早期受凍摻合料混凝土服役性能試驗(yàn)研究

胡曉鵬+楊蘭+楊超+朱勇+趙楠

摘 要：為評定早期凍融損傷對混凝土結(jié)構(gòu)服役期承載性能及耐久性能的影響規(guī)律，通過不同摻合料種類及摻量、不同起凍時刻的混凝土早期受凍試驗(yàn)，對比了不同受凍時刻混凝土服役期的表面損傷形態(tài)，研究了起凍時刻、摻合料摻量對早期受凍混凝土服役期抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、動彈性模量、滲透性的影響規(guī)律，探討了早期受凍對混凝土服役性能的損傷機(jī)理。結(jié)果表明：起凍時刻對混凝土抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、動彈模的影響程度均表現(xiàn)為2 h>0.5 h≈8 h>1 d>3 d，劈拉強(qiáng)度損失最明顯，動彈模損失次之，抗壓強(qiáng)度損失最不顯著；摻入20%粉煤灰或15%礦粉或20%煤矸石的混凝土早期受凍后的強(qiáng)度和動彈模損失最小，略小于普通混凝土；隨著摻合料摻量的增加，同時刻受凍混凝土試件的抗?jié)B水性和抗?jié)B氣性變差；未凍混凝土試件的抗?jié)B性最好，3 d受凍試件次之，1 d受凍試件再次，而0.5、2、8 h受凍試件最差甚至超出AutoClam設(shè)備的測試范圍。

關(guān)鍵詞：摻合料混凝土；早期受凍；服役期；起凍時刻

中圖分類號：TU528.01

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-4764（2017）05-0093-07

Abstract： In order to evaluate the influence rules of early frost damage on the bearing property and durability of concrete structure in service period， early frost experiments considering different admixtures and different freezing times were carried out. The surface damage forms of different freezing times were compared. The influence rules of freezing times and mineral admixtures on compressive strength， splitting tensile strength， dynamic elastic modulus and permeability of early frost admixture concrete were studied. The damage mechanism of early frost on service performance was discussed. The results showed that the damage degree of freezing time on compressive strength， splitting tensile strength and dynamic elastic modulus embodied as 2 h>0.5 h≈8 h>1 d>3 d. The most obvious loss was the splitting tensile strength， and the next was the dynamic elastic modulus. The least loss was the compressive strength. When 20% fly ash or 15% slag or 20% coal gangue was incorporated into concrete， the strength loss and the dynamic elastic modulus loss was the smallest and smaller than that of common concrete. With the increase of admixture， the anti-water-permeability and anti-air-penetration of concrete specimen at same freezing time were worsen. The anti-permeability of unfrozen concrete was the best， and the next is 3-day frozen concrete. The third is 1-day frozen concrete， and the anti-permeability of 0.5-hour frozen and 2-hour frozen and 8-hour frozen concrete were the worst and even beyond the test range of AutoClam equipment.

