早期受凍環(huán)境對(duì)混凝土服役期性能的影響

胡曉鵬, 彭 剛, 牛荻濤, 楊 超

(1.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院, 陜西 西安 710055; 2.西安建筑科技大學(xué) 省部共建西部綠色建筑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710055)

秋末冬初、冬末春初季節(jié)交替時(shí),處于施工期的混凝土結(jié)構(gòu)突然受凍的情況時(shí)常發(fā)生,除了會(huì)造成混凝土水化過(guò)程減緩、凝結(jié)時(shí)間推后、早期強(qiáng)度偏低等不利結(jié)果,也會(huì)對(duì)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)的損傷[1-3].文獻(xiàn)[4]針對(duì)早期混凝土的抗凍性能,提出了“臨界強(qiáng)度值”和“臨界齡期”的概念,Koh等[5]和Hoff等[6]驗(yàn)證了其“臨界強(qiáng)度值”的可靠性.Bernhardt等[7]和Yi等[8]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),混凝土受凍時(shí)的齡期是影響其服役期性能最重要的因素.Nassif等[9]和Choi等[10]分析了早期受凍對(duì)混凝土服役期孔隙結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律,揭示了早期受凍對(duì)混凝土孔隙結(jié)構(gòu)的影響機(jī)理.胡曉鵬等[11]通過(guò)摻合料混凝土的早期受凍試驗(yàn),研究了摻合料摻量對(duì)早期受凍混凝土服役期力學(xué)性能及滲透性的影響規(guī)律.以往研究揭示了早期受凍對(duì)混凝土服役期性能的影響規(guī)律和機(jī)理,但其受凍環(huán)境均較單一,起凍時(shí)刻、受凍溫度、受凍時(shí)長(zhǎng)等受凍環(huán)境參數(shù)對(duì)早期受凍混凝土服役期性能的影響機(jī)理及規(guī)律尚不清楚.

為此,本文模擬早期突然受凍環(huán)境,通過(guò)測(cè)試早期受凍混凝土服役期的宏觀性能(抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、動(dòng)彈性模量)與微觀結(jié)構(gòu)(孔隙結(jié)構(gòu)、吸水特征),分析早期受凍環(huán)境參數(shù)(起凍時(shí)刻、受凍溫度、受凍時(shí)長(zhǎng))對(duì)混凝土服役期性能的影響規(guī)律,為準(zhǔn)確評(píng)估混凝土結(jié)構(gòu)早期受凍對(duì)其服役期性能的影響提供可靠依據(jù).

1 試驗(yàn)

1.1 原材料與配合比

水泥為普通硅酸鹽P·O 42.5水泥,其物理力學(xué)性能指標(biāo)見表1;細(xì)骨料為灃河河砂,細(xì)度模數(shù)為2.9,堆積密度為1450kg/m3;粗骨料為粒徑5～20mm 的碎石,堆積密度為1600kg/m3;高效減水劑為PCA?-I聚羧酸高性能減水劑,減水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))20%左右,1h內(nèi)無(wú)坍落度損失.

混凝土的配合比見表2,混凝土的坍落度為120mm.

表1 水泥的物理力學(xué)性能Table 1 Physical and mechanical properties of cement

表2 混凝土的配合比Table 2 Mix proportions of concrete kg/m3

1.2 試件成型與養(yǎng)護(hù)

將澆筑振搗成型好的混凝土試件在室外自然環(huán)境(10℃左右)下養(yǎng)護(hù)至某時(shí)刻(即起凍時(shí)刻tON),然后分別置于某溫度(即受凍溫度TF)的氣候模擬實(shí)驗(yàn)室內(nèi)冷凍一段時(shí)間(即受凍時(shí)長(zhǎng)tFD),取出并置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)至28d,再放置在室內(nèi)自然環(huán)境中養(yǎng)護(hù)至服役期(齡期1 a左右),進(jìn)行材料性能測(cè)試.本次試驗(yàn)?zāi)M冷暖交替季節(jié)時(shí)可能出現(xiàn)的突遇受凍情況,起凍時(shí)刻tON分別為混凝土初凝前(0.5h)、初凝與終凝之間(2.0h)、終凝后(8.0、24.0、72.0h);受凍溫度TF分別為-1、-5、-9℃;受凍時(shí)長(zhǎng)tFD分別為2、4、8h.混凝土立方體抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、孔隙結(jié)構(gòu)、吸水特征測(cè)試均采用尺寸為100mm×100mm×100mm的立方體試件;動(dòng)彈性模量測(cè)試采用100mm×100mm×400mm的棱柱體試件;每組試件3個(gè),各性能參數(shù)均采用3個(gè)試件測(cè)試值的算術(shù)平均值,若其中的最大值或最小值與中間值的差值超過(guò)中間值的15%時(shí),則取中間值.

