干濕循環(huán)作用下混凝土力學性能及微觀結構研究

邵化建，李宗利,2，肖帥鵬，姚希望，張 寧

(1.西北農林科技大學水利與建筑工程學院，楊凌 712100； 2.西北農林科技大學旱區(qū)農業(yè)水土工程教育部重點實驗室，楊凌 712100)

0 引 言

混凝土的耐久性受其運行的環(huán)境影響，國內外專家已對其進行了大量研究[1-2]。對于在水環(huán)境中服役的混凝土而言，干濕循環(huán)作用對其性能的影響尤為顯著。Li等[3]通過理論推導和數值分析，探究得到了干濕循環(huán)條件下混凝土表面水分遷移的主要機制。Zhang等[4]針對干濕循環(huán)作用下混凝土干縮濕脹特性進行了實驗研究和理論模擬，得出混凝土內部相對濕度在干濕循環(huán)過程中發(fā)生周期性變化的結論。劉鵬等[5]通過模擬干濕環(huán)境，探究得到了干濕循環(huán)對混凝土內水分深度影響和混凝土平衡時間的影響。Chen等[6]的研究結果表明，經干濕循環(huán)作用后，混凝土動態(tài)彈性模量不斷減小并趨于穩(wěn)定，混凝土失重率不斷增加并逐漸變緩。Song等[7]研究了混凝土在干濕循環(huán)作用下的收縮與徐變特性。

混凝土性能的演變規(guī)律，取決于其微觀結構的變化[8-9]。上述研究探究了干濕循環(huán)條件下的混凝土宏觀性能的演變規(guī)律，缺乏從微觀結構解釋混凝土在獨立干濕循環(huán)條件下的性能變化機理。國內外研究中，干濕循環(huán)作用往往伴隨在有害鹽分的侵蝕作用機理研究中，多位研究人員[10-14]通過試驗研究了干濕循環(huán)與侵蝕性介質耦合作用下混凝土的劣化機理。結果表明，鹽蝕對混凝土的劣化影響顯著，但水除作為運輸介質外，水分從混凝土內逸出或吸水過程存在毛細管張力的循環(huán)變化，勢必引起混凝土微觀結構變化，水的循環(huán)作用是否對混凝土的劣化起到一定作用沒有得到進一步的研究。已有研究表明，濕度含量本身對混凝土力學性能和變形性能有影響[15-16]。綜上，對干濕交替環(huán)境下的混凝土劣化規(guī)律展開研究，并應用微觀檢測結果解釋其變化機理重要且必要。

因此，本文開展混凝土在干濕交替環(huán)境下的試驗研究，研究干濕循環(huán)作用對混凝土物理力學性能的影響，分析不同強度等級混凝土在干濕循環(huán)不同階段的強度變化規(guī)律，通過壓汞法測定孔隙率和孔隙結構，利用非金屬超聲檢測儀檢測超聲波速變化規(guī)律，以探討混凝土干濕循環(huán)的劣化機理，為水工混凝土薄壁結構精細分析、安全度評價提供理論支撐。

1 實 驗

1.1 原材料

水泥采用陜西冀東水泥廠產“盾石”牌P·O 42.5R級普通硅酸鹽水泥，標準稠度用水量28.78%(質量分數)，其化學組成(質量分數，下同)和基本特性見表1。細骨料為陜西渭河砂場的天然中砂，表觀密度2.56 g/cm3，級配良好，細度模數2.75，含泥量1.2%(質量分數)；粗骨料為陜西渭河卵石，粒徑5～20 mm，含泥量0.33%，表觀密度2.62 g/cm3，粗、細骨料有害物質含量都符合規(guī)范要求。粉煤灰采用河南藍科Ⅱ級粉煤灰，其化學組成和基本特性見表2。拌和用水選用自來水，滿足規(guī)范對混凝土試驗用水的要求；減水劑采用青島虹夏聚羧酸高效減水劑。