Keywords：admixture concrete； early frost； service period； freezing time

秋末冬初、冬末春初季節(jié)交替時氣候條件多變，氣溫突變的可能性大為增加，處于施工期的混凝土結(jié)構(gòu)突然受凍情況時有發(fā)生，造成混凝土水化過程減緩、內(nèi)部微裂縫開展等不利影響，此種早期凍傷大多無法修復(fù)，對混凝土結(jié)構(gòu)服役期的承載性能和耐久性能造成難以彌補(bǔ)的損害。多年來，混凝土澆筑過程中的受凍、硬化過程中的受凍一直備受關(guān)注。文獻(xiàn)[1-4]結(jié)合現(xiàn)有的混凝土凍融破壞理論，分新澆筑混凝土、硬化過程中混凝土、幼齡期混凝土3個階段闡述了混凝土早期凍融損傷的破壞機(jī)理。文獻(xiàn)[5-12]通過混凝土的早期凍融試驗(yàn)研究了早期凍傷混凝土的質(zhì)量損失、抗壓強(qiáng)度損失和孔隙分布變化。然而，目前混凝土早期凍融損傷的研究大多基于《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082—2009）進(jìn)行混凝土材料的早期凍融試驗(yàn)，凍融循環(huán)時間短（2～4 h一個循環(huán)），凍融溫度固定（-17～-8 ℃），循環(huán)次數(shù)多。這種試驗(yàn)環(huán)境與實(shí)際工程條件存在明顯差異，將硬化混凝土凍融試驗(yàn)方法用于研究形態(tài)多變、性能時變的早期混凝土凍融損傷規(guī)律顯然不合理。另外，目前混凝土早期凍融損傷方面的研究較少涉及摻合料，與當(dāng)前的實(shí)際工程不符。模擬實(shí)際工程環(huán)境研究早期受凍摻合料混凝土的服役期性能，對于準(zhǔn)確評定混凝土的早期凍融損傷、早期受凍混凝土結(jié)構(gòu)的承載性能及耐久性能具有重要的理論意義。endprint

筆者以-5 ℃的環(huán)境下冷凍1次、凍融持續(xù)時間8 h為試驗(yàn)環(huán)境模擬混凝土材料的早期突然受凍環(huán)境，通過測試不同起凍時刻摻合料混凝土的服役性能（包括表面形態(tài)、抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、動彈性模量、滲透性），分析早期受凍對摻合料混凝土服役性能的影響規(guī)律和損傷機(jī)理。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

水泥為普通硅酸鹽水泥。摻合料：粉煤灰為Ⅱ級灰，其細(xì)度模數(shù)為0.18、燒失量為5%；礦粉為S105級礦粉；煤矸石粉為秦嶺水泥集團(tuán)燃燒活化過的自然矸石。摻合料X射線熒光光譜分析（XRF）結(jié)果見表1。細(xì)骨料為灃河河沙，細(xì)度模數(shù)為2.9，堆積密度為1 450 kg/m3。粗骨料為粒徑為1～2 cm的碎石，壓碎指標(biāo)為12%，堆積密度為1 400～1 700 kg/m3。高效減水劑為RD-N型高效減水劑，減水效果在20%左右，1 h內(nèi)無塌落度損失，摻入量為膠凝材料質(zhì)量的1%。

1.2 配合比

試驗(yàn)摻合料種類共3種：粉煤灰、礦粉、煤矸石，均為單摻混凝土，摻合料摻量參照目前實(shí)際工程的常規(guī)用量確定。其中，粉煤灰摻量（摻合料質(zhì)量占膠凝材料質(zhì)量的百分比）為10%、20%和30%，礦粉摻量為15%、30%和45%，煤矸石摻量為10%、20%和30%。各種摻合料混凝土的配合比見表2。

1.3 試件成型與養(yǎng)護(hù)

澆筑振搗成型好的試件在室外自然壞境（10 ℃左右）下分別養(yǎng)護(hù)至0.5 h（初凝前）、2 h（初凝與終凝之間）、8 h（終凝后）、1、3 d后，將混凝土試件置于-5 ℃的氣候模擬試驗(yàn)箱內(nèi)冷凍8 h后取出，澆筑振搗成型時預(yù)留各種編號不凍融混凝土試件作為對比試件，將所有試件在室內(nèi)自然環(huán)境下養(yǎng)護(hù)至齡期1 a后測試其抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、動彈性模量、滲透性。其中，混凝土抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度測試采用100 mm×100 mm×100 mm的試件，每種編號混凝土6個，3個測試抗壓強(qiáng)度，3個測試劈拉強(qiáng)度；動彈性模量測試采用100 mm×100 mm×400 mm的試件，每種編號混凝土6個，3個采用共振法測試相對動彈性模量，3個采用超聲法測試相對動彈性模量；滲透性測試采用150 mm×150 mm×150 mm的試件，每種編號混凝土6個，3個測試滲氣性，3個測試滲水性。