1.3 凍融損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)

宏觀性能：依據(jù)GBT 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》,測(cè)試混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu和劈拉強(qiáng)度f(wàn)t,計(jì)算其抗壓強(qiáng)度損失率δfcu和劈拉強(qiáng)度損失率δft.根據(jù)JTJ 270—98《水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)規(guī)程》,使用非金屬超聲波檢測(cè)儀測(cè)試并計(jì)算混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量Erd.

孔隙結(jié)構(gòu)：混凝土早期突然受凍除了會(huì)造成漿體與粗骨料界面、漿體本身產(chǎn)生微裂縫,還會(huì)造成漿體自身孔隙結(jié)構(gòu)(含氣量、孔隙大小、孔隙數(shù)量、孔隙連通性等)的變化.對(duì)試件進(jìn)行切割、拋光、烘干、碳墨涂色、涂抹氧化鋅凡士林混合膠液等處理后,采用Rapid Air457型硬化混凝土氣孔結(jié)構(gòu)分析儀測(cè)試其孔隙結(jié)構(gòu)[12].計(jì)算得出試件的含氣量(體積分?jǐn)?shù))、漿氣比(體積比)等孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù),給出各試件的孔徑分布曲線.

吸水特征：混凝土早期突然受凍會(huì)造成粗骨料-漿體界面裂縫、漿體微裂縫及內(nèi)部孔隙的變化,進(jìn)而改變混凝土的吸水特征.目前可有效描述混凝土內(nèi)部孔隙、微裂縫的測(cè)試指標(biāo)較少,本文參照ASTM C642-13《硬化混凝土的密度、吸收性、孔隙測(cè)定的試驗(yàn)方法》的規(guī)定,進(jìn)行吸水率w、吸水孔率Sw的測(cè)試和計(jì)算.

(1)

(2)

式中：m0為烘干后試件的初始質(zhì)量,kg;m1為試件浸潤(rùn)飽和后的質(zhì)量,kg;m2為試件浸潤(rùn)飽和后在沸水中煮5h,再自然冷卻至20～25℃的質(zhì)量,kg;m3為水中試件的表觀質(zhì)量,kg.

通過(guò)測(cè)試,得到未凍混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu、劈拉強(qiáng)度f(wàn)t、含氣量、漿氣比、吸水率w、吸水孔率Sw分別為52.2MPa、4.44MPa、1.060%、28.860、2.38%、5.59%.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 受凍溫度的影響

2.1.1宏觀性能參數(shù)

圖1給出了受凍時(shí)長(zhǎng)為8h、不同起凍時(shí)刻、不同受凍溫度混凝土服役期的抗壓強(qiáng)度損失率δfcu、劈拉強(qiáng)度損失率δft、相對(duì)動(dòng)彈性模量Erd.由圖1可見：對(duì)初凝前受凍(0.5h起凍)和初凝與終凝之間受凍(2.0h起凍)的混凝土,-1℃的受凍溫度即可使混凝土的服役期宏觀性能出現(xiàn)較大程度的惡化,隨著受凍溫度的進(jìn)一步降低,混凝土服役期宏觀性能減小幅度不大;對(duì)終凝后受凍(8.0h起凍)的混凝土,-1℃的受凍溫度對(duì)混凝土服役期宏觀性能參數(shù)影響較小,當(dāng)受凍溫度由-1℃降至-9℃時(shí),混凝土抗壓強(qiáng)度損失率及劈拉強(qiáng)度損失率顯著增大,而相對(duì)動(dòng)彈性模量顯著減小.

