影響道路水泥混凝土抗凍性能的細(xì)觀損傷因子研究

侯海元, 周勝波, 閆強(qiáng)

(1.廣西交投科技有限公司, 廣西 南寧 530000; 2.廣西高速公路養(yǎng)護(hù)工程技術(shù)研究中心)

寒冷地區(qū)服役的水泥混凝土路面，其性能劣化受凍融循環(huán)影響嚴(yán)重，評價凍融循環(huán)作用下的混凝土抗凍性能一直受到學(xué)術(shù)界關(guān)注?；炷羶?nèi)部含有骨料、砂漿和界面過渡區(qū)等結(jié)構(gòu)，其中砂漿基體和界面過渡區(qū)含有大量裂縫和孔隙缺陷，既是凍融損傷因子成核區(qū)域，也是抗凍性能劣化源頭。特別是混凝土內(nèi)部細(xì)觀孔結(jié)構(gòu)狀況是影響混凝土抗凍性的重要因素。T.C.Powers提出氣泡間距系數(shù)作為衡量混凝土抗凍性參數(shù)，目前這一參數(shù)對衡量抗凍性的孔間距系數(shù)臨界值尚未形成統(tǒng)一的結(jié)論；Zbigniew Giergiczny研究認(rèn)為改善混凝土氣孔結(jié)構(gòu)空間因子可以提高其抗凍性能；趙霄龍等認(rèn)為混凝土經(jīng)歷凍融循環(huán)后, 總比孔容增大, 最可幾孔徑向大孔方向移動，大孔含量增多, 臨界孔徑和平均孔徑呈增長趨勢，同時孔級配分布由小孔向大孔方向轉(zhuǎn)移集中，從而造成了混凝土耐久性劣化；張士萍指出引氣劑可以細(xì)化混凝土內(nèi)部的孔隙，使大孔減少、微小孔增多，使得抗凍耐久性得到提高。目前，針對混凝土內(nèi)部細(xì)觀孔結(jié)構(gòu)對混凝土抗凍性的影響成果較多，而裂縫以及缺陷特征參數(shù)對抗凍性影響的主次程度報道很少。

該文針對凍融循環(huán)條件下的混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征損傷進(jìn)行定量化分析，并利用系統(tǒng)分析的方法評價不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對抗凍性的影響程度，為混凝土抗凍性的系統(tǒng)設(shè)計和性能提升提供依據(jù)。

1 原材料及研究方法

1.1 原材料及混凝土強(qiáng)度

試驗(yàn)所用水泥為秦嶺P.O.42.5R普硅水泥，S95級礦粉，粉煤灰為Ⅰ級，粗集料最大公稱粒徑為19 mm，細(xì)集料河砂細(xì)度模數(shù)為2.6，高性能減水劑減水率為26%，水為自來水。試驗(yàn)設(shè)計28 d齡期混凝土強(qiáng)度等級為C30、C40，對應(yīng)抗彎拉強(qiáng)度分別為4.5 MPa和 5.0 MPa。

1.2 凍融疲勞試驗(yàn)方案

不同應(yīng)力狀態(tài)的混凝土凍融疲勞試驗(yàn)方案如表1所示，試驗(yàn)分4個階段進(jìn)行:① 第1階段：對混凝土在不同荷載水平下分別加載2 h，然后按照表1設(shè)置的凍融循環(huán)次數(shù)，在環(huán)境箱中進(jìn)行凍融，試驗(yàn)環(huán)境均按4 h進(jìn)行溫度循環(huán)，結(jié)束時進(jìn)行彎拉強(qiáng)度破壞試驗(yàn)；② 第2階段：在第1階段試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行累計加載4 h，然后放回到環(huán)境箱中進(jìn)行第2次凍融，時間結(jié)束時進(jìn)行彎拉強(qiáng)度破壞試驗(yàn)和細(xì)觀表征試驗(yàn)；③ 第3階段：在第2階段累加的基礎(chǔ)上，按照試驗(yàn)程序進(jìn)行試驗(yàn)；④ 第4階段：在第3階段基礎(chǔ)上進(jìn)行試驗(yàn)，待時間結(jié)束時未破壞樣品將在疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行加載直至疲勞斷裂，對斷裂破壞樣品進(jìn)行彎拉強(qiáng)度破壞試驗(yàn)、抗凍彈性模量指標(biāo)測試和細(xì)觀表征試驗(yàn)。

