn)結(jié)論.

1) 毛細(xì)吸水系數(shù)能夠表征凍融循環(huán)作用下混凝土毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)的特征，毛細(xì)吸水系數(shù)初值和增長速率是毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)演變規(guī)律的關(guān)鍵參數(shù).

2) 在與混凝土宏觀性能的關(guān)聯(lián)研究中，毛細(xì)吸水系數(shù)相比于孔隙率更為精準(zhǔn).毛細(xì)吸水系數(shù)越高，強(qiáng)度下降越快.

3) 在凍融循環(huán)過程中，孔結(jié)構(gòu)水飽和度是引起混凝土孔結(jié)構(gòu)改變的重要因素.

[1] LI Shuguang,CHEN Gaixin,JI Guojin,et al.Quantitative damage evaluation of concrete suffered freezing-thawing by DIP technique[J].Construction and Building Materials,2014(69):177-185.

[2] 黃蓓，錢春香.摻合料混凝土的毛細(xì)吸水現(xiàn)象[J].混凝土與水泥制品,2008(4):14-16.

[3] ROSSIGNOLO J A,AGNESINI M.Durability of polymer-modified lightweight aggregate concrete[J].Cement and Concrete Composites,2004,26(4):375-380.

[4] TASDEMIR C.Combined effects of mineral admixtures and curing conditions on the sorptivity coefficient of concrete[J].Cement and Concrete Research,2003,33(10):1637-1642.

[5] MEDEIROS M,HELENE P.Surface treatment of reinforced concrete in marine environment: Influence on chloride diffusion coefficient and capillary water absorption[J].Construction and Building Materials,2009,23(3):1476-1484.

[6] 李金玉，曹建國，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(1):41-49.

[7] MARTYS N S,FERRARIS C F.Capillary transport in mortars and concrete[J].Cement and Concrete Research,1997,27(5):747-760.

[8] 慕儒.凍融循環(huán)與外部彎曲應(yīng)力、鹽溶液復(fù)合作用下混凝土的耐久性與壽命預(yù)測[J].南京：東南大學(xué),2000：1-20.

[9] 陳斌,李富強(qiáng),劉國華，等.混凝土配合比的非線性多目標(biāo)優(yōu)化算法研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2005,39(1):16-19.

[10] WANG Zhenjun,LI Kezhi,WANG Chuan.Freezing-thawing effects on electromagnetic wave reflectivity of carbon fiber cement based composites[J].Construction and Building Materials,2014(64):288-292.

[11] YAZICI H.The effect of silica fume and high-volume class C fly ash on mechanical properties, chloride penetration and freeze-thaw resistance of self-compacting concrete[J].Construction and Building Materials,2008,22(4):456-462.

[12] 張朝輝,王沁芳,楊娟，等.透水混凝土強(qiáng)度和透水性影響因素研究[J].混凝土,2008(3):7-9.

[13] SI Wei,MA Biao,LI Ning,et al.Reliability-based assessment of deteriorating performance to asphalt pavement under freeze-thaw cycles in cold regions[J].Construction and Building Materials,2014(68):572-579.

[14] 張金喜,張建華,鄔長森,等.再生混凝土性能和孔結(jié)構(gòu)的研究[J].建筑材料學(xué)報(bào),2006,9(2):142-147.

[15] 李浩,施養(yǎng)杭.混凝土碳化深度預(yù)測模型的比對與分析[J].華僑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,28(2):192-195.

[16] 陳健,徐偉.清水混凝土耐久性的內(nèi)部結(jié)構(gòu)微觀分析[J].建筑施工,2005,27(10):62-64.

Degradation Mechanism of Concrete Pore Structure Under

(責(zé)任編輯： 錢筠 英文審校： 方德平)

the Action of Freeze-Thaw Cycle

JIANG Zuojie

(College of Information Science and Engineering, Huaqiao University, Xiamen 361021, China)

The influence of freezing-thawing cycle on capillary pore structure of concrete was investigated. Combining water absorption and macro performance, the capillary pore structure degradation mechanism under freezing-thawing cycle under the effect of capillary pore structure and its influence on macro properties of concrete were discussed. The results show that the water saturation state is an important factor to change concrete pore structure under freezing-thawing cycles; the change of internal structure of concrete under freezing and thawing cycles can be clearly defined by the capillary water absorption coefficient of concrete; the initial value and its growth rate of capillary water absorption coefficient are the key parameter for characterization of pore structure evolution; as capillary water absorption coefficient increases, the concrete strength decreases after freezing-thawing cycle.

capillary water absorption； water saturation state； freezing-thawing cycle； pore structure； concrete

1000-5013(2015)06-0716-05

10.11830/ISSN.1000-5013.2015.06.0716

2015-10-08

姜作杰(1979-)，男，高級工程師，講師,主要從事結(jié)構(gòu)力學(xué)、建筑結(jié)構(gòu)的研究.E-mail:69480226@qq.com.

國家教師科研基金“十二五”規(guī)劃重點(diǎn)課題(CTF120905)

TU 528.0

A