圖1 不同受凍溫度混凝土的宏觀性能Fig.1 Macro properties of early frost-damaged concrete with different frost temperatures

2.1.2孔隙結(jié)構(gòu)

本次試驗(yàn)孔隙頻率、比表面積、孔隙間距系數(shù)等孔隙參數(shù)變化規(guī)律性不強(qiáng),因此表3僅給出了受凍時(shí)長(zhǎng)為8h、不同起凍時(shí)刻、不同受凍溫度混凝土服役期的含氣量和漿氣比.從表3可以看出：在同一起凍時(shí)刻下,隨著受凍溫度下降,混凝土的含氣量增大,漿氣比減小;溫度從-1℃降到-5℃ 時(shí)的含氣量、漿氣比變化幅度較大,而溫度從-5℃降到-9℃時(shí)的含氣量、漿氣比變化幅度較小.原因是隨著受凍溫度降低,混凝土中可凍水結(jié)冰量增多,凍脹作用下產(chǎn)生的靜水壓和滲透壓增大,對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)度的損傷也相應(yīng)增大,造成其含氣量增大、漿氣比減小;溫度從-1℃降到-5℃時(shí)的可凍水結(jié)冰量明顯增多,-5℃時(shí)大多數(shù)的可凍水已結(jié)冰,而溫度從-5℃降到-9℃ 時(shí),結(jié)冰量的增加量較少.

表3 不同受凍溫度混凝土的含氣量和漿氣比Table 3 Air content and paste to air ratio of early frost-damaged concrete with different frost temperatures

圖2給出了受凍時(shí)長(zhǎng)為8h、不同起凍時(shí)刻、不同受凍溫度混凝土服役期各孔徑梯度下氣孔數(shù)量的變化規(guī)律.從圖2可以看出：同一起凍時(shí)刻下,隨著受凍溫度降低,各孔徑范圍內(nèi)的氣孔數(shù)量均有所增加,孔徑小于0.18mm的氣孔數(shù)量增加明顯,較大孔徑的氣孔數(shù)量略有增加或者保持不變.這是因?yàn)榭紫端谋c(diǎn)隨孔徑減小而降低,受凍溫度愈低,孔隙中可結(jié)冰水就愈多,由凍脹作用和孔隙壓力造成的水分遷移愈劇烈,導(dǎo)致各孔徑梯度的氣孔數(shù)量大幅增加.

圖2 不同受凍溫度混凝土的孔徑分布Fig.2 Pore distributions of early frost-damaged concrete with different frost temperatures

2.1.3吸水特征

表4給出了受凍時(shí)長(zhǎng)為8h、不同起凍時(shí)刻、不同受凍溫度混凝土服役期的吸水率、吸水孔率測(cè)試結(jié)果.從表4可以看出：同一起凍時(shí)刻下,隨著受凍溫度下降,混凝土服役期的吸水率、吸水孔率增加,如相對(duì)于未凍混凝土,2.0h起凍時(shí)的混凝土吸水率分別增大了19.3%、36.6%、50.8%,吸水孔率增大了67.3%、84.4%、95.0%.說(shuō)明隨著受凍溫度下降,凍脹作用的影響增大,造成混凝土內(nèi)部孔隙、裂縫增多且相互連通,促進(jìn)了水分的儲(chǔ)存與傳輸.

表4 不同受凍溫度混凝土的吸水特征參數(shù)Table 4 Water absorption parameters of early frost-damaged concrete with different frost temperatures

2.1.4影響機(jī)理分析

結(jié)合宏觀性能和微觀結(jié)構(gòu)的測(cè)試結(jié)果可以看出：受凍溫度越低,同一時(shí)刻受凍混凝土中自由水的凍結(jié)比例越大,水的凍脹作用愈明顯,導(dǎo)致漿體基體與粗骨料的連接愈不緊密,骨料-漿體界面裂縫處的漿體本身微裂縫與凍脹微裂縫相互連接的情況越多,混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)受損越嚴(yán)重[13].

受凍溫度為-1℃時(shí)的混凝土宏觀性能呈現(xiàn)2種現(xiàn)象,終凝前受凍的混凝土宏觀性能損失明顯,終凝后受凍的混凝土宏觀性能與未凍混凝土接近;而受凍溫度為-1℃時(shí)的混凝土微觀結(jié)構(gòu)與未凍混凝土接近.這是因?yàn)榛炷羶?nèi)部的自由水已大多含有水化產(chǎn)物和原材料析出的各種水溶物,形成了鹽溶液,而鹽溶液的冰點(diǎn)略低于水的凝點(diǎn),-1℃下的鹽溶液較難結(jié)冰[14];早期受凍會(huì)對(duì)混凝土內(nèi)部造成一定損傷,這種損傷對(duì)于強(qiáng)度極低的終凝前混凝土影響較明顯,而對(duì)于強(qiáng)度較高的終凝后混凝土影響較小.