1.4 試驗(yàn)方法與凍融損傷評價指標(biāo)

依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081—2002）[13]的技術(shù)要求，測試混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度，計(jì)算其抗壓強(qiáng)度損失率和劈拉強(qiáng)度損失率（損失率為凍融后強(qiáng)度、未凍強(qiáng)度間的差值與未凍強(qiáng)度的比值）。共振法和超聲法常用于測試凍融后混凝土的相對動彈性模量，兩者測試結(jié)果常存在差異，參照文獻(xiàn)[14-15]的技術(shù)要求，使用共振儀和超聲波檢測儀分別測試并計(jì)算混凝土的動彈性模量。采用Autoclam測試儀分別測試試件的滲氣性和滲水性；以測試時間為x軸，以第5～15 min壓力的自然對數(shù)為y軸，所得直線的斜率為空氣滲透性系數(shù)Ka；以測試時間的平方根為x軸，以第5～15 min的滲水量為y軸，所得直線的斜率為吸水性系數(shù)。各性能參數(shù)采用3個試件測值的算術(shù)平均值，3個測值中的最大值或最小值中如有一個與中間值的差值超過中間值的15%時，則取中間值。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 表面形態(tài)

將各試件進(jìn)行切割拋光，圖1給出了不同的起凍時刻t混凝土OC切割拋光后的表面形態(tài)。從圖1可以看出：未凍混凝土中無明顯的肉眼可見裂縫，粗骨料與漿體間連接緊密，孔隙分布均勻；0.5、2 h受凍混凝土試件四周出現(xiàn)明顯的脫落，漿體自身、漿體與裂縫間有肉眼可見裂縫，漿體強(qiáng)度較低造成細(xì)骨料顆粒顯露明顯；8 h受凍混凝土試件四周出現(xiàn)輕微脫落，漿體自身、漿體與裂縫間有肉眼可見裂縫但裂縫寬度明顯小于0.5 h和2 h受凍試件；1、3 d受凍混凝土試件完整度較好，但個別粗骨料與漿體間有細(xì)微裂縫。

從圖2、圖3可以看出：

1）抗壓強(qiáng)度損失程度為：2 h>0.5 h>8 h>1 d>3 d，相應(yīng)的受凍混凝土抗壓強(qiáng)度損失率約為28.3%、20.3%、18.0%、8.8%、3.1%；混凝土劈拉強(qiáng)度損失程度為：2 h>8 h>0.5 h>1 d>3 d，相應(yīng)的受凍混凝土抗壓強(qiáng)度損失率約為36.3%、33.6%、28.2%、21.2%、2.6%。得到的早期受凍對混凝土強(qiáng)度的影響規(guī)律與文獻(xiàn)[1，6-7]的研究結(jié)果一致，但損傷程度有一定差異，究其原因是試驗(yàn)材料、試驗(yàn)溫度條件的差異引起的。對比發(fā)現(xiàn)，早期受凍造成的混凝土抗拉強(qiáng)度損失比抗壓強(qiáng)度損失更顯著。

2）隨著摻合料的摻入，不同時刻早期受凍混凝土抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度損失率略有不同，大致情況為：FC1>OC>FC3>FC2，SC2>OC>SC3>SC1，GC1>OC>GC3>GC2。如2 h受凍OC、FC1、FC2、FC3混凝土的抗壓強(qiáng)度損失率分別為26.6%、30.1%、25.2%、26.5%，其相應(yīng)的劈拉強(qiáng)度損失率分別為36.5%、40.6%、31.1%、32.0%；2 h受凍OC、SC1、SC2、SC3混凝土的抗壓強(qiáng)度損失率分別為29.6%、27.5%、30.1%、28.7%，其相應(yīng)的劈拉強(qiáng)度損失率分別為39.4%、38.7%、40.1%、39.1%；2 h受凍OC、GC1、GC2、GC3混凝土的抗壓強(qiáng)度損失率分別為30.1%、34.7%、24.0%、26.8%，其相應(yīng)的劈拉強(qiáng)度損失率分別為36.5%、43.8%、29.3%、32.4%?？梢钥闯觯簱饺?0%粉煤灰或15%礦粉或20%煤矸石的混凝土早期受凍后的強(qiáng)度損失率最小，均小于普通混凝土；摻合料的適量摻入可減輕混凝土的早期凍融損傷。

2.3 相對動彈性模量分析

表3給出了不同的起凍時刻t共振法和超聲法混凝土動彈性模量Ed的測試分析結(jié)果。

從表3可以看出：endprint

1）兩種方法反映出起凍時刻、摻合料對早期受凍混凝土相對動彈性模量的影響規(guī)律相似，均能較好地描述早期受凍混凝土的損失程度。兩種方法測試結(jié)果差異較小，兩者之間的差值最大值為1.5%。

2）各種編號混凝土受凍后的相對動彈模均表現(xiàn)為：2 h<0.5 h<8 h<1 d<3 d，即初凝與終凝間混凝土受凍動彈模損失最大，初凝前受凍次之，終凝后動彈性模量損失隨著齡期的增加逐漸減少，3 d受凍混凝土的動彈性模量損失10%以內(nèi)。得到的早期受凍對動彈性模量的影響規(guī)律與文獻(xiàn)[8，11]的研究結(jié)果一致，損傷程度有一定的差異。

3）隨著摻合料的摻入，不同時刻早期受凍混凝土動彈性模量損失均有不同程度的增大，損失程度大致情況為：FC3>FC1>OC>FC2，SC3>SC2>OC>SC1，GC3>GC1>OC>GC2。摻入20%粉煤灰或15%礦粉或20%煤矸石的混凝土早期受凍后的動彈性模量損失比不摻摻合料混凝土略小；摻入更多的摻合料后混凝土早期受凍后的動彈性模量損失明顯增大。

2.4 滲透性分析

混凝土的滲水性和滲氣性一定程度上影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，混凝土的早期受凍對混凝土的滲透性的影響程度尚不清楚。表4給出了未凍、1 d及3 d受凍混凝土空氣滲透性系數(shù)和水滲透性系數(shù)的測試結(jié)果。0.5、2、8 h的滲氣性和滲水性均超過了AutoClam測試儀的測試范圍，滲氣性或滲水性更差。從表4可以看出：

1）未凍試件、1 d受凍試件、3 d受凍試件相比，3 d受凍試件的空氣滲透性系數(shù)和水滲透性系數(shù)均大于未凍試件，而1 d受凍試件的空氣滲透性系數(shù)和水滲透性系數(shù)最大。0.5、2、8 h這3種時間受凍后，混凝土的滲氣性和滲水性更差，AutoClam設(shè)備加壓的氣體壓強(qiáng)極短時間消散，設(shè)備所加的水很快完全滲入試件中，說明未凍試件的抗?jié)B水性和抗?jié)B氣性最好，3 d受凍試件次之，1 d受凍試件再次，而0.5、2、8 h受凍試件更差。

2）隨摻合料摻量的增加，未凍混凝土試件、同一時刻受凍混凝土試件的空氣滲透性系數(shù)與水滲透性系數(shù)均增大，混凝土的抗?jié)B水性和抗?jié)B氣性變差。

3 早期受凍對混凝土服役性能的影響

及機(jī)理分析

3.1 起凍時刻的影響

起凍時刻對混凝土抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、動彈模、滲透性的影響程度表現(xiàn)為2 h>0.5 h≈8 h>1 d>3 d，這是因?yàn)椋撼跄蠼K凝前的混凝土（2 h）已部分失去可塑性但未完全固化，此時受凍產(chǎn)生的凍脹變形使混凝土在約束情況下內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，使其整體性和密實(shí)性遭到破壞，混凝土表面局部疏松脫落，漿體自身、漿體與粗骨料間出現(xiàn)明顯的裂縫，隨著混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后水化過程的繼續(xù)完成極少量的混凝土材料凍脹損傷會自我修復(fù)，大多數(shù)損傷已無法修復(fù)形成永久損傷造成服役性能的明顯損失，此時受凍造成混凝土抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、動彈性模量損失最明顯，混凝土的抗?jié)B水性和抗?jié)B氣性變差程度最明顯。

初凝前的混凝土（0.5 h）受凍雖然由于大量可結(jié)冰水的存在造成此時的抗凍能力最差，但此時的混凝土材料尚處于流動可塑狀態(tài)且水化程度亦極低，此時受凍產(chǎn)生的凍脹變形不會產(chǎn)生應(yīng)力或產(chǎn)生極小的應(yīng)力[16]，凍脹作用造成的部分損傷會隨著混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后水化過程的繼續(xù)完成而填充混凝土內(nèi)部裂縫及孔洞，實(shí)現(xiàn)混凝土材料的自我修復(fù)，少量損傷形成永久損傷造成服役性能的損失，此時受凍造成混凝土強(qiáng)度與動彈模損失均小于初凝與終凝間受凍的混凝土，混凝土的抗?jié)B水性和抗?jié)B氣性也優(yōu)于初凝與終凝間受凍的混凝土。

隨著混凝土齡期的增長，終凝后的混凝土（8 h、1 d、3 d）混凝土水化程度提高，混凝土強(qiáng)度增長明顯，孔隙中的可凍水減少，混凝土的固相狀態(tài)趨于穩(wěn)定，抗凍能力逐漸增強(qiáng)，早期凍傷對混凝土服役性能（損傷程度、強(qiáng)度損失、動彈模損失、滲透性）的影響越來越小。

3.2 摻和料的影響

適量的摻和料的摻入造成水泥用量減少、水化熱降低[17]，摻和料顆粒填充了混凝土內(nèi)部微孔，提高了整體的密實(shí)性，改善了孔隙結(jié)構(gòu)；而且摻和料與一次水化產(chǎn)物Ca（OH）2一起參與二次水化反應(yīng)，生成新的產(chǎn)物改變了混凝土內(nèi)部物質(zhì)組份，并繼續(xù)改善混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，一定程度上提高了混凝土的抗凍性。

4 結(jié)論

1）未凍混凝土中無肉眼可見裂縫，粗骨料與漿體間連接緊密，孔隙分布均勻；終凝前受凍混凝土試件出現(xiàn)不同程度的疏松脫落，漿體自身、漿體與裂縫間有肉眼可見裂縫，細(xì)骨料顆粒局部暴露明顯；終凝后受凍混凝土表面完好，漿體自身、漿體與粗骨料間的可見裂縫隨齡期的增長明顯減少。

2）早期起凍時刻對混凝土抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、動彈性模量的影響規(guī)律相似，大致表現(xiàn)為：2 h>0.5 h≈8 h>1 d>3 d，劈拉強(qiáng)度損傷最明顯，動彈性模量損傷次之，抗壓強(qiáng)度損失表現(xiàn)最不顯著。

3）摻入20%粉煤灰或15%礦粉或20%煤矸石的混凝土早期受凍后的強(qiáng)度損失、動彈性模量損失程度最小，略小于普通混凝土。隨著摻合料摻量的增加，未凍混凝土試件、同一時刻受凍混凝土試件的抗?jié)B水性和抗?jié)B氣性變差。

4）共振法和超聲法測定早期受凍混凝土動彈性模量的結(jié)果差異較小，兩種方法均能較好描述早期受凍混凝土的損失程度。

5）未凍混凝土試件的抗?jié)B水性和抗?jié)B氣性最好，3 d受凍試件次之，1 d受凍試件再次，而0.5、2、8 h受凍試件更差且超出AutoClam的測試范圍。

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（編輯 胡英奎）endprint