高寒地區(qū)復(fù)摻礦物摻合料水工混凝土抗凍耐久性劣化機(jī)理研究

賴海珍，陸程銘，荊慧斌，張 帥

(1.崇明區(qū)農(nóng)村水利管理所，上海 202150；2.上海涇景水利工程設(shè)計(jì)有限公司，上海 200940；3.西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院，陜西 西安 710048)

1 研究背景

60余年來，我國(guó)興建了大量的水利水電工程，中東部地區(qū)建設(shè)已接近尾聲，重心已經(jīng)轉(zhuǎn)向了自然條件嚴(yán)酷的西部高寒地區(qū)。影響西部高寒高海拔地區(qū)建筑材料使用壽命的因素主要有海拔高、日溫差大、凍融循環(huán)劇烈、太陽(yáng)輻射強(qiáng)等。其中，較大溫差引起的凍融循環(huán)破壞是影響高寒區(qū)水工混凝土耐久性的主要原因。因此，廣大學(xué)者對(duì)于水工混凝土的抗凍性進(jìn)行了大量的研究[1]。

影響水工混凝土抗凍性的因素較多，水泥品種、摻合料類型、水灰比、攪拌方式、拌合物流變參數(shù)等均可以對(duì)水工混凝土的抗凍性產(chǎn)生影響[2-6]。Yazici[7]研究表明，應(yīng)用大摻量粉煤灰(FA)、硅灰(SF)、稻殼灰(RH)及磨細(xì)礦渣等礦物摻合料，可以有效地提高混凝土的抗?jié)B、抗氯離子及抗腐蝕性能，摻加礦物摻合料是提高混凝土耐久性最有效、也是最經(jīng)濟(jì)的途徑。李陽(yáng)等[8]通過試驗(yàn)表明，粉煤灰混凝土的抗凍能力隨著粉煤灰摻量的增加而降低，和相同等級(jí)的普通混凝土相比，28 d齡期的粉煤灰混凝土試件抗凍耐久性試驗(yàn)結(jié)果偏低。隨著粉煤灰混凝土技術(shù)的深入與發(fā)展，摻加礦物材料混凝土的抗凍性研究已經(jīng)越來越引起學(xué)者們的關(guān)注。姚軍等[9]研究表明，引氣硅粉混凝土無論水灰比多少，硅粉摻量15%以下時(shí)混凝土均具有較高的抗凍性能。何智海等[10]通過試驗(yàn)得出結(jié)論：隨著礦渣摻量的增加，其混凝土的抗凍性能越差，但摻和比例合適時(shí)，抗凍性與普通混凝土相比具有較大的改善。

目前混凝土水工混凝土凍融循環(huán)的研究大多根據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082-2009)中快凍法的試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行操作。然而，規(guī)范對(duì)于混凝土凍融循環(huán)的試件中心溫度規(guī)定為(-18±2)～(5±2)℃。規(guī)范中試件最低溫度為-20℃，而高寒地區(qū)極端最低氣溫平均值可以達(dá)到-30℃[1]，這種試驗(yàn)環(huán)境與高寒地區(qū)實(shí)際服役環(huán)境存在明顯差異，將普通混凝土凍融試驗(yàn)方法用于研究極端環(huán)境下水工混凝土凍融損傷規(guī)律的誤差較大[13-14]。筆者以試件中心溫度為(-20、-25、-30)℃～8℃，對(duì)試件進(jìn)行300次凍融試驗(yàn)，模擬水工混凝土材料的高寒地區(qū)極端環(huán)境，通過測(cè)試復(fù)摻礦物摻合料混凝土的服役性能(包括質(zhì)量損失、抗壓強(qiáng)度、動(dòng)彈性模量、滲透性)，研究探索大溫差凍融循環(huán)作用對(duì)礦物摻合料水工混凝土耐久性能的劣化機(jī)理。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 原材料

(1)膠凝材料：水泥為冀東水泥有限公司生產(chǎn)的盾石牌普通硅酸鹽水泥(P·O)，強(qiáng)度等級(jí)42.5R；粉煤灰選用渭河電廠正元牌粉煤灰物，等級(jí)為Ⅱ級(jí)；稻殼灰采用西安中糧集團(tuán)加工的稻殼，經(jīng)過鍋爐燃燒后得到的稻殼灰；硅灰采用呼和浩特市閩澳新能源材料有限公司生產(chǎn)的高強(qiáng)硅灰。各膠凝材料的化學(xué)組成成分見表1。