受凍溫度為-5℃的混凝土損傷程度比-1℃時(shí)嚴(yán)重很多.原因是在-5℃的條件下,混凝土中的鹽溶液大多已經(jīng)結(jié)冰,造成漿體孔隙結(jié)構(gòu)改變、自身微裂縫貫通連接,并導(dǎo)致骨料-漿體界面的裂縫增多、兩者輕微脫開.

受凍溫度為-9℃的混凝土損傷程度較-5℃時(shí)加重程度不大.這是因?yàn)?9℃的試件中鹽溶液結(jié)冰量上升幅度較小,溫度降低對(duì)凍脹作用的影響較小.

2.2 受凍時(shí)長(zhǎng)的影響

2.2.1宏觀性能參數(shù)

圖3給出了受凍溫度為-5℃、不同起凍時(shí)刻、不同受凍時(shí)長(zhǎng)混凝土服役期的抗壓強(qiáng)度損失率δfcu、劈拉強(qiáng)度損失率δft、相對(duì)動(dòng)彈性模量Erd.從圖3可以看出：隨著受凍時(shí)長(zhǎng)增加,混凝土服役期的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度損失率增大,相對(duì)動(dòng)彈性模量減小;受凍時(shí)長(zhǎng)由2h延長(zhǎng)至4h時(shí),混凝土服役期的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度損失率急劇增大,相對(duì)動(dòng)彈性模量急劇減小;而受凍時(shí)長(zhǎng)由4h延長(zhǎng)至8h時(shí),混凝土服役期的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、相對(duì)動(dòng)彈性模量的變化幅度相對(duì)較小.

2.2.2孔隙結(jié)構(gòu)

表5給出了本次試驗(yàn)得到的受凍溫度為-5℃、不同起凍時(shí)刻、不同受凍時(shí)長(zhǎng)混凝土服役期的含氣量和漿氣比.從表5可以看出：同一起凍時(shí)刻下,隨著受凍時(shí)長(zhǎng)延長(zhǎng),混凝土服役期的含氣量增大、漿氣比減小.這是因?yàn)?隨著受凍時(shí)長(zhǎng)延長(zhǎng),混凝土中可凍水結(jié)冰量增多,凍脹作用下產(chǎn)生的靜水壓和滲透壓加大,使混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的改變?cè)龆?對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)度的損傷也增大,從而造成其含氣量增大、漿氣比減小[15].

圖4給出了受凍溫度為-5℃、不同起凍時(shí)刻、不同受凍時(shí)長(zhǎng)混凝土服役期各孔徑梯度下氣孔數(shù)量的變化規(guī)律.從圖4可以看出：在同一起凍時(shí)刻下,隨著受凍時(shí)長(zhǎng)增加,各孔徑范圍內(nèi)的氣孔數(shù)量均相應(yīng)增加,孔徑小于0.18mm的氣孔數(shù)量增加尤為明顯;受凍時(shí)長(zhǎng)為2h的混凝土與未凍混凝土的孔徑分布較接近,受凍時(shí)長(zhǎng)為8h的混凝土小孔徑氣孔數(shù)量約為未凍混凝土的2～3倍.這是因?yàn)榛炷羶?nèi)可凍水由外及內(nèi)結(jié)冰,受凍時(shí)長(zhǎng)愈長(zhǎng),其內(nèi)部水結(jié)冰量愈大,凍脹作用越明顯,從而造成混凝土內(nèi)氣孔增多、孔徑增大.

