混凝土低溫初始缺陷的定量判別

郝偉男，李曙光，計(jì) 濤，陳改新，卿龍邦

（1.河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津 300401；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038）

1 研究背景

我國(guó)北方地區(qū)最低氣溫低、低溫期長(zhǎng)，混凝土施工條件惡劣。在實(shí)際混凝土施工過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)養(yǎng)護(hù)措施過(guò)早失效的情況，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)經(jīng)受早期凍害［1］，并在其內(nèi)部產(chǎn)生一定量的初始缺陷。北方地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性差與混凝土內(nèi)部含有的初始缺陷密切相關(guān)。因此研究含初始缺陷混凝土的性能特點(diǎn)，提出可應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)工程的混凝土低溫初始缺陷定量表征方法，可為北方寒冷地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性認(rèn)識(shí)提供技術(shù)支撐。當(dāng)前關(guān)于混凝土在低溫環(huán)境下的性能研究，大多數(shù)學(xué)者［2-8］關(guān)注的是低溫對(duì)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的混凝土各項(xiàng)性能的影響，Husem等［9-11］探討了不同低溫養(yǎng)護(hù)條件下混凝土強(qiáng)度及耐久性的變化規(guī)律，Yi等［12］探討了混凝土早期養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)抗凍性能的影響。然而過(guò)早處于低溫環(huán)境下混凝土內(nèi)部的損傷/缺陷如何定量表征，低溫缺陷產(chǎn)生的機(jī)理為何，尚未看到清晰明確的解釋。由于沖擊回波法具有受混凝土骨料影響小、測(cè)試深度深和現(xiàn)場(chǎng)適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［13］，經(jīng)常被用于現(xiàn)場(chǎng)混凝土的損傷/缺陷檢測(cè)［14-17］。本文將混凝土試件分別在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)3、7 d后置于-20℃恒低溫環(huán)境中至28 d，使混凝土試件中產(chǎn)生低溫初始缺陷，并采用沖擊回波法測(cè)量的彈性波波速計(jì)算得到的初始損傷度對(duì)混凝土低溫初始缺陷進(jìn)行定量表征，通過(guò)掃描電鏡微觀分析、壓汞試驗(yàn)和核磁共振檢測(cè)探討含低溫初始缺陷混凝土基體的微觀結(jié)構(gòu)特征。

2 試驗(yàn)方法

2.1 混凝土的配合比及試件制作水泥采用42.5中熱硅酸鹽水泥；粉煤灰為Ⅰ級(jí)粉煤灰；粗骨料采用小石（5～20 mm）、中石（20～40 mm）二級(jí)配，小石與中石的比例為1∶1；細(xì)骨料為天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2.45；減水劑采用JM-Ⅱ高效減水劑，減水率為18.5%；引氣劑采用ZB-1G引氣劑，實(shí)測(cè)混凝土試件內(nèi)部引氣量約為4.0%。試驗(yàn)所用混凝土配合比見表1。

表1 混凝土試件配合比

本文中的低溫初始缺陷指在養(yǎng)護(hù)期（28 d）內(nèi)，由于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間不充分，混凝土過(guò)早暴露于低溫環(huán)境導(dǎo)致其內(nèi)部產(chǎn)生的缺陷。采用如下方式在混凝土試件中產(chǎn)生程度不同的低溫初始缺陷：混凝土試件分別標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3、7 d后置于-20℃低溫環(huán)境中至28 d齡期，這兩種試件分別記為L(zhǎng)D-3和LD-7系列；在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d的混凝土，視為無(wú)初始缺陷混凝土，記為L(zhǎng)B系列。

2.2 力學(xué)性能測(cè)試和抗凍性能測(cè)試混凝土試塊成型與養(yǎng)護(hù)按照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（SL 352-2006）進(jìn)行，將養(yǎng)護(hù)至28 d的混凝土試件恢復(fù)至室溫后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)和凍融劣化試驗(yàn)。

2.3 彈性波波速測(cè)試

2.3.1 彈性波基本原理 彈性波是固體物質(zhì)中由應(yīng)力或應(yīng)變引起的擾動(dòng)波。波的傳播方向與振動(dòng)方向一致的體波，稱之為P波。大量研究［13］表明，若將混凝土假設(shè)為理想彈性體，則P波波速的平方與混凝土動(dòng)彈性模量呈正比關(guān)系，即VP2∝Ed（其中：VP為混凝土內(nèi)P波波速（一維），Ed為動(dòng)彈性模量）。