表1 水泥化學組成與基本特性Table 1 Chemical composition and basic physical properties of cement

表2 粉煤灰化學組成與基本特性Table 2 Chemical composition and basic physical properties of fly ash

1.2 試驗儀器及試件制備

電熱恒溫鼓風干燥箱用于干燥混凝土試件，溫度分辨率為1 ℃。電子天平用于測定干濕循環(huán)過程中混凝土試件的質量變化，精度為0.01 g。采用北京康科瑞公司生產的NM-4A非金屬超聲檢測分析儀測定干濕循環(huán)前后的超聲波速、波幅變化。采用美國Quantachrome公司生產的PoreMaster GT型(33/60)型壓汞儀測定干濕循環(huán)前后的孔隙率及孔隙結構，可測孔徑范圍為7 nm～1 000 μm。

制備70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體混凝土試件，該尺寸雖不是混凝土標準試驗推薦尺寸，會產生一定的尺寸效應，但不影響研究的規(guī)律，這主要考慮到在試驗中盡可能降低溫度梯度以及便于與后續(xù)的水泥砂漿試驗作對比。粗骨料最大粒徑為20 mm，試樣尺寸大于最大骨料粒徑的3倍，滿足尺寸要求。拌和過程按《水工混凝土試驗規(guī)程》SL352—2006進行，試件澆筑成型后立即用塑料薄膜覆蓋以防硬化期間水分蒸發(fā)，24 h后拆模并移至標準養(yǎng)護室(溫度(20±2) ℃，相對濕度>95%)養(yǎng)護至28 d?；炷翉姸鹊燃壏謩e為C20、C30、C40、C50，配合比及主要參數見表3。

表3 不同強度等級混凝土的配合比及主要參數Table 3 Mix proportion and major parameters of concrete with different strength grades

1.3 試驗設計與方法

由于試驗需求不同，各學者采用的干濕循環(huán)制度不盡相同[10-14,17]。綜合考慮試驗的可操作性、并便于試驗結果之間的對比，試驗制度定為6 d完成一次干濕循環(huán)，將養(yǎng)護好的試件放入溫度為40 ℃(實際產生20 ℃溫差變化)的烘箱中60 h，取出后室溫冷卻12 h，再放入常溫的水中浸泡12 h，最后取出擦干表面水分，用保鮮膜包裹后靜置60 h，以上試驗為一個循環(huán)周期，進行循環(huán)試驗。譚聰等[18]的試驗結果表明，混凝土立方體試塊在水中浸泡12 h，吸水量基本達到飽和，再通過60 h的靜置，使其水分均勻。Zhang等[15]、韓進生等[19]開展的混凝土的最佳干燥機制試驗研究表明，混凝土在80 ℃以下僅脫去自由水，不會對混凝土微觀結構產生顯著影響。另外，在我國的西部地域，夏季的混凝土建筑物日溫差變化往往較大，20 ℃溫差變化時常出現?；谝陨蟽煞矫婵紤]，本試驗采用40 ℃烘干法干燥。吸水后和干燥后試件內水分分布情況如圖1所示，干燥和吸水靜置完成后，試件內水分基本均勻。

圖1 吸水后和干燥后試件內水分分布情況Fig.1 Water distribution in the specimen after absorbing water and drying

將標準養(yǎng)護28 d的混凝土試件按照強度等級和干濕循環(huán)次數的不同分為20組，每組6塊試件(3塊進行抗壓試驗，3塊進行劈裂抗拉試驗)，其中4組作為對照組，16組作為試驗組。力學和物理參數結果按照試驗規(guī)程推薦方法取該組試驗結果的平均值。試驗前首先測定混凝土的抗壓強度、劈裂抗拉強度、超聲波波速等物理量，之后每干濕循環(huán)10次進行一次無損檢測和破壞性試驗，得到抗壓強度、劈裂抗拉強度、超聲波波速等試驗數據。本試驗擬干濕循環(huán)40次，歷時8個月。試驗過程中定時稱取混凝土的質量，劈裂抗拉試驗后截取壓汞試樣(將混凝土壓碎后，取與粗骨料緊密接觸的水泥砂漿塊，即包含界面層，并打磨掉四周棱角)進行壓汞實驗，得到混凝土在干濕循環(huán)不同階段的孔隙率及孔隙結構分布，通過分析試驗結果，探究干濕循環(huán)對混凝土物理力學性能的影響規(guī)律。

2 結果與討論

2.1 混凝土力學性能劣化規(guī)律

為消除齡期不同引起的強度差異，在混凝土試件處于干濕循環(huán)過程時，相應同齡期的飽和試件始終在標準養(yǎng)護室養(yǎng)護，作為對照組。待混凝土試件達到預設干濕循環(huán)次數時才將試件取出，試驗組與對照組同時進行強度測定。

相對抗壓強度隨干濕循環(huán)次數變化規(guī)律如圖2所示(其中相對抗壓強度為干濕循環(huán)后的抗壓強度與同齡期標準養(yǎng)護后飽和抗壓強度的比值)?？梢钥闯?，不同強度等級的混凝土總體上表現出相同的變化趨勢，隨著干濕循環(huán)次數的增多，相對抗壓強度先升高(增強階段)后降低(退化階段)。略有不同的是C40、C50高強度等級的混凝土在干濕循環(huán)20次左右達到最大值，然后減??；C20、C30低強度等級的混凝土在10個循環(huán)左右達到最大值，然后減小?；炷翉姸鹊燃壴礁?，其相對抗壓強度增幅越大，C20、C30、C40、C50混凝土的最大值分別增加了8.91%、9.82%、12.98%、14.14%。在退化階段，特別是40個干濕循環(huán)后，與退化階段初期相比，混凝土相對抗壓強度降幅更大，C20、C30、C40、C50混凝土分別下降了13.33%、12.47%、8.45%、6.58%。可以清楚地觀察到干濕循環(huán)對抗壓強度的影響，且強度等級愈高的混凝土抵抗干濕循環(huán)作用的能力越強。

圖2 干濕循環(huán)作用對混凝土相對抗壓強度的影響Fig.2 Effect of drying-wetting cycles on relative compressive strength of concrete

圖3顯示了干濕循環(huán)作用下混凝土的相對劈裂抗拉強度(定義同相對抗壓強度)的變化規(guī)律，與相對抗壓強度變化規(guī)律基本相同。在干濕循環(huán)10次左右達到最大值，然后減小?；炷翉姸鹊燃壴礁?，其相對劈裂抗拉強度增幅越大，C20、C30、C40、C50混凝土的最大值分別增加了1.04%、1.46%、2.00%、2.50%。在退化階段，特別是40個干濕循環(huán)后，與退化階段初期相比，混凝土相對劈裂抗拉強度與抗壓強度相比，各強度等級混凝土的劈裂抗拉強度衰減的更為顯著，C20、C30、C40、C50混凝土分別下降了25.93%、23.06%、20.59%、19.03%，說明劈裂抗拉強度對混凝土損傷更為敏感。

圖3 干濕循環(huán)作用對混凝土相對劈裂抗拉強度的影響Fig.3 Effect of drying-wetting cycles on relative splitting tensile strength of concrete

干濕循環(huán)過程中混凝土強度變化主要受到兩方面因素影響。一方面，未水化水泥顆粒繼續(xù)水化，提高了混凝土的密實度，對混凝土強度具有增強效應[15,19-20]。另一方面，混凝土在干濕交替的環(huán)境中，干燥過程由于水蒸氣壓力差的存在，氣體向外逸出，使混凝土內部孔隙進一步擴大甚至導致新的孔隙與缺陷產生；濕潤過程由于毛細壓力的存在，環(huán)境中的水分進入混凝土內部孔隙，造成孔隙膨脹，因此不斷的干濕循環(huán)必然導致損傷的進一步加大，對混凝土強度有削弱效應。干濕循環(huán)初期，混凝土中的水化作用占據主導地位，強度略有提高，隨著干濕循環(huán)的進行，水化反應減弱，干濕循環(huán)作用占主導，其強度開始下降。對于等級高的混凝土，由于水膠比相對較小，其水化程度較等級低的混凝土小，干濕循環(huán)初期強度增加幅度大；同時等級高的混凝土，也表現為初始缺陷少、強度相對大，其后期干濕循環(huán)損傷也相對較小。

2.2 混凝土超聲波速、波幅變化規(guī)律

試驗采用非金屬超聲檢測分析儀測得試件的初始波速、波幅和一定干濕循環(huán)次數的試件的波速和波幅，得到各組混凝土超聲波速和超聲波幅隨干濕循環(huán)次數的變化規(guī)律，如圖4、圖5所示。

圖4 干濕循環(huán)對混凝土超聲波速的影響Fig.4 Effect of wetting-drying cycles on ultrasonic wave velocity of concrete

圖5 干濕循環(huán)對混凝土超聲波振幅的影響Fig.5 Effect of drying-wetting cycles on ultrasonic amplitude of concrete

圖4表明，干濕循環(huán)前不同強度等級的混凝土的超聲波速呈規(guī)律性變化，強度等級越高，波速越大；在同一干濕循環(huán)階段，不同強度等級的混凝土亦表現出規(guī)律性的變化趨勢，強度等級越高，波速越大。經干濕循環(huán)作用后，混凝土超聲波速變化顯著，不同強度等級的混凝土呈現出相同的變化趨勢，即隨著干濕循環(huán)的進行，超聲波速先略有增加后減小。干濕循環(huán)40次后，各強度等級的混凝土超聲波速達到最小值，較初始值分別減小了4.75%、4.54%、2.72%、2.39%。超聲波速的減小表明混凝土內部出現微裂紋等缺陷。

混凝土的超聲波速不是唯一反映混凝土內部損傷的參數。超聲波振幅也是超聲波檢測的主要參數之一，波幅代表聲能的大小，當穿過混凝土內部缺陷時，缺陷會吸收波能量或者對波進行散射以及擴散等衰減波能量，造成波幅的減小，因此波幅越大，能量損耗越少，表明混凝土內部越密實。由圖5可以看出，干濕循環(huán)后混凝土的超聲波波幅大于干濕循環(huán)前的波幅，說明干濕循環(huán)后混凝土固相的密實度是提高的，這對于混凝土強度有增強作用。

2.3 混凝土孔結構與損傷劣化機理

壓汞法測孔是混凝土微觀結構分析中的常用方法[21]。以C30混凝土為例說明孔結構變化規(guī)律，各組試樣中孔結構基本參數如表4所示。

表4 壓汞法孔結構基本參數(C30)Table 4 Basic parameters of pore structure of mercury intrusion porosimetry (C30)

由表4可知，干濕交替環(huán)境下的混凝土試樣內部孔結構發(fā)生明顯變化?？紫堵屎涂紫犊傮w積表現出相同的變化規(guī)律，即隨著干濕循環(huán)過程的進行，混凝土的孔隙率和孔體積呈現先減小后增大的趨勢，這恰好解釋了混凝土抗壓強度先增大后減小的現象。而其孔隙總面積的變化規(guī)律也與抗壓強度的變化規(guī)律一致，隨著干濕循環(huán)次數的增加呈現出先增大后減小的變化趨勢。當干濕循環(huán)超過10次后，混凝土試樣孔隙率和孔體積增加，孔的面積卻減小，表明試樣內部孔徑增大，但孔的數量減少，即呈粗化狀態(tài)，有劣化的趨勢。雖然壓汞法無法測出孔的數量和孔徑大小，但是從平均孔徑值和中值孔徑值可以間接說明孔的變化。從表4展示的結果來看，隨干濕循環(huán)次數的增加平均孔徑和中值孔徑先減小后增大，表明混凝土在干濕交替的環(huán)境中，其內部孔的大小也經歷了先減小后增大的變化。

孔結構基本參數可以較好的表征混凝土在干濕循環(huán)作用下的變化，混凝土孔徑分布也是不可或缺的表征方法。圖6為混凝土不同干濕循環(huán)階段各孔徑對應的孔所占有的體積，圖中的峰值點代表最可幾孔徑(峰值孔徑)。在干濕循環(huán)的不同階段，混凝土的孔徑分布曲線均呈現出一個主峰，一個次峰，若干小峰的分布狀態(tài)。隨著干濕循環(huán)次數的增加，混凝土試樣的最可幾孔徑首先向小孔端移動，然后往大孔端漂移，孔徑出現粗化特征。

圖6 不同干濕循環(huán)階段的孔徑分布(C30)Fig.6 Pore size distribution in different drying-wetting cycles (C30)

參照我國著名混凝土科學家吳中偉等[22]提出的孔的分類方法將試樣的孔徑分布進行整理，如表5所示。

表5 混凝土不同干濕循環(huán)階段各類孔所占百分比(C30)Table 5 Percentage of various types of holes in concrete at different drying-wetting cycles (C30)

通過表5可知，混凝土試樣中各類孔所占的百分比隨循環(huán)次數發(fā)生明顯變化。在干濕循環(huán)初期，未水化水泥顆粒繼續(xù)水化占據主導地位，水化產物填充了原始的大孔隙，導致有害孔和多害孔所占的比例減小，而無害孔和少害孔的比例增加；隨著干濕循環(huán)次數的增加，干濕循環(huán)引起的損傷不斷積累，使得混凝土有害孔和多害孔所占的比例開始增加，無害孔和少害孔減少。顯然，在干濕交替環(huán)境中，混凝土內部孔結構首先發(fā)生優(yōu)化，然后開始劣化，這必然會給混凝土的宏觀性能帶來影響，也就導致了干濕循環(huán)后期混凝土強度的損失。

混凝土強度等級不同，導致其在干濕循環(huán)作用下的強度變化有所不同，這主要是其孔結構存在差異，為說明高強度等級混凝土的孔結構變化規(guī)律，對C40混凝土開展壓汞實驗，其孔結構基本參數如表6。

表6 壓汞法孔結構基本參數(C40)Table 6 Basic parameters of pore structure of mercury intrusion porosimetry (C40)

由表6可知，隨著干濕循環(huán)次數的增加，C40混凝土的孔隙率和孔體積也表現出先減小后增大的變化趨勢，平均孔徑、中值孔徑、峰值孔徑等特征孔徑的變化規(guī)律亦是如此。因此，在干濕循環(huán)過程中，無論混凝土強度等級的高低，其孔結構都是先得到優(yōu)化而后劣化。稍有不同的是，C40混凝土在干濕循環(huán)20次后才開始劣化，這說明高強度等級的混凝土抵抗干濕循環(huán)作用的能力強。

3 結 論

(1)隨著干濕循環(huán)次數的增多，不同強度等級混凝土的相對強度表現出相同的變化趨勢，先升高后降低；相對劈裂抗拉強度較抗壓強度衰減更為顯著，說明劈裂抗拉強度對混凝土內部損傷更為敏感。

(2)干濕循環(huán)作用后，混凝土超聲波速變化顯著，不同強度等級的混凝土呈現出相同的變化趨勢，隨著干濕循環(huán)的進行，超聲波速先略有增加而后減小；超聲波幅則隨著干濕循環(huán)次數的增多而增大。

(3)孔隙率、孔隙總體積、平均孔徑、中值孔徑、最可幾孔徑均表現出相同的變化趨勢，即隨著干濕循環(huán)次數的增多，先減小后增大，最終表現出孔徑粗化特征。