2.2.3吸水特征

表6給出了受凍溫度為-5℃、不同起凍時(shí)刻、不同受凍時(shí)長(zhǎng)混凝土服役期的吸水率、吸水孔率.從表6可以看出：同一起凍時(shí)刻下,隨著受凍時(shí)長(zhǎng)延長(zhǎng),混凝土服役期的吸水率、吸水孔率增大;受凍時(shí)長(zhǎng)由2h延長(zhǎng)至4h時(shí)的吸水率、吸水孔率增幅明顯,而受凍時(shí)長(zhǎng)由4h延長(zhǎng)至8h時(shí)的吸水率、吸水孔率增幅相對(duì)較小.說(shuō)明受凍時(shí)間越長(zhǎng),混凝土內(nèi)部的結(jié)冰量越多,混凝土中水分的物相變化、遷移愈加劇烈,對(duì)骨料-漿體界面、漿體造成的損傷(孔洞、裂縫)也越嚴(yán)重.

圖3 不同受凍時(shí)長(zhǎng)混凝土的宏觀性能Fig.3 Macro properties of early frost-damaged concrete with different frost durations

表5 不同受凍時(shí)長(zhǎng)混凝土的含氣量和漿氣比Table 5 Air content and paste to air ratio of early frost-damaged concrete with different frost durations

2.2.4影響機(jī)理分析

結(jié)合宏觀性能和微觀結(jié)構(gòu)的測(cè)試結(jié)果可以看出，在早期受凍環(huán)境下,混凝土中自由水結(jié)冰是由表及里的動(dòng)態(tài)過(guò)程.隨著受凍時(shí)間延長(zhǎng),混凝土內(nèi)部溫度逐漸降低、自由水凍結(jié)比例增大,凍脹壓力造成漿體中未凍溶液在孔隙和裂縫中遷移的運(yùn)動(dòng)逐漸劇烈,凍脹作用明顯,漿體的大孔洞增多,孔隙分布越來(lái)越不均勻,漿體裂縫、界面裂縫、凍脹結(jié)冰孔隙更容易連通,混凝土服役期性能損失更為嚴(yán)重[16].

受凍時(shí)長(zhǎng)為2h的混凝土損傷輕微.因?yàn)槭軆鰰r(shí)長(zhǎng)為2h的混凝土試件由表及里處于凍結(jié)過(guò)程中,內(nèi)部?jī)鼋Y(jié)程度較低,凍脹作用輕微,對(duì)漿體、骨料-漿體界面的影響較小.

受凍時(shí)長(zhǎng)為4h的混凝土損傷較2h時(shí)嚴(yán)重很多.原因是受凍時(shí)長(zhǎng)達(dá)到4h時(shí),混凝土內(nèi)部?jī)鼋Y(jié)已基本完成,漿體孔洞、裂縫以及骨料-漿體界面裂縫已開展,混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭受到嚴(yán)重破壞.

受凍時(shí)長(zhǎng)為8h的混凝土損傷相對(duì)4h時(shí)加重程度不大.這是因?yàn)槭軆鰰r(shí)長(zhǎng)達(dá)到8h時(shí),漿體自身微小孔徑中的自由水也已結(jié)冰,對(duì)混凝土中漿體造成的損傷雖然有所加重,但程度并不大，凍脹作用同樣造成骨料-漿體界面裂縫開展并連通.

圖4 不同受凍時(shí)長(zhǎng)混凝土的孔徑分布Fig.4 Pore distributions of early frost-damaged concrete with different frost durations

表6 不同受凍時(shí)長(zhǎng)混凝土的吸水特征參數(shù)Table 6 Water absorption parameters of early frost-damaged concrete with different frost durations

2.3 起凍時(shí)刻的影響

2.3.1宏觀性能參數(shù)

圖5給出了受凍溫度為-5℃、受凍時(shí)長(zhǎng)為 8h、不同起凍時(shí)刻混凝土服役期的抗壓強(qiáng)度損失率δfcu、劈拉強(qiáng)度損失率δft、相對(duì)動(dòng)彈性模量Erd.結(jié)合圖1、圖3和圖5可以看出：起凍時(shí)刻對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度損失率、劈拉強(qiáng)度損失率、相對(duì)動(dòng)彈性模量的影響規(guī)律均表現(xiàn)為2.0h起凍>0.5h起凍>8.0h起凍>24.0h起凍>72.0h起凍,即初凝后、終凝前受凍混凝土的服役期抗壓強(qiáng)度損失率和劈拉強(qiáng)度損失率最大、相對(duì)動(dòng)彈性模量最小;初凝前受凍混凝土的強(qiáng)度損失率次之;終凝后受凍混凝土的強(qiáng)度損失較小,并隨著齡期的增長(zhǎng)而逐漸減小,相對(duì)動(dòng)彈性模量則逐漸增大.