2.3.2 彈性波測(cè)試 采用四川升拓檢測(cè)技術(shù)責(zé)任有限公司開發(fā)的混凝土彈性波測(cè)試系統(tǒng)對(duì)混凝土試件進(jìn)行彈性波波速測(cè)試。測(cè)試系統(tǒng)由傳感器、沖擊錘、數(shù)據(jù)采集裝置和控制主機(jī)組成［13］。

2.3.3 低溫初始缺陷的定量表征 本文采用初始損傷度來(lái)對(duì)混凝土內(nèi)初始缺陷的大小進(jìn)行定量表征，定義為含初始損傷混凝土試件相對(duì)于不含初始損傷試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量的降低值。由于混凝土自振頻率的平方與動(dòng)彈性模量成正比，即f2∝Ed（其中：f代表混凝土試件的自振頻率，Ed代表混凝土試件的動(dòng)彈性模量），《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（SL352-2006）給出了混凝土試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量的計(jì)算公式。據(jù)此，本文給出基于自振頻率求解的相對(duì)損傷度計(jì)算公式，如式（1）所示。并通過(guò)類比，給出基于彈性波波速求解的混凝土初始損傷計(jì)算公式，如式（2）所示。其中兩個(gè)公式均以標(biāo)養(yǎng)28 d的混凝土試件為參考對(duì)象。

式中：DIN為初始損傷度，取值范圍為0～1，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的混凝土DIN為0，對(duì)于養(yǎng)護(hù)不充分經(jīng)受低溫環(huán)境的混凝土DIN大于0小于1；fm為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)m（取3、7）天后放入低溫環(huán)境中至28 d的混凝土試件的自振頻率；為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下試件的自振頻率；Vm為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)m（取3、7）天后放入低溫環(huán)境中至28 d的試件的彈性波波速；為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下試件的彈性波波速。

2.4 微觀試驗(yàn)分別采用S-4800/EX-350型掃描電子顯微鏡、PoreMasterGT6型壓汞儀和MesoMR23-060H-I型中尺寸核磁共振分析系統(tǒng)對(duì)混凝土試件進(jìn)行微觀測(cè)試。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 含初始缺陷混凝土的力學(xué)性能3個(gè)系列混凝土試件的力學(xué)強(qiáng)度如圖1所示。由圖1可知，LD-7、LD-3系列混凝土與LB系列相比力學(xué)性能有明顯降低，LD-7和LD-3抗壓強(qiáng)度分別是LB的57%和34%、劈拉強(qiáng)度分別是LB的61%和39%?？煽闯?，早期標(biāo)養(yǎng)時(shí)間越短，力學(xué)性能降低幅度越大。

LD-7與LD-3兩個(gè)系列混凝土齡期為100 d時(shí)，重新標(biāo)養(yǎng)28 d后力學(xué)強(qiáng)度如圖2所示。由圖2可看出，重新標(biāo)養(yǎng)28 d后，LD-7與LD-3系列混凝土抗壓強(qiáng)度分別恢復(fù)至LB的93%和76%，劈拉強(qiáng)度分別是LB的96%和89%，均有大幅度的提升。可以看出LD-7與LD-3系列混凝土重新標(biāo)養(yǎng)28 d后，力學(xué)強(qiáng)度并沒有完全恢復(fù)至一直標(biāo)養(yǎng)的同齡期試件，尤其LD-3系列，與LB系列仍有較大差距。由此可看出，低溫初始缺陷的形成有兩個(gè)原因，一是低溫延緩了混凝土內(nèi)水泥的水化，二是低溫在混凝土基體內(nèi)部造成了一定數(shù)量的微裂紋。

圖1 3個(gè)系列混凝土試件抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度

圖2 重新標(biāo)養(yǎng)28d混凝土試件抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度

3.2 含初始缺陷混凝土的抗凍性能3個(gè)系列混凝土試件相對(duì)動(dòng)彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)變化趨勢(shì)如圖3所示，其中相對(duì)動(dòng)彈性模量是根據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（SL352-2006）中的相對(duì)動(dòng)彈性模量計(jì)算公式求得。由圖3可看出，凍融循環(huán)次數(shù)低于50次時(shí)，3種混凝土試件相對(duì)動(dòng)彈性模量降低的速度大體相同；超過(guò)50次后，LD-3系列混凝土試件相對(duì)動(dòng)彈性模量迅速降低，而LD-7系列相對(duì)動(dòng)彈性模量降低幅度小于LD-3系列，但兩者動(dòng)彈性模量降低幅度均大于LB系列。LD-3系列在100次凍融循環(huán)相對(duì)動(dòng)彈性模量已經(jīng)降低至40%以下，已經(jīng)破壞，其抗凍性最差。