表1 膠凝材料的化學(xué)組成成分 %

(2)細(xì)骨料(砂)：河砂，顆粒級(jí)配為中砂，細(xì)度模數(shù)為2.68。

(3)粗骨料：天然卵石，石料粒徑5～30 mm，小石子粒徑為5～20 mm，大石子粒徑為20～30 mm。

2.2 配合比

試驗(yàn)中礦物摻合料種類共3種：粉煤灰、硅灰、稻殼灰。本試驗(yàn)水工混凝土按照某面板混凝土壩面板混凝土配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)，按照單摻、雙摻及三摻形式來替換水泥用量，摻量均為20%。水工混凝土配合比見表2。

表2 試驗(yàn)水工混凝土配合比 kg/m3,%

2.3 試驗(yàn)方法與評(píng)價(jià)指標(biāo)

混凝土凍融循環(huán)試驗(yàn)，依據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50082-2009的技術(shù)操作流程，設(shè)置凍融循環(huán)試驗(yàn)機(jī)各種參數(shù)(試件中心溫度(-20、-25、-30)℃～8℃；凍融液溫度-35～20℃；凍融循環(huán)1次歷時(shí)不超過4 h)，即開始試驗(yàn)。凍融循環(huán)評(píng)價(jià)指標(biāo)包括阿：質(zhì)量損失率、相對(duì)動(dòng)彈星模量、抗壓強(qiáng)度、氣體滲透性。本次試驗(yàn)采用量程為50kg的電子秤測(cè)試不同循環(huán)次數(shù)下混凝土質(zhì)量變化；采用超聲波檢測(cè)儀分別測(cè)試并計(jì)算混凝土的動(dòng)彈性模量；采用上海勞瑞儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的AUTOCLAM滲水滲氣性測(cè)定儀來測(cè)量混凝土的氣體滲透性；采用混凝土萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試水工混凝土28 d抗壓強(qiáng)度及凍融后抗壓強(qiáng)度。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 質(zhì)量損失率

各配合比下水工混凝土在-20℃～8℃的試件中心溫度下凍融300次過程中質(zhì)量損失率變化見圖1。根據(jù)圖1中混凝土質(zhì)量損失率變化曲線可以看出，質(zhì)量損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸增大，在0～100次凍融循環(huán)過程中，混凝土的質(zhì)量損失率增長(zhǎng)速率較小，呈現(xiàn)一個(gè)緩慢上升的趨勢(shì)。然而在150～300次凍融循環(huán)過程中，混凝土的質(zhì)量損失率呈指數(shù)式上升，質(zhì)量損失率增加較為明顯。分析其原因是由于混凝土內(nèi)部存在大量的孔隙，在凍融循環(huán)初期大量水分會(huì)進(jìn)入到混凝土孔隙內(nèi)部，表面砂漿脫落率較小。凍融循環(huán)后期，混凝土表面凍脹破壞嚴(yán)重，表面裂縫擴(kuò)展增加，混凝土試件表面的砂漿剝落較為嚴(yán)重，質(zhì)量損失率增加較快。

從圖1中可以看出，質(zhì)量損失程度為：DC1>DC2>DC3>SC1>SC2>SC3>SC4>OP，經(jīng)300次凍融循環(huán)后，相應(yīng)的水工混凝土質(zhì)量損失率約為8.1%、6.7%、5.9%、5.6%、4.6%、4.4%、3.9%、3.8%。由此可以看出，水工混凝土經(jīng)過凍融循環(huán)以后，單摻、雙摻以及三摻礦物摻合料的試件組質(zhì)量損失率均大于參照組(OP)。單摻FA水工混凝土DC1組質(zhì)量損失率最大，SC4試件組與OP組的質(zhì)量損失率相差較小，分析原因可知混凝土質(zhì)量損失率的變化是由于表面砂漿剝落等所引起的，其主要因素取決于混凝土的表面強(qiáng)度，由于FA等礦物摻合料的摻加導(dǎo)致水泥的水化反應(yīng)減慢，因此會(huì)導(dǎo)致28 d的抗壓強(qiáng)度小于未摻加礦物摻合料的普通混凝土(見3.3節(jié))，從而導(dǎo)致質(zhì)量損失率增大。

