混凝土高負(fù)溫凍融損傷特性研究

沈晨曦 王 青 劉 俊 宋方疆

(1.三峽大學(xué) 防災(zāi)減災(zāi)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北宜昌 443002;2.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院,湖北 宜昌443002)

凍融破壞是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素之一[1],國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞混凝土凍融損傷機(jī)理[2-4]、凍融破壞影響因素[5-7]、提高抗凍性能方法[8-9]及不同凍融類型間的相關(guān)性[10]等方面進(jìn)行了大量研究,但所采用的凍融試驗(yàn)方法幾乎均基于相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[11-14],較少關(guān)注凍融試驗(yàn)方法差異對(duì)結(jié)果的影響,文獻(xiàn)[15-17]研究表明降溫速率、凍結(jié)溫度等均可能導(dǎo)致混凝土凍融損傷相差較大.此外,我國(guó)幅員遼闊,冬季不同地區(qū)溫差較大,對(duì)于不同地區(qū)的工程結(jié)構(gòu)采用試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的單一凍融制度評(píng)定混凝土的抗凍性顯然不是很合理.考慮到西安等部分地區(qū),一月份平均最低氣溫為-5℃左右,為此,本文試將混凝土快速凍融試驗(yàn)法中試件的凍結(jié)溫度由(-18±2)℃上調(diào)為(-5±2)℃進(jìn)行凍融試驗(yàn),并考慮凍融介質(zhì)的影響,采用多種評(píng)價(jià)方法探討了混凝土在較高凍結(jié)溫度下水和鹽凍融的性能,以期為我國(guó)部分冬暖顯著地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)抗凍融耐久性性能評(píng)測(cè)提供依據(jù).

1 試驗(yàn)介紹

1.1 原材料及配合比

采用強(qiáng)度等級(jí)為C30,抗凍等級(jí)為F150的混凝土作為本文的研究對(duì)象.水泥為華新水泥股份有限公司生產(chǎn)的的P·O42.5.石子為粒徑5～20 mm連續(xù)粒級(jí)且最大骨料粒徑不超過20 mm的碎石,砂為Ⅱ區(qū)中砂,細(xì)度模數(shù)為2.9.減水劑為陜西秦奮建材有限公司生產(chǎn)的HPWR標(biāo)準(zhǔn)型高性能減水劑,引氣劑采用SA-20型聚羧酸專用引氣劑.

前期的試配和相關(guān)抗凍文獻(xiàn)的研究表明,水膠比為0.5,含氣量為3%的混凝土能夠滿足C30F150的要求,采用0.5水膠比,取混凝土的密度為2 400 kg/m3,水泥用量為390 kg/m3,采用質(zhì)量法設(shè)計(jì)混凝土的配合比,通過調(diào)整減水劑和引氣劑的用量使混凝土滿足含氣量要求和基本插搗要求,混凝土試件的配合比見表1.

表1 混凝土配合比

按水質(zhì)不同,澆混凝土分為普通和鹽澆兩類,后者澆筑用水為同質(zhì)量含3.5%NaCl的溶液.兩類混凝土28 d標(biāo)養(yǎng)立方體抗壓強(qiáng)度平均值分別為35 MPa和36 MPa.

1.2 試件設(shè)計(jì)及分組

設(shè)計(jì)并成型兩種尺寸的試件:100 mm×100 mm×400 mm的試件用于評(píng)測(cè)其質(zhì)量、相對(duì)動(dòng)彈性模量、超聲波速隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化,分為4組(A、B、C、D),每組3個(gè);另設(shè)計(jì)6個(gè)同尺寸試件用于硝酸銀顯色試驗(yàn)測(cè)試氯離子侵蝕面積.采用100 mm3立方體試件測(cè)試其劈拉強(qiáng)度損失率和氯離子擴(kuò)散系數(shù),與A、B兩組同時(shí)凍融,每組21個(gè).試驗(yàn)分組及凍融循環(huán)溫度見表2.

表2 試件分組及凍融循環(huán)溫度

1.3 試驗(yàn)方法

凍融循環(huán)試驗(yàn)采用上海砼瑞儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的TDRF-2型風(fēng)冷式混凝土快速凍融試驗(yàn)箱,參考《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的快凍法[11]進(jìn)行.考慮到凍結(jié)溫度為-5℃的凍融破壞可能不大,各損傷指標(biāo)每50次凍融循環(huán)測(cè)試一次.