圖3 混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)變化曲線

圖4 基于自振頻率與彈性波速計(jì)算得到的混凝土初始損傷度

3.3 初始損傷度以標(biāo)養(yǎng)28 d的混凝土的狀態(tài)為參考值，分別基于自振頻率與彈性波波速計(jì)算得到LD-7和LD-3兩個(gè)系列混凝土試件的初始損傷度，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，基于自振頻率和彈性波波速計(jì)算得到的兩種混凝土初始損傷度分別為0.21和0.08、0.22和0.12。由此可以看出，彈性波波速與自振頻率均可用來(lái)量化表征混凝土低溫初始缺陷大小，二者計(jì)算的初始損傷度數(shù)值相近。同時(shí)也可以看出，LD-3系列混凝土低溫初始缺陷較大，其初始損傷度數(shù)值約為L(zhǎng)D-7系列的1.8～2.6倍，相應(yīng)的其力學(xué)性能、抗凍性能都低于LD-7系列。自振頻率法受混凝土試件尺寸、形狀的嚴(yán)重制約，目前多用于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)混凝土動(dòng)彈性模量的測(cè)量，而沖擊回波法可應(yīng)用于不同尺寸與形狀的混凝土試件，且受混凝土試件骨料影響小、測(cè)試深度深、現(xiàn)場(chǎng)適用性強(qiáng)，更適合應(yīng)用于實(shí)際工程。

3.4 微觀分析

3.4.1 掃描電鏡圖像分析 3個(gè)系列混凝土局部微觀結(jié)構(gòu)的電鏡照片如圖5所示。由圖5（a）可看出，LB系列混凝土基體內(nèi)部水化充分、水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)致密，無(wú)明顯孔隙，偶爾可見少量球形粉煤灰顆粒；由圖5（b）可看出，LD-7系列混凝土基體內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松，可看到一些粉煤灰顆粒脫落留下的球形凹陷，反映出LD-7系列水化程度低于LB系列；由圖5（c）可看出，LD-3系列基體成松散堆積狀態(tài)，結(jié)構(gòu)非常疏松，且可看到有大量裸露的粉煤灰顆粒，顆粒表面僅有少量水化產(chǎn)物。由掃描電鏡照片可直觀看出，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)不足28 d即被置于低溫環(huán)境中的混凝土試件，內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松、膠凝材料水化不充分，且置于低溫環(huán)境的齡期越早，其微觀結(jié)構(gòu)越疏松。

圖5 3個(gè)系列混凝土局部掃描電鏡照片

3.4.2 壓汞試驗(yàn)與核磁共振檢測(cè)結(jié)果分析 根據(jù)孔徑范圍混凝土內(nèi)部的孔隙可分為如下3類：無(wú)害孔（孔徑＜0.02 μm）、少害孔（孔徑范圍 0.02～0.05 μm）、有害多害孔（孔徑范圍＞0.05 μm）［18］。根據(jù)壓汞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得到3個(gè)系列混凝土不同類型孔隙體積百分比，如圖6所示。由圖6可知，LB系列混凝土有害多害孔的孔隙體積含量83.8%，而LD-7與LD-3系列混凝土中有害多害孔體積含量分別增加至孔隙總體積的87.2%與92.7%。LB系列混凝土中無(wú)害孔和少害孔分別占孔隙總體積的4.0%和12.2%，而LD-7與LD-3系列則分別為2.8%、10.0%和1.3%、6.0%。由此可看出，過(guò)早暴露于低溫環(huán)境中混凝土內(nèi)部的無(wú)害孔和少害孔含量有所降低，而有害多害孔比例有所增加；過(guò)早暴露于低溫的齡期越早，有害多害孔含量越高。

圖6 3個(gè)系列混凝土不同類型孔隙體積含量

核磁共振技術(shù)是利用處于不同束縛狀態(tài)氫原子具有不同的弛豫時(shí)間來(lái)檢測(cè)物質(zhì)的成分和水分含量。多孔材料孔隙水中H原子的橫向弛豫時(shí)間與其所處孔隙的比表面積有關(guān)，測(cè)出H原子的橫向弛豫時(shí)間（T2）譜，然后利用橫向弛豫時(shí)間與孔隙孔徑的特定相關(guān)公式，即可得出混凝土孔隙分布［19］。核磁共振方法在表征混凝土的孔結(jié)構(gòu)方面已有不少應(yīng)用，如王蕭蕭［20］等利用核磁共振研究鹽蝕、凍融作用下，天然浮石混凝土的孔隙變化。本文中從10 cm邊長(zhǎng)立方體中央切割出4 cm邊長(zhǎng)的立方體（核磁共振設(shè)備最大檢測(cè)樣品尺寸），置于真空飽水設(shè)備中進(jìn)行水飽和，然后置于核磁共振樣品室內(nèi)進(jìn)行測(cè)試。

趙鐵軍等［21］建議用臨界孔徑作為孔徑分析結(jié)果的表征參數(shù)，定義為孔隙累積體積明顯增加所對(duì)應(yīng)的最大孔徑，其研究表明，隨著混凝土水化程度的提高，臨界孔徑有減小的趨勢(shì)。壓汞分析、核磁共振孔徑分析得到的3個(gè)系列混凝土孔隙累積體積曲線如圖7所示。由圖7可知，壓汞法與核磁共振得出的孔徑分布規(guī)律相近。由圖7（a）可以看出，LB系列混凝土試件的臨界孔徑約為0.18 μm，而LD-3與LD-7系列臨界孔徑分別為0.8和0.9 μm，遠(yuǎn)大于LB。由圖7（b）可以看出，LB系列混凝土試件的臨界孔徑為0.3 μm，LD-3與LD-7系列臨界孔徑為0.65和0.6 μm，均大于LB。由此可知標(biāo)養(yǎng)不充分過(guò)早暴露于低溫環(huán)境使得混凝土內(nèi)部臨界孔徑增大。本文中壓汞法與核磁共振所得到的臨界孔徑在數(shù)值上存在一定的差異，這是由于兩種方法測(cè)量混凝土孔隙的原理和測(cè)量的孔徑范圍不同［22］造成的。兩種方法在表征混凝土孔隙分布的相關(guān)性值得進(jìn)一步研究。另外，應(yīng)用核磁共振法測(cè)量混凝土孔隙前需要對(duì)混凝土樣品進(jìn)行飽水處理，孔隙測(cè)量的準(zhǔn)確程度受樣品飽水程度的影響較大，對(duì)于體積較大的混凝土試樣內(nèi)部的飽水狀態(tài)并不能得到保證，相比較而言壓汞試驗(yàn)所需的樣品體積較小，處理較為容易，所以壓汞法較適用于試驗(yàn)室混凝土孔隙研究。

圖7 壓汞試驗(yàn)與核磁共振檢測(cè)分別得到的3個(gè)系列混凝土試樣孔隙累積體積

4 結(jié)論

（1）采用基于彈性波波速計(jì)算得到的初始損傷度對(duì)混凝土低溫初始缺陷大小進(jìn)行定量判別，本試驗(yàn)中基于彈性波波速計(jì)算得到的LD-3系列試件初始損傷度約為L(zhǎng)D-7的1.8倍，盡管該結(jié)果與基于自振頻率計(jì)算得到的初始損傷度數(shù)值上有所區(qū)別，但規(guī)律相同，都可以用于定量表征現(xiàn)場(chǎng)混凝土初始缺陷的可行性；（2）壓汞、核磁檢測(cè)和掃描電鏡微觀分析結(jié)果表明，LD-3和LD-7系列混凝土基體的有害多害孔體積含量和臨界孔徑均高于標(biāo)養(yǎng)28 d試件，且LD-3高于LD-7。表明低溫環(huán)境影響膠凝材料水化進(jìn)程，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間越短，混凝土內(nèi)部水泥水化越不充分，內(nèi)部有害多害孔隙的含量越多，臨界孔徑越大；（3）混凝土低溫初始缺陷對(duì)混凝土的宏觀性能存在不利影響，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間越短、暴露于低溫環(huán)境的齡期越早，初始缺陷越大，混凝土力學(xué)性能和抗凍性能降低越顯著；僅標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3 d和7 d即置于低溫環(huán)境中至28 d齡期的混凝土試件，與標(biāo)養(yǎng)28 d的混凝土試件相比抗壓強(qiáng)度/劈拉強(qiáng)度可降低至34%/39%和57%/61%；混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)際施工中應(yīng)特別重視早齡期養(yǎng)護(hù)。