各配合比下水工混凝土在(-25、-30)℃～8℃的試件中心溫度下凍融300次以后質(zhì)量損失率變化趨勢(shì)與-20℃相似，不同凍融溫度下經(jīng)過300次凍融循環(huán)以后的質(zhì)量損失率見圖2。由圖2可以看出，在-25、-30℃下質(zhì)量損失率仍然為：DC1>DC2>DC3>SC1>SC2>SC3>SC4>OP。但是可以明顯地看出，隨著試件中心凍融溫度的降低，混凝土的質(zhì)量損失率增大，-30℃溫度下，水工混凝土經(jīng)過凍融循環(huán)以后質(zhì)量損失率最大值達(dá)到10.3%。

圖1 混凝土在-20℃～8℃的試件中心溫度下凍融300次過程中質(zhì)量損失率變化

圖2 不同凍融溫度下經(jīng)過300次凍融循環(huán)以后混凝土質(zhì)量損失率

3.2 相對(duì)動(dòng)彈性模量分析

各配合比下水工混凝土在-20～8℃的試件中心溫度下凍融300次以后相對(duì)動(dòng)彈性模量變化見圖3。由圖3可以看出，混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量隨著循環(huán)次數(shù)的增加而減小。經(jīng)50次凍融循環(huán)后，各組混凝土試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量下降速率較小。50～300次凍融循環(huán)過程中，混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量下降較為明顯，OP試件組相對(duì)動(dòng)彈性模量下降速率較快。混凝土試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的整體變化趨勢(shì)表明：凍融循環(huán)剛開始時(shí)降低速率較慢，原因是凍融初期原有的混凝土缺陷在凍融循環(huán)作用下沒有大的擴(kuò)展，也沒有導(dǎo)致新的缺陷產(chǎn)生，所以相對(duì)動(dòng)彈性模量下降較慢；隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土孔隙的凍脹作用增強(qiáng)，損傷加劇[11]。

圖3 混凝土在-20℃～8℃的試件中心溫度下凍融300次過程中相對(duì)動(dòng)彈性模量變化

圖4 不同凍融溫度下經(jīng)過300次凍融循環(huán)后混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量

從圖3中可以看出，混凝土剩余相對(duì)動(dòng)彈性模量為：SC4>SC3>SC1>DC3>SC2>DC2>DC1>OP，當(dāng)凍融溫度為-20℃時(shí)，相應(yīng)的混凝土剩余相對(duì)動(dòng)彈性模量為93%、92%、91.5%、90%、86%、82%、80%、77%。由此可以看出，水工混凝土經(jīng)過凍融循環(huán)以后，單摻、雙摻以及三摻礦物摻合料的試件組剩余相對(duì)動(dòng)彈性模量均大于參照組(OP)，且SC4試件組中剩余相對(duì)動(dòng)彈性模量最大。混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量的變化是由于內(nèi)部密實(shí)度變化等所引起的，其主要因素取決于混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)經(jīng)過凍融循環(huán)破壞以后微裂紋的數(shù)量，由于FA、SL、RH等礦物摻合料會(huì)增加混凝土的密實(shí)性，因此會(huì)減少混凝土的孔徑并阻礙孔隙的連通,從而提高了混凝土的密實(shí)性,減少凍融過程中水分的入侵量，從而減小了由于冰凍引氣的凍脹破壞。

不同凍融溫度下經(jīng)過300次凍融循環(huán)以后的相對(duì)動(dòng)彈性模量見圖4。由圖4可看出，各配合比下水工混凝土在(-25、-30)℃～8℃的試件中心溫度下凍融300次以后相對(duì)動(dòng)彈性模量變化趨勢(shì)與-20℃相似。在-25℃、-30℃下混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量仍然為：SC4>SC3>SC1>DC3>SC2>DC2>DC1>OP。分析表明混凝土的凍融溫度與其相對(duì)動(dòng)彈性模量呈現(xiàn)正相關(guān)，且-30℃溫度下水工混凝土經(jīng)過凍融循環(huán)以后相對(duì)動(dòng)彈性模量最小值達(dá)到70.1%。