表1 不同應(yīng)力狀態(tài)下的混凝土凍融試驗(yàn)方案

1.3 細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析方法

水泥混凝土是一類復(fù)雜的多相介質(zhì)材料，內(nèi)部含有大量不同尺度、不同形狀的孔隙、裂隙和界面過渡區(qū)，單純采用一種表征方法難以表征全面，因此，根據(jù)具體需求應(yīng)采用不同方法進(jìn)行分析表征。

(1) 壓汞法表征孔結(jié)構(gòu)：采用AutoPore IV 9510型水銀壓汞儀，基于二次壓汞法進(jìn)行孔比表面積、平均孔徑、面積中間孔徑、最可幾孔徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)表征。

(2) 光學(xué)顯微法表征孔結(jié)構(gòu)：依據(jù)JTG F30—2014《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)規(guī)范》，用奧特SZ-DM200型數(shù)碼體視顯微鏡通過直線導(dǎo)線法對氣孔結(jié)構(gòu)參數(shù)的氣孔弦長、氣孔數(shù)量進(jìn)行測試后通過公式計算得孔間距系數(shù)。

(3) 混凝土孔結(jié)構(gòu)模型計算分形維數(shù)：采用Menger海綿體模型研究孔結(jié)構(gòu)分形特征。Menger海綿體孔構(gòu)造模型分形維數(shù)D定義見式(1)，計算過程如下：用式(2)計算經(jīng)k次迭代后剩余立方體體積；將m3-n以及m用D和R/r替換得剩余固體體積與孔徑的關(guān)系式(3)，對式(3)兩邊同時取對數(shù)得式(4)，其斜率即為孔體積分形維數(shù)D：

D=log(m3-n)/logm

(1)

V=(R/mk)3×(m3-n)k

(2)

V=R3m(D-3)k=R3(R/r)(D-3)k=RDr3-D

(3)

logV=DlogR+(3-D)logr

(4)

(4) 裂縫表征：用日本Hitachi S-4800場發(fā)射掃描電子顯微鏡進(jìn)行裂縫采集，并通過數(shù)字圖像處理技術(shù)對混凝土SEM圖像進(jìn)行增強(qiáng)和分割，然后用Image-Pro Plus軟件進(jìn)行圖像裂縫特征參數(shù)提取。

(5) 裂縫分形研究：混凝土內(nèi)部的裂縫分布及擴(kuò)展過程是隨機(jī)雜亂無章的，除裂縫寬度、長度、密度等參數(shù)指標(biāo)外，有必要選擇分形維數(shù)從整體上描述這種分布特點(diǎn)，Mondelbrot、Lange、謝和平、王鐵成等關(guān)于裂縫的研究結(jié)果表明，混凝土內(nèi)部裂縫的萌生、擴(kuò)展過程具有自相似性，其分布具有明顯分形特征。

研究采用計盒維數(shù)法給定盒子尺碼(像素標(biāo)度)用正方形格子去覆蓋含裂縫的圖像，通過不斷改變尺碼的大小形成一個遞減序列，并記錄每個尺碼下所需的盒子數(shù)目N，得到盒子數(shù)目和尺碼一一對應(yīng)的數(shù)據(jù)序列，通過對盒子數(shù)目和尺碼同時取對數(shù)，即可計算得到分形維數(shù)，該方法具有概念清晰、計算簡單的特點(diǎn)，是一種較優(yōu)異的計算圖像分形維數(shù)的方法。

具體步驟如下：在混凝土數(shù)字圖像構(gòu)成的平面上以δ為尺度，通過編制特定程序采用Matlab軟件自動實(shí)施正方形網(wǎng)格劃分和計數(shù)，δ取值為δ=2i，其中i=1、2、…、n，改變δ的大小記錄C與正方形網(wǎng)格相交的數(shù)目N，對N和δ同時取對數(shù)作圖，并利用最小二乘法進(jìn)行擬合回歸，得到曲線斜率的負(fù)值即為微裂縫的盒維數(shù)。

根據(jù)計盒維數(shù)法分析不同尺碼下覆蓋混凝土微裂縫盒子數(shù)目，并對盒子尺碼δ和與裂縫相交盒子數(shù)目N取雙對數(shù)作圖1，得到的斜率絕對值即為分形維數(shù)，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，基于計盒維數(shù)法混凝土細(xì)觀裂縫數(shù)量與量度尺碼之間具有非常強(qiáng)的線性對應(yīng)關(guān)系。