損傷指標(biāo)測(cè)試時(shí),試件的質(zhì)量使用感量為0.1 g的電子臺(tái)秤稱量,動(dòng)彈性模量采用DT-12W型動(dòng)彈儀測(cè)試,超聲波速使用NM-4A型非金屬超聲檢測(cè)分析儀測(cè)試,劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)依據(jù)《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[18]進(jìn)行,混凝土的擴(kuò)散系數(shù)采用NEL法[19]測(cè)量.NEL法測(cè)試試件尺寸為100 mm×100 mm×50 mm,由100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件采用水冷式切割制成.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 無損指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

各組試件凍融循環(huán)150次后的宏觀表象如圖1所示.150次凍融循環(huán)后,各組試件凍融損傷均不太明顯,A、B組試件表面無明顯脫落,C、D組表面有輕微脫落.質(zhì)量測(cè)試結(jié)果表明A組質(zhì)量基本無變化,B組質(zhì)量增加0.4%,C組質(zhì)量損失為1%,D組質(zhì)量損失為1.4%.B組試件質(zhì)量增加,出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能為:由于鹽的吸濕特性,使混凝土內(nèi)滲透壓增大,導(dǎo)致混凝土的飽和度增加[20],隨著鹽凍次數(shù)的增加,混凝土內(nèi)飽和度繼續(xù)增大[21],試件內(nèi)水分增多導(dǎo)致其總質(zhì)量的增加.C、D組由于內(nèi)部含鹽溶液,隨著試件凍融損傷程度的增加,剝落量均不斷增大,質(zhì)量損失率均為正值.

各組試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量變化如圖2所示.A、B、C組試件的變化曲線較為相近,150次凍融循環(huán)后相對(duì)動(dòng)彈性模量分別下降至98.7%、98%和97.6%.D組試件相對(duì)動(dòng)彈性模量損失最大,150次凍融循環(huán)后下降至94.8%,與質(zhì)量損失表現(xiàn)出一致性.較文獻(xiàn)[10]而言,鹽與水凍融循環(huán)間的差異并沒有標(biāo)準(zhǔn)凍融后大.

圖1 各組試件150次凍融循環(huán)后宏觀表象圖

圖2 不同試件相對(duì)動(dòng)彈性模量

進(jìn)一步分析各試件超聲波速損失率,如圖3所示.水凍融與鹽凍融試件表現(xiàn)出較大的差異性,A組與C組曲線基本重合,150次凍融循環(huán)后超聲波速未減小,且略有增大.B組與D組減小較為明顯,150次凍融循環(huán)后超聲波速損失率分別為3.07%和3.95%.

圖3 不同試件超聲波速損失率

綜上,將B、C組各項(xiàng)無損檢測(cè)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析,可知:①鹽凍融或含鹽試件凍融損傷程度明顯高于不含鹽、水凍試件;②同氯離子濃度水澆鹽凍試件(B組)較鹽澆水凍試件(C組)凍融損傷程度更大,說明外部環(huán)境含氯離子較內(nèi)部摻氯離子對(duì)混凝土試件抗凍性影響更顯著;③混凝土同時(shí)受到內(nèi)外氯離子疊加作用,凍融損傷程度會(huì)更大,如D組,因此在不能避免外部氯離子環(huán)境下,對(duì)內(nèi)部氯離子濃度的要求會(huì)更高,這是除氯離子會(huì)引起鋼筋銹蝕外混凝土澆筑時(shí)嚴(yán)格控制氯離子含量的另一個(gè)重要原因[19].

考慮到在實(shí)際工程中,混凝土澆筑時(shí)對(duì)氯離子的控制十分嚴(yán)格,為此,對(duì)鹽凍融(B組)與水凍融(A組)試件進(jìn)一步進(jìn)行對(duì)比分析.

2.2 劈拉強(qiáng)度損失率

在凍融循環(huán)過程中,每隔50次,取試件量測(cè)其劈裂截面的周長(zhǎng)并假定試件表面均勻剝蝕,得出各組試件劈裂截面的平均面積,進(jìn)而計(jì)算得出A、B組混凝土劈拉強(qiáng)度見表3,劈拉強(qiáng)度損失率如圖4所示.

表3 -5℃水凍和鹽凍下劈拉強(qiáng)度 (單位:MPa)

圖4 不同試件劈拉強(qiáng)度損失率

由表3可知,前50次凍融循環(huán)內(nèi),水凍與鹽凍環(huán)境下混凝土試件劈拉強(qiáng)度基本沒有變化;之后,兩類試件劈拉強(qiáng)度損失率均逐漸增大,且鹽凍融環(huán)境下混凝土劈拉強(qiáng)度損失更快,150次凍融循環(huán)后,鹽、水凍融試件劈拉強(qiáng)度分別損失19%和16%.

2.3 氯離子擴(kuò)散系數(shù)增長(zhǎng)率

采用NEL法測(cè)得各凍融損傷階段A、B組混凝土氯離子變化如圖5所示.可見,凍融循環(huán)100次內(nèi),兩組試件氯離子擴(kuò)散系數(shù)變化不大,凍融循環(huán)100次以后,氯離子擴(kuò)散系數(shù)顯著增大,且鹽凍融試件增大率更高,分別增大到14.8%和24.8%.

綜上可知,按標(biāo)準(zhǔn)方法設(shè)計(jì)抗凍次數(shù)為150次的試件,采用(-5±2)～(5±2)℃的凍融制度進(jìn)行試驗(yàn),凍融循環(huán)150次后,鹽凍融或水凍融試件的多種抗凍性能評(píng)價(jià)指標(biāo)均遠(yuǎn)未達(dá)到混凝土按照設(shè)計(jì)抗凍次數(shù)停止試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)[11-14].但是,考慮到鹽凍融試件由于氯離子滲入可能引起鋼筋銹蝕,為此進(jìn)一步探討鹽凍融環(huán)境下氯離子的傳輸速率是否較相同濃度下鹽溶液浸泡有明顯增加.

圖5 不同試件氯離子擴(kuò)散系數(shù)增大率

2.4 氯離子侵蝕面積占比

評(píng)價(jià)氯離子在混凝土中侵蝕進(jìn)程的試驗(yàn)方法,大多采用一維侵蝕法,即將非侵蝕面用環(huán)氧樹脂等防水材料密封.考慮到本文試件氯離子測(cè)試是在凍融損傷后進(jìn)行,無法采用一維侵蝕法評(píng)測(cè),為此提出氯離子侵蝕面積占比法.具體試驗(yàn)步驟如下:

1)首先將鹽凍融一定次數(shù)的試塊取出清洗、擦干,并畫好標(biāo)記準(zhǔn)備切割;

2)為了避免由于試件上下兩頭復(fù)雜的侵蝕情況導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果不穩(wěn)定,先切除試塊上下兩頭各100 mm;

3)將余下尺寸的試塊平均切割成4個(gè)尺寸為100 mm×100 mm×50 mm的待測(cè)試件,如圖6所示;

圖6 試件切割方式

4)參考文獻(xiàn)[22],采用0.035 mol/L的硝酸銀溶液噴灑在測(cè)試面上,待0.5～1 h化學(xué)反應(yīng)基本結(jié)束、試件測(cè)試面也已干燥后,在試件測(cè)試面上用極細(xì)型記號(hào)筆畫出變色邊界;

5)使用上型固端物掃描儀[23]掃描試件測(cè)試面得到俯視圖,軟件自動(dòng)計(jì)算兩個(gè)閉合曲線所圍的面積;

6)n次凍融循環(huán)后第i個(gè)切割試塊的氯離子侵蝕面積占比按下式計(jì)算:

式中:ΔAni為試塊的氯離子侵蝕面積占比(%),精確至0.1;A0為試塊的外輪廓所圍面積(當(dāng)試件表面因凍融損傷產(chǎn)生剝蝕時(shí),將100 mm×100 mm的硬紙板固定在相同尺寸的廢試塊上和測(cè)試試件同時(shí)掃描,如圖7所示,然后用CAD計(jì)算出的硬紙板外輪廓所圍面積代替);Ani為試塊的顯色邊界所圍面積.

圖7 與100 mm×100 mm的硬紙板同時(shí)掃描的試件

取各試塊的平均值作為該組混凝土試件的氯離子侵蝕面積占比.

為探討鹽凍融環(huán)境下氯離子的傳輸速率是否較相同濃度下鹽溶液浸泡有明顯增加,將-5℃鹽凍融環(huán)境下混凝土試件與同時(shí)進(jìn)行的室內(nèi)正溫自然浸泡環(huán)境下混凝土試件的氯離子侵蝕面積占比進(jìn)行比較.

采用上述方法測(cè)得的鹽凍和同步自然浸泡試件氯離子侵蝕面積占比如圖8所示.

圖8 鹽凍和同步自然浸泡試件氯離子侵蝕面積占比

對(duì)比兩類試件的氯離子擴(kuò)散深度,如圖8所示,100次凍融循環(huán)以內(nèi),鹽凍融試件的更小,之后才出現(xiàn)陡增達(dá)到常溫試件水平.究其原因,一方面是氯離子擴(kuò)散系數(shù)變化,如圖5所示,100次凍融循環(huán)后才增大;另一方面,有研究指出在負(fù)溫條件下混凝土中氯離子傳輸極慢[24].綜合導(dǎo)致150次凍融試驗(yàn)后,氯離子傳輸深度無明顯增大.

3 結(jié) 語

1)凍結(jié)溫度為-5℃時(shí),按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的抗凍試件,在水或鹽凍融環(huán)境下混凝土損傷均不明顯,在最冷月平均氣溫為-5℃左右地區(qū),用現(xiàn)行快凍法標(biāo)準(zhǔn)來評(píng)測(cè)混凝土抗凍性太過保守.

2)-5℃高負(fù)溫凍融循環(huán)溫度下,鹽凍融與水凍融混凝土間的差異較小,且外部含氯離子比內(nèi)部摻氯離子對(duì)混凝土抗凍性影響更大.

3)-5℃高負(fù)溫凍融循環(huán)溫度下,按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)抗凍試件在凍融循環(huán)期間,較同時(shí)長(zhǎng)正溫全浸泡而言,混凝土氯離子侵蝕深度無明顯加劇.