2.3.2孔隙結(jié)構(gòu)

表7給出了受凍溫度為-5℃、受凍時(shí)長(zhǎng)為 8h、不同起凍時(shí)刻混凝土服役期孔隙結(jié)構(gòu)的含氣量和漿氣比.結(jié)合表3、表5和表7可以看出：

(1)與未凍混凝土相比,終凝后受凍混凝土的服役期含氣量增大、漿氣比減少;隨著起凍時(shí)刻的推遲,混凝土的含氣量減小、漿氣比增大,逐漸接近未

圖5 不同起凍時(shí)刻混凝土的宏觀性能Fig.5 Macro properties of early frost-damaged concrete with different frost onset time

表7 不同起凍時(shí)刻混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 7 Pore structure parameters of early frost-damaged concrete with different frost onset time

凍混凝土.說(shuō)明終凝后受凍會(huì)造成混凝土材料孔隙結(jié)構(gòu)改變,導(dǎo)致混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松;隨著起凍時(shí)刻的推遲,受凍時(shí)混凝土水化程度逐漸升高,密實(shí)程度逐漸增加,孔隙結(jié)構(gòu)趨近于未凍混凝土,使其抵抗凍損的能力增強(qiáng).

(2)與未凍混凝土和終凝后受凍混凝土相比,終凝前受凍混凝土服役期的含氣量明顯增大,漿氣比明顯減小.說(shuō)明終凝前受凍混凝土中的可凍水結(jié)冰量較多,混凝土內(nèi)部水分的遷移較為劇烈,內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)改變較大,使混凝土受損嚴(yán)重.

圖6給出了受凍溫度為-5℃、受凍時(shí)長(zhǎng)為 8h、不同起凍時(shí)刻混凝土服役期各孔徑梯度下氣孔數(shù)量的變化規(guī)律.結(jié)合圖2、圖4和圖6可以看出：各孔徑梯度的氣孔數(shù)量從大到小依次為2.0h起凍≈0.5h起凍>8.0h起凍>24.0h起凍>72.0h起凍≈未凍,其中初凝前起凍和初凝與終凝之間起凍(0.5h起凍和2.0h起凍)混凝土各孔徑梯度的氣孔數(shù)量明顯大于終凝后起凍的混凝土(8.0h起凍、24.0h起凍、72.0h起凍);起凍時(shí)刻對(duì)孔徑小于0.22mm的氣孔數(shù)量影響顯著,對(duì)孔徑大于0.22mm 的氣孔數(shù)量影響不大.

圖6 不同起凍時(shí)刻混凝土的孔徑分布Fig.6 Pore distributions of early frost-damaged concrete with different frost onset time

2.3.3吸水特征

表8給出了受凍溫度為-5℃、受凍時(shí)長(zhǎng)為 8h、不同起凍時(shí)刻混凝土服役期的吸水率、吸水孔率.結(jié)合表4、表6和表8可以看出：隨著起凍時(shí)刻的延后,混凝土的吸水率、吸水孔率減小,吸水孔率降幅大于吸水率;相對(duì)于未凍混凝土,終凝前受凍混凝土的吸水率、吸水孔率增加明顯,而終凝后受凍混凝土的吸水率、吸水孔率增幅相對(duì)較小.由此可見,起凍時(shí)刻越早,早期受凍后混凝土的吸水率越大,內(nèi)部損傷越嚴(yán)重.

表8 不同起凍時(shí)刻混凝土的吸水特征參數(shù)Table 8 Water absorption parameters of early frost-damaged concrete with different frost onset time

2.3.4影響機(jī)理分析

初凝前受凍(0.5h起凍)的混凝土,在起凍時(shí)尚處于材料硬化過(guò)程中,其內(nèi)部含有大量自由水.在-5℃ 的環(huán)境下受凍8h后,混凝土內(nèi)部部分自由水凍結(jié)成冰后膨脹,產(chǎn)生凍脹應(yīng)力,內(nèi)部應(yīng)力的重分布阻止了漿體和粗骨料的結(jié)合,延緩了水化反應(yīng)的進(jìn)行和混凝土強(qiáng)度的增長(zhǎng).若能改善初凝前受凍混凝土的養(yǎng)護(hù)條件,可使混凝土中冰晶融化,大量尚未水化的膠凝材料繼續(xù)進(jìn)行水化過(guò)程,實(shí)現(xiàn)混凝土中部分早期凍損的自我修復(fù)[7,17].

初凝后、終凝前受凍(2.0h起凍)的混凝土,在起凍時(shí)已有部分失去塑性,粗骨料和漿體組成的骨架結(jié)構(gòu)已具備相當(dāng)強(qiáng)度,可以抵抗部分凍脹應(yīng)力.但由于此時(shí)骨架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限,受凍會(huì)大幅度破壞這一骨架結(jié)構(gòu),使?jié){體自身、粗骨料-漿體界面出現(xiàn)明顯裂縫,嚴(yán)重影響混凝土內(nèi)部密實(shí)性.與初凝前受凍的混凝土相比,初凝后或終凝前受凍的混凝土在養(yǎng)護(hù)條件改善后可繼續(xù)水化的膠凝材料相對(duì)較少,自我修復(fù)程度減小[18].

終凝后受凍(8.0h起凍、24.0h起凍、72.0h起凍)時(shí),混凝土材料硬化過(guò)程已完成,起凍時(shí)混凝土水化程度較高,粗骨料及漿體組成的骨架結(jié)構(gòu)已具備較高的強(qiáng)度,其內(nèi)部骨架結(jié)構(gòu)能抵抗大多數(shù)由自由水結(jié)冰所產(chǎn)生的凍脹應(yīng)力,但仍會(huì)由于水化過(guò)程未完成,骨架強(qiáng)度不足以抵抗所有因自由水結(jié)冰所產(chǎn)生的凍脹壓力,使混凝土漿體、骨料-漿體界面產(chǎn)生細(xì)微裂縫和孔洞.隨著起凍時(shí)刻的延后,混凝土水化程度逐漸加深,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)越來(lái)越密實(shí),起凍時(shí)混凝土的強(qiáng)度也越來(lái)越高,因早期受凍所造成的內(nèi)部損傷越來(lái)越少[19].

3 結(jié)論

(1)隨著受凍溫度下降,混凝土的服役期強(qiáng)度損失增大而相對(duì)動(dòng)彈性模量減小,含氣量增大而漿氣比減小,各孔徑范圍內(nèi)的孔隙數(shù)量均有所增加,孔徑小于0.18mm的孔隙數(shù)量增加明顯,吸水率、吸水孔率增加.受凍溫度從-1℃降到-5℃時(shí),混凝土性能變化幅度較大;受凍溫度從-5℃降到-9℃時(shí),混凝土性能變化幅度較小.

(2)隨著受凍時(shí)長(zhǎng)的增加,混凝土強(qiáng)度損失增大、相對(duì)動(dòng)彈性模量減小,含氣量增大而漿氣比減小,各孔徑的孔隙數(shù)量均相應(yīng)增加,孔徑小于0.18mm的孔隙數(shù)量增加明顯,吸水率、吸水孔率增大.受凍時(shí)長(zhǎng)由2h延長(zhǎng)至4h時(shí),混凝土性能變化幅度明顯;受凍時(shí)長(zhǎng)由4h延長(zhǎng)至8h時(shí),混凝土性能變化幅度相對(duì)較小.

(3)起凍時(shí)刻對(duì)混凝土服役期強(qiáng)度損失、相對(duì)動(dòng)彈性模量的影響均表現(xiàn)為2.0h起凍>0.5h起凍>8.0h起凍>24.0h起凍>72.0h起凍;終凝前受凍的混凝土各孔徑梯度的孔隙數(shù)量明顯大于終凝后受凍的混凝土,起凍時(shí)刻對(duì)孔徑小于0.22mm的孔隙影響顯著.隨起凍時(shí)刻的延后,混凝土的含氣量增大,漿氣比、吸水率、吸水孔率減小.終凝前受凍混凝土的宏觀性能、含氣量、漿氣比、吸水率、吸水孔率變化明顯,而終凝后受凍混凝土的變化幅度相對(duì)較小;隨著起凍時(shí)刻的推遲,終凝后受凍混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸接近未凍混凝土.