圖1 盒子尺碼對數(shù)與裂縫盒子數(shù)目對數(shù)的關(guān)系

(6) 界面區(qū)結(jié)構(gòu)表征：采用光學(xué)顯微硬度儀進(jìn)行界面區(qū)顯微硬度測試，通過顯微硬度的變化突變點(diǎn)進(jìn)行界面區(qū)寬度的判別。而界面區(qū)的裂縫特征和密實(shí)度特征采用Image-Pro Plus圖像處理軟件進(jìn)行量化。

1.4 灰度分析方法

混凝土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征參數(shù)有多個，這些參數(shù)對混凝土的性能影響重要性和程度上是有區(qū)別的，為確定關(guān)鍵參數(shù)，借助灰色系統(tǒng)理論的關(guān)聯(lián)分析方法，處理步驟如下：① 確定相對動彈模量為參考數(shù)列，孔結(jié)構(gòu)參數(shù)、裂紋參數(shù)和界面區(qū)結(jié)構(gòu)參數(shù)為比較序列；② 對參考數(shù)列以及比較數(shù)列進(jìn)行無量綱化處理；③ 計算求差序列和兩極差，并計算參考數(shù)列與比較數(shù)列的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，在此基礎(chǔ)上求出關(guān)聯(lián)度；④ 根據(jù)關(guān)聯(lián)度的大小次序進(jìn)行關(guān)聯(lián)度排序，從而反映各因素對研究問題影響的主次程度。

2 結(jié)果和討論

通過細(xì)觀結(jié)構(gòu)定量化表征，并結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)分析方法，以抗凍等級為參考數(shù)列，以孔結(jié)構(gòu)參數(shù)、裂紋參數(shù)和界面區(qū)結(jié)構(gòu)參數(shù)為比較序列，進(jìn)行灰色相關(guān)度判別。研究混凝土的抗凍性能劣化選擇了兩個荷載條件，50%抗彎強(qiáng)度應(yīng)力水平作為正常交通荷載水平，80%抗彎強(qiáng)度應(yīng)力水平作為超載交通荷載水平，同時進(jìn)行凍融循環(huán)的作用。

2.1 細(xì)觀尺度孔結(jié)構(gòu)特征參數(shù)與抗凍指標(biāo)

凍融環(huán)境下道路混凝土孔結(jié)構(gòu)參數(shù)與抗凍性關(guān)聯(lián)度如表2所示。由表2可得：關(guān)聯(lián)性由大到小的順序依次為：正常荷載下(50%應(yīng)力水平)：無害孔>空隙率>總孔表面積>少害孔>最可幾孔徑>孔分形維數(shù)>多害孔>孔間距系數(shù)>有害孔>面積中間孔徑、平均孔徑；超載下(80%應(yīng)力水平)：總孔表面積>無害孔>空隙率>少害孔>最可幾孔徑>孔分形維數(shù)>多害孔>有害孔、平均孔徑>面積中間孔徑>孔間距系數(shù)。

表2 凍融環(huán)境下孔結(jié)構(gòu)參數(shù)與抗凍性的灰相關(guān)度

對于混凝土損傷特征與抗凍等級的關(guān)聯(lián)性研究中，選擇相關(guān)程度較大的結(jié)構(gòu)參數(shù)建立孔結(jié)構(gòu)參數(shù)與抗凍性關(guān)系，此外考慮孔間距系數(shù)的重要程度，兩個荷載水平時均選擇空隙率、總孔表面積、少害孔、最可幾孔徑以及孔間距系數(shù)5個參數(shù)。通過多元回歸分析得到式(5)～(8)，兩個應(yīng)力水平下抗凍性與孔結(jié)構(gòu)參數(shù)之間用多元線性方程描述較準(zhǔn)確，其相關(guān)系數(shù)為0.999，其中最可幾孔徑、總孔表面積和空隙率與相對動彈模量呈正相關(guān)，而少害孔和孔間距系數(shù)與其呈負(fù)相關(guān)。

50%應(yīng)力水平下多元線性回歸：

(5)

50%應(yīng)力水平下多元非線性回歸：

(6)

80%應(yīng)力水平下多元線性回歸：

(7)