3.3 力學(xué)性能分析

在不同凍融溫度下水工混凝土經(jīng)過300次凍融循環(huán)前后抗壓強(qiáng)度見表3。

表3 不同凍融溫度下凍融前后混凝土抗壓強(qiáng)度

根據(jù)表3可得，初始混凝土抗壓強(qiáng)度為：OP>SC4>SC3>SC2>SC1>DC3>DC2>DC1?？梢钥闯鰡螕健㈦p摻以及三摻礦物摻合料的試件組抗壓強(qiáng)度均小于參照組(OP)，主要是由于不同礦物摻合料的水化時(shí)間不同所導(dǎo)致的。經(jīng)過300次凍融循環(huán)后，在不同凍融溫度下混凝土試件剩余抗壓強(qiáng)度見圖5。從圖5中可以看出，在凍融溫度為20℃下混凝土剩余抗壓強(qiáng)度為：SC4>SC3>SC1>DC3>SC2>DC2>DC1>OP，相應(yīng)的水工混凝土剩余抗壓強(qiáng)度為92.5%、90%、89.2%、87%、85.1%、82%、81.3%、78.9%，各配合比下水工混凝土在-25、-30℃的試件中心溫度下凍融300次以后抗壓強(qiáng)度變化趨勢(shì)與-20℃相似，由此可以說明，單摻、雙摻以及三摻礦物摻合料均可以提高混凝土的抗凍耐久性。

圖5 不同凍融溫度下經(jīng)過300次凍融循環(huán)以后剩余抗壓強(qiáng)度

3.4 氣體滲透性分析

混凝土的氣體滲透性一定程度上影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，表4給出了混凝土在不同凍融溫度下氣體滲透性系數(shù)測(cè)試結(jié)果。

從表4可以看出，在凍融循環(huán)之前，與對(duì)照組OP組相比，摻加礦物摻合料試件組氣體滲透性系數(shù)均小于OP組試件，且SC4組試件氣體滲透性系數(shù)最小。經(jīng)過凍融循環(huán)以后，各組水工混凝土的氣體滲透性均出現(xiàn)了不同程度的增長(zhǎng)。不同凍融溫度下經(jīng)過300次凍融循環(huán)后氣體滲透系數(shù)增長(zhǎng)率見圖6。

表4 凍融前后不同凍融溫度下混凝土氣體滲透系數(shù)

根據(jù)圖6可知，在凍融溫度為20℃下混凝土氣體滲透性系數(shù)增長(zhǎng)為：OP>DC1>DC2>DC3>SC1>SC2>SC3>SC4，相應(yīng)的增長(zhǎng)率為51%、47.8%、40.2%、40%、38.7%、37.5%、37.3%、36.2%?？梢钥闯觯龘降V物摻合料的試件組SC4氣體滲透性系數(shù)增長(zhǎng)最小,表明混凝土在凍融循環(huán)作用下內(nèi)部密實(shí)程度損傷最小。本試驗(yàn)得到的摻加礦物摻合料混凝土氣體滲透性系數(shù)變化規(guī)律與文獻(xiàn)[15]的研究結(jié)果基本一致，但混凝土的損傷程度有一定的差異，分析原因是本次試驗(yàn)不僅考慮礦物摻合料單摻，同時(shí)考慮雙摻與三摻礦物摻合料下的配合比所引起的。

從圖6可以看出，隨試件中心凍融溫度的降低，未摻加礦物摻合料試件、單摻、雙摻以及三摻礦物摻合料的試件組的氣體滲透性系數(shù)均增大，水工混凝土的抗氣體滲透性變差。

圖6 不同凍融溫度下經(jīng)過300次凍融循環(huán)以后氣體滲透系數(shù)增長(zhǎng)率

4 礦物摻合料與凍融溫度對(duì)混凝土抗凍性的影響機(jī)理分析

4.1 礦物摻合料的影響

根據(jù)相對(duì)動(dòng)彈性模量、抗壓強(qiáng)度及氣體滲透性分析可知，水工混凝土抗凍性依次為：SC4>SC3>SC1>DC3>SC2>DC2>DC1>OP，可知礦物摻合料三摻情況下抗凍性最優(yōu)。分析原因：不同礦物摻合料復(fù)摻以后，由于礦物摻合料的火山灰效應(yīng)、界面耦合效應(yīng)、微集料復(fù)合效應(yīng)[12]，當(dāng)?shù)V物摻合料摻量較低(小于30%)時(shí)，水泥是影響混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的主要因素；FA、SL、RH的自愈合能力有效地填充了水泥水化留下的孔隙及微裂縫，會(huì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部的小孔與中孔的數(shù)量增多，大孔的數(shù)量減少，孔結(jié)構(gòu)的總體積有所減少。

由于混凝土內(nèi)部的無害孔隙(小孔與中孔)增多，有害孔隙(大孔)減少，因此會(huì)增強(qiáng)復(fù)摻礦物摻合料混凝土的抗凍性能。另一方面，由于3種礦物摻合料FA、SL、RH的粒徑不同，F(xiàn)A粒徑最大，RH粒徑居中，RH粒徑最小。當(dāng)各種混凝土礦物摻合料粒徑及水化時(shí)間有所不同時(shí)，會(huì)相互填充影響，從而產(chǎn)生超疊加效應(yīng)。以混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量為耐久性評(píng)價(jià)指標(biāo)，F(xiàn)A、SL、RH三摻情況下混凝土的超疊加效應(yīng)的大小為1.15。在20℃凍融溫度下混凝土經(jīng)過300次凍融循環(huán)以后內(nèi)部結(jié)構(gòu)電鏡掃描圖見圖7。從圖7(a)可以看出，未摻加礦物摻合料的試件組OP內(nèi)部出現(xiàn)明顯裂縫，裂縫貫穿在兩個(gè)較大孔隙之間貫穿。單摻粉煤灰的試件組DC1也可以觀察到一條裂縫，但是并沒有出現(xiàn)貫穿裂縫(圖7(b))。雙摻試件組SC1內(nèi)部的裂縫寬度較小，且可以觀察到未水化完全的礦物摻合料(圖7(c))。三摻試件組SC4的表面完整度較好，只觀察到較小的細(xì)微裂縫(圖7(d))。微觀測(cè)試結(jié)果與宏觀測(cè)試結(jié)果相呼應(yīng)，表明單摻、雙摻以及三摻礦物摻合料均可以提高水工混凝土的抗凍融循環(huán)性能。

圖7 混凝土在-20℃～8℃的試件中心溫度下凍融300以后各組試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)電鏡掃描圖

4.2 試件中心溫度的影響

如上文所述，混凝土的凍融循環(huán)劣化宏觀表現(xiàn)為表面脫落、開裂與膨脹。而混凝土的內(nèi)部損傷可以用動(dòng)彈性模量、抗壓強(qiáng)度以及滲透性來表征。凍融的過程可以分為降溫階段與升溫階段。這兩個(gè)階段，由于溫度的梯度、化學(xué)能差等原因，混凝土孔隙中的水分發(fā)生遷移，膨脹所造成內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。隨著凍融循環(huán)過程中試件中心的溫度降低，會(huì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部的溫度梯度變大，外部的環(huán)境水與內(nèi)部的孔隙水溶液溫度交換迅速，結(jié)冰孔增多，因此導(dǎo)致孔隙內(nèi)部的膨脹壓力增大，凍融破壞明顯。

5 結(jié) 論

高寒區(qū)水工混凝土在服役期一般會(huì)受到凍融循環(huán)的作用。本文通過在模擬高寒環(huán)境中調(diào)整水工混凝土在凍融循環(huán)過程中試件中心的溫度，研究了單摻、雙摻及三摻礦物摻合料水工混凝土抗凍融循環(huán)性能的劣化機(jī)理，主要結(jié)論如下：

(1)在凍融循環(huán)作用下，單摻、雙摻及三摻礦物摻合料混凝土的抗凍性均大于未摻加礦物摻合料混凝土。礦物摻合料能減少水工混凝土的孔隙率及滲透性，且粉煤灰、硅灰、稻殼灰的顆粒粒徑不同會(huì)相互填充，從而產(chǎn)生超疊加效應(yīng)。

(2)試驗(yàn)結(jié)果表明各摻合料混凝土的抗凍性從劣到優(yōu)依次是：SC4>SC3>SC1>DC3>SC2>DC2>DC1>OP。相同單摻條件下，摻加稻殼灰試件組抗凍性最強(qiáng)，硅灰居中，粉煤灰最弱。復(fù)摻礦物摻合料情況下，三摻粉煤灰、硅灰、稻殼灰混凝土抗凍性最強(qiáng)。

(3)凍融循環(huán)過程中凍融溫度對(duì)水工混凝土質(zhì)量損失率、相對(duì)動(dòng)彈性模量、抗壓強(qiáng)度、氣體滲透性的影響規(guī)律相似，均隨著凍融循環(huán)過程中試件中心溫度的降低，水工混凝土的凍融損傷越大，主要是由于混凝土內(nèi)部的溫度梯度變大，孔隙內(nèi)部的膨脹壓力增大導(dǎo)致混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞。