凍融作用下風(fēng)積沙浮石混凝土孔結(jié)構(gòu)分形特征*

薛慧君 鄭建庭 鄒春霞 侯雨豐 劉 鑫,3

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院， 呼和浩特 010018； 2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)能源與交通工程學(xué)院， 呼和浩特 010018； 3.鄂爾多斯應(yīng)用技術(shù)學(xué)院土木工程系， 內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000)

0 引 言

浮石是一種具有發(fā)達(dá)孔隙結(jié)構(gòu)的天然非金屬礦產(chǎn)，也稱為火山石[1]。浮石可以作為輕骨料配制混凝土，許多研究表明其具有低密度、低彈性模量、低導(dǎo)熱性等特質(zhì)，特別是浮石混凝土豐富的孔結(jié)構(gòu)使其具有良好的抗凍性[2-3]?，F(xiàn)階段浮石混凝土的細(xì)骨料，主要采用顆粒級配良好、雜質(zhì)較少、品質(zhì)較優(yōu)的天然河砂，但隨著河砂限采政策的實施，尋求天然河砂的替代品勢在必行。風(fēng)積沙主要來源于沙漠及沙地區(qū)域的天然特細(xì)沙，可作為巖土工程材料使用，尤其是在軟土加固、路基隔斷層、路面基層或墊層等工程[4-6]。此外，風(fēng)積沙還可以替代部分河砂配制風(fēng)積沙混凝土，相關(guān)研究表明，在適當(dāng)替代率范圍內(nèi)風(fēng)積沙混凝土力學(xué)性能和耐久性可滿足一般土木與水利工程使用[7-9]。

現(xiàn)階段諸多研究者采用不同測試手段對不同工況下浮石輕骨料混凝土服役性能及微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。Dong等利用原子力顯微鏡對浮石混凝土抗凍性能進(jìn)行研究，從水化產(chǎn)物原子間的空間排列角度闡釋其內(nèi)部結(jié)構(gòu)[10]；Domagata等利用掃描電鏡、X射線衍射對輕骨料混凝土界面過渡區(qū)進(jìn)行分析，并對輕骨料孔隙中水化硅酸鈣凝膠的發(fā)育情況進(jìn)行判定[11]；Korat等利用X射線斷層掃描和壓汞儀協(xié)同測試，分析不同溫度下的輕骨料混凝土孔隙分布[12]；劉倩等研究表明氯鹽干濕循環(huán)下浮石輕骨料混凝土侵蝕機理主要為小孔隙和中小孔隙向大孔隙和裂紋發(fā)育，且生成代表性腐蝕產(chǎn)物Friedel鹽[13]；王仁遠(yuǎn)等研究表明風(fēng)蝕與凍融耦合作用下浮石混凝土破壞程度較單一風(fēng)蝕、凍融損傷破壞更為嚴(yán)重，且風(fēng)蝕加速浮石混凝土凍融損傷進(jìn)程[14]。綜上所述，眾多研究者利用了不同測試手段對浮石混凝土服役性能及微結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行表征[15-16]，但是針對適量風(fēng)積沙摻入的浮石混凝土，其孔隙特征的變化規(guī)律研究甚少，特別是針對寒冷地區(qū)涉水浮石混凝土，孔隙特征是影響其抗凍性的重要因素之一，所以研究凍融循環(huán)條件下風(fēng)積沙浮石混凝土孔結(jié)構(gòu)演變很有必要。

本研究利用天然浮石作為粗骨料配制混凝土，采用庫布其沙漠風(fēng)積沙部分替代河砂，研究風(fēng)積沙浮石混凝土抗凍性，通過核磁共振測試不同風(fēng)積沙替代率的浮石混凝土孔結(jié)構(gòu)特征，利用T2譜曲線變化、T2譜積分面積、孔隙度、水飽和度、分形維數(shù)等指標(biāo)對混凝土孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，并分析風(fēng)積沙浮石混凝土與普通浮石混凝土孔隙特征方面的不同。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料與配合比

水泥選用冀東P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；粉煤灰選用呼和浩特西郊熱電廠F類ΙΙ級粉煤灰；細(xì)骨料為風(fēng)積沙及河砂，風(fēng)積沙取自庫布其沙漠腹地，河砂取自呼和浩特砂廠，兩者主要物理化學(xué)指標(biāo)如表1所示；天然浮石粗骨料取自呼和浩特市，粒徑范圍為4.75～26.5 mm，堆積密度為737 kg/m3，表觀密度為1 757 kg/m3，1 h吸水率為7.91%，筒壓強度為2.9 MPa，壓碎指標(biāo)為40.1%；水選用普通自來水；外加劑選用復(fù)合型高效引氣減水劑，減水率為20%。

表1 風(fēng)積沙與河砂物理化學(xué)指標(biāo)

試驗配制水膠比為0.45的風(fēng)積沙浮石混凝土，采用等質(zhì)量替代法用風(fēng)積沙替代部分河砂，替代率分別為0%、20%、40%、60%，混凝土配合比見表2。

表2 風(fēng)積沙浮石混凝土配合比

1.2 試驗方法

采用100 mm×100 mm×400 mm棱柱體混凝土試件進(jìn)行抗凍性試驗，每組3塊，將試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)24 d后，置于(20±2)℃水中浸泡4 d，試件在28 d開始抗凍性試驗，試驗前測定初始質(zhì)量和初始動彈性模量。每個凍融循環(huán)在4 h內(nèi)完成，融化時間不少于整個循環(huán)時間1/4。每隔25次凍融循環(huán)測定試件質(zhì)量和相對動彈性模量，設(shè)計凍融循環(huán)為200次。

采用TDR-16型混凝土快速凍融試驗機進(jìn)行凍融循環(huán)試驗，用感量5 g的電子秤稱量試件質(zhì)量損失，借助NELD-DTV型動彈性模量測定儀測定試件動彈性模量；采用MesoMR型核磁共振分析系統(tǒng)中CPMG脈沖序列測定浮石混凝土孔隙特征，用直徑56 mm鉆頭對混凝土試件鉆芯取樣，將鉆取的混凝土圓柱體切割成高度為50 mm的核磁共振試樣，然后置于負(fù)壓真空飽水儀，對混凝土樣品進(jìn)行24 h真空負(fù)壓飽水處理。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 質(zhì)量損失率變化

不同風(fēng)積沙替代率的浮石混凝土凍融循環(huán)200次前后照片如圖1所示，不同風(fēng)積沙替代率的浮石混凝土凍融循環(huán)質(zhì)量損失率如圖2所示。由圖可知：隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，浮石混凝土質(zhì)量損失均不同程度的增大；對于D組浮石混凝土，質(zhì)量損失率曲線增長幅度最大，在150次凍融循環(huán)后其質(zhì)量損失率即達(dá)到GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的5%的上限[17]；而其余3組，質(zhì)量損失率均隨著凍融循環(huán)呈現(xiàn)緩慢增長趨勢，其中A組質(zhì)量損失率曲線增長最為緩慢，在凍融循環(huán)25次后質(zhì)量損失率出現(xiàn)微弱負(fù)增長，凍融循環(huán)200次后質(zhì)量損失率僅為0.57%，從質(zhì)量損失率角度說明其抗凍性最佳；B和C組混凝土，質(zhì)量損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)增加趨勢差異性較小，凍融循環(huán)200次后質(zhì)量損失率分別為1.10%和0.91%，說明兩者抗凍性較好且相差不大。對于風(fēng)積沙替代率60%的浮石混凝土，在水膠比相同的情況下，風(fēng)積沙替代率超過一定范圍，導(dǎo)致混凝土中水泥漿體對風(fēng)積沙的包裹能力降低，從而減小了硬化混凝土的機械咬合力，在凍融循環(huán)過程中，冰-水兩相交替作用對機械咬合力較弱的風(fēng)積沙水泥漿體產(chǎn)生作用力，導(dǎo)致風(fēng)積沙水泥漿體發(fā)生剝落，從而影響浮石混凝土抗凍性。

a—凍融循環(huán)0次； b—凍融循環(huán)200次。

圖2 浮石混凝土凍融循環(huán)質(zhì)量損失率

2.2 相對動彈性模量變化

不同風(fēng)積沙替代率的浮石混凝土凍融循環(huán)作用下相對動彈性模量變化如圖3所示。由圖可知：隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加浮石混凝土相對動彈性模量均呈現(xiàn)衰減趨勢；對于A和D組混凝土，相對動彈性模量衰減較為明顯，凍融循環(huán)200次后，相對動彈性模量分別衰減至89.55%和88.00%，且A組在凍融循環(huán)150次之內(nèi)，相對動彈性模量始終衰減最大，在凍融循環(huán)25次后，相對動彈性模量衰減為92.90%；而B和C組混凝土，相對動彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)增加變化較小，凍融循環(huán)200次后，相對動彈性模量變化幅度微弱，僅衰減至96.50%和98.21%。

圖3 浮石混凝土凍融循環(huán)相對動彈性模量變化

綜合考慮質(zhì)量損失率和相對動彈性模量兩個評判指標(biāo)，風(fēng)積沙替代率低于40%時，不影響浮石混凝土的抗凍性，當(dāng)替代率達(dá)60%時，浮石混凝土抗凍性顯著下降。此外，衡量風(fēng)積沙浮石混凝土凍融循環(huán)破壞，質(zhì)量損失率比相對動彈性模量更為敏感，即凍融循環(huán)對風(fēng)積沙混凝土表層漿體質(zhì)量剝落破壞比其內(nèi)部相對動彈性模量損傷更為嚴(yán)重。

2.3 核磁共振孔隙結(jié)構(gòu)

2.3.1核磁共振T2譜圖

浮石混凝土凍融循環(huán)200次前后核磁共振T2譜分布曲線如圖4所示，凍融循環(huán)前后浮石混凝土T2譜積分面積如表3所示。由圖4、表3可知：經(jīng)凍融循環(huán)200次后除B組外其他組浮石混凝土T2譜峰均有左移趨勢，且4組浮石混凝土各峰積分面積普遍增大，即隨著凍融次數(shù)的增加浮石混凝土的內(nèi)部孔隙數(shù)量也呈增長趨勢，其中A組第一峰積分面積相對于其他組別增長幅度最大，增長了64.45%；在凍融循環(huán)200次后第三峰信號幅度變得極弱，可忽略不計；B組第一峰面積增長幅度僅次于基準(zhǔn)組，增長了60.56%，在凍融循環(huán)200次后第三峰完全消失；C組整體峰面積相對于其他組別增長幅度最大，增長了111.52%，且主要為第二峰面積增長，第二峰面積與凍融前相比增長了179.54%；D組第一峰積分面積出現(xiàn)減小現(xiàn)象，第三峰積分面積由極其微弱的0.853增長至1 067.395。說明在相同凍融循環(huán)次數(shù)條件下當(dāng)風(fēng)積沙摻量大于40%后，浮石混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)會發(fā)生明顯改變，出現(xiàn)大量對凍融損傷產(chǎn)生促進(jìn)作用的大尺寸孔隙，且此時浮石混凝土抗凍性將顯著下降。

a—A組； b—B組； c—C組； d—D組。

表3 浮石混凝土核磁共振T2譜積分面積

2.3.2孔隙類型

通過核磁共振T2譜可以計算混凝土孔隙分布情況[18-20]，進(jìn)一步根據(jù)Yaman等的研究[21]將混凝土孔隙分為3類：微毛細(xì)孔(r≤100 nm)、大毛細(xì)孔(1001 000 nm)。凍融循環(huán)前后輕骨料混凝土的孔隙類型占比如圖5所示。由圖可知：凍融循環(huán)前A組浮石混凝土中有害孔占比26.98%最小、微毛細(xì)孔占比46.74%最多，其余3組中以風(fēng)積沙摻量為40%的C組浮石混凝土的孔徑分布最接近于基準(zhǔn)組，凍融循環(huán)后A組浮石混凝土微毛細(xì)孔占比變化不大，有害孔占比減少，而其余3組浮石混凝土微毛細(xì)孔占比均大幅度降低，其中C組下降幅度最大，達(dá)到15.4%，但C組大毛細(xì)孔占比增長幅度是4組里最大的，達(dá)到10.94%，這說明C組浮石混凝土小孔隙在經(jīng)過凍融循環(huán)后向大孔隙演變，且C組中有害孔占比增長幅度最接近基準(zhǔn)組。故在浮石混凝土中摻入風(fēng)積沙，會因為摻量的變化而使孔隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同程度的劣化。

a—凍融前； b—凍融后。有害孔； 大毛細(xì)孔； 微毛細(xì)孔。

將凍融循環(huán)前后的孔徑占比變化量與浮石混凝土凍融循環(huán)后質(zhì)量損失率相關(guān)聯(lián)，可發(fā)現(xiàn)隨著風(fēng)積沙摻量的增加，浮石混凝土的質(zhì)量損失率與100 nm1 000 nm有害孔占比變化率的變化趨勢相同；將凍融循環(huán)前后的孔徑占比變化量與凍融循環(huán)前后相對動彈性模量變化相關(guān)聯(lián)所得的結(jié)論與質(zhì)量損失率基本一致。這說明對于浮石混凝土，100 nm1 000 nm有害孔占比增多會削弱其抗凍能力。

2.3.3孔隙特征參數(shù)

1)孔隙度。凍融循環(huán)前后各組浮石混凝土孔隙度如圖6所示。由圖可知：在凍融循環(huán)后各組浮石混凝土吸水孔隙度均較凍融循環(huán)前有所增大。A組浮石混凝土凍融前吸水孔隙度為1.095%，凍融循環(huán)后A組吸水孔隙度增大至4.403%，增長幅度最大；凍融循環(huán)后B、C組浮石混凝土吸水孔隙度分別為4.784%和4.527%，與A組混凝土吸水孔隙度相差不大，且宏觀抗凍性方面A、B和C組混凝土抗凍性均滿足設(shè)計要求；而D組輕骨料凝土凍融循環(huán)前后吸水孔隙度均明顯高于其他組混凝土，分別為3.581%和6.005%，說明60%的風(fēng)積沙摻入明顯增大了浮石混凝土中吸水孔隙度的比例，且D組宏觀抗凍性不滿足設(shè)計要求，側(cè)面反映出可以通過吸水孔隙度的大小判定浮石混凝土抗凍性的優(yōu)劣。

圖6 凍融循環(huán)前后浮石混凝土孔隙度

2)水飽和度。對于小孔隙中的流體，氫質(zhì)子自由度較低且束縛力較大，對于大孔隙中的流體，氫質(zhì)子自由度較高且束縛力較弱，T2截止值為束縛水和自由水分界值，小于該值的水存在于小孔隙中，大于該值的水存在于大孔隙中，利用孔隙分布可計算得到水飽和度[19-20]。凍融循環(huán)前后浮石混凝土的水飽和度如圖7所示。由圖可知:各組浮石混凝土凍融循環(huán)200次后代表小孔隙的束縛水飽和度呈減小趨勢，代表大孔隙的自由水飽和度呈增大趨勢。結(jié)合抗凍性試驗，對于D組200次凍融循環(huán)后孔隙率6.01%，自由流體飽和度77.59%，兩者為試驗組中的最大值和較大值，且該組浮石混凝土抗凍性最差。隨著凍融循環(huán)進(jìn)行，大孔隙中的流體受到冰-水兩相反復(fù)作用，對孔隙產(chǎn)生一定孔隙壓力，試件表層風(fēng)積沙水泥漿體產(chǎn)生的凍融損傷破壞較大[10]，導(dǎo)致表面風(fēng)積沙水泥漿體大面積剝落，質(zhì)量損失率迅速增大，但內(nèi)部浮石混凝土骨料與界面過渡區(qū)相對穩(wěn)定，相對動彈性模量變化較少。對于A、B和C組浮石混凝土，風(fēng)積沙替代率低于40%，孔隙度和自由水飽和度均低于D組，在抗凍性試驗中，試件表面風(fēng)積沙漿體產(chǎn)生的凍融損傷破壞較小，風(fēng)積沙漿體剝落較少，質(zhì)量損失率變化不大。

圖7 凍融循環(huán)前后浮石混凝土水飽和度

3)最可幾孔徑。最可幾孔徑是混凝土中所有孔隙里出現(xiàn)占比最高的孔隙的孔徑尺寸[22]，凍融循環(huán)前后風(fēng)積沙浮石混凝土最可幾孔徑分布和占比如圖8所示。由圖8a可知：浮石混凝土在凍融循環(huán)前后最可幾孔徑的尺寸隨著風(fēng)積沙摻量增加呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢。經(jīng)歷凍融循環(huán)后，A組普通浮石混凝土最可幾孔徑向小孔徑方向演化，而B、C和D組風(fēng)積沙浮石混凝土最可幾孔徑均向大孔徑方向演化，其中D組混凝土最可幾孔徑由凍融前29.35 nm演變?yōu)閮鋈诤? 279.87 nm，最可幾孔徑尺寸變化值最大，說明D組混凝土凍融循環(huán)后孔隙結(jié)構(gòu)劣化程度最大，抗凍性最差。由圖8b可知：4組混凝土在凍融循環(huán)后最可幾孔徑占比均有不同程度提升，D組提升最大，由1.34%提升到2.37%，說明大孔隙數(shù)量在增加，小孔徑在向大孔徑演化。

a—最可幾孔徑尺寸； b—最可幾孔徑占比。

2.3.4孔結(jié)構(gòu)分形維數(shù)

由核磁共振試驗得到凍融前后浮石混凝土T2譜曲線，根據(jù)T2譜曲線可計算浮石混凝土核磁共振分形維數(shù)。由幾何學(xué)分形理論[23-24]可知核磁共振T2譜對應(yīng)的分形幾何近似為：

Sv=(T2max/T2)D-3

(1a)

lgSv=(3-D)lgT2+(D-3)lgT2max

(1b)

式中：Sv為弛豫時間小于T2截止值時的累積孔隙體積占總孔隙體積百分比；D為分形維數(shù)；T2max為最大弛豫時間，此處T2截止值取值由核磁共振T2譜分布所決定，取10 ms。

以凍融循環(huán)前后核磁共振T2譜所對應(yīng)的孔隙半徑作為試驗數(shù)據(jù)來計算孔隙體積分形維數(shù)，其lgT2與lgSv關(guān)系曲線如圖9所示。

a—A-0； b—B-0； c—C-0； d—D-0； e