80%應(yīng)力水平下多元非線性回歸：

(8)

式中：Pg0、Sg0、Rp0、Plh0、Lp0分別為初始狀態(tài)的空隙率、總孔表面積、最可幾孔徑、少害孔、孔間距系數(shù)。

2.2 細(xì)觀尺度裂縫特征參數(shù)與抗凍指標(biāo)

根據(jù)灰度相關(guān)分析計算得出的凍融環(huán)境下混凝土裂縫結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)與抗凍性(用相對動彈性模量E表示，E0為初始狀態(tài)的相對動彈性模量)的灰度相關(guān)度如表3所示。

表3 凍融環(huán)境下裂縫結(jié)構(gòu)參數(shù)與抗凍性的灰相關(guān)度

由表3可得：不同應(yīng)力水平下混凝土裂縫結(jié)構(gòu)參數(shù)與抗凍性性能相關(guān)程度由大到小順序一致，灰度相關(guān)度由大到小順序依次是：裂紋寬度>裂縫分形維數(shù)>裂紋長度>裂紋密度。

通過多元回歸分析建立裂紋參數(shù)與抗凍性的關(guān)系結(jié)果如式(9)～(12)所示，50%應(yīng)力水平時采用多元非線性方程具有較高準(zhǔn)確度，其中分形維數(shù)和裂紋長度與相對動彈模量之間呈負(fù)相關(guān)，而裂紋寬度與其呈正相關(guān)；而80%應(yīng)力水平時采用多元線性方程具有較高準(zhǔn)確度，其中分形維數(shù)與相對動彈模量呈負(fù)相關(guān)，而裂紋寬度和裂紋長度與其呈正相關(guān)。

50%荷載水平下多元線性回歸：

(9)

50%荷載水平下多元非線性回歸：

(10)

80%荷載水平下多元線性回歸：

(11)

80%荷載水平下多元非線性回歸：

(12)

式中：LC0、WC0、FC0分別為初始狀態(tài)的裂紋長度、裂紋寬度和裂紋分形維數(shù)；LC、WC、FC分別為經(jīng)歷荷載損傷后的裂紋長度、裂紋寬度和裂紋分形維數(shù)。

2.3 界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)參數(shù)與抗凍指標(biāo)

根據(jù)多元回歸分析建立了界面區(qū)參數(shù)與抗凍性之間的關(guān)系方程，其結(jié)果見式(13)～(16)，兩個應(yīng)力水平下，界面區(qū)參數(shù)與抗凍性關(guān)系均具有較高的準(zhǔn)確度；其中密實(shí)度和裂紋長度與相對動彈模量之間呈正相關(guān)，而裂紋寬度與其呈負(fù)相關(guān)。

50%荷載水平下多元線性回歸：

(13)

50%荷載水平下多元非線性回歸：

(14)

80%荷載水平下多元線性回歸：

(15)

80%荷載水平下多元非線性回歸：

(16)

式中：C0為初始狀態(tài)密實(shí)度；C為經(jīng)歷荷載損傷的密實(shí)度。

3 結(jié)論

(1) 影響混凝土抗凍性的重要參數(shù)有無害孔、空隙率、總孔表面積、少害孔、最可幾孔徑以及孔間距系數(shù)5個參數(shù)， 抗凍性與孔結(jié)構(gòu)參數(shù)之間用多元線性模型可以較準(zhǔn)確地描述其相關(guān)性。最可幾孔徑、總孔表面積和空隙率與相對動彈模量是正相關(guān)，而少害孔和孔間距系數(shù)與其是負(fù)相關(guān)

(2) 裂縫參數(shù)對混凝土抗凍性的影響程度依次為裂紋寬度、裂縫分形維數(shù)、裂紋長度和裂紋密度，裂縫參數(shù)和抗凍性能之間的關(guān)系在正常荷載時符合多元非線性理論模型、超載時符合多元線性理論模型。分形維數(shù)與相對動彈模量是負(fù)相關(guān)，裂紋寬度和裂紋長度與相對動彈模量是正相關(guān)。

(3) 界面區(qū)參數(shù)與抗凍性關(guān)系采用多元線性模型可以準(zhǔn)確描述，密實(shí)度和裂紋長度與相對動彈模量之間是正相關(guān)關(guān)系，裂紋寬度與相對動彈模量之間是負(fù)相關(guān)關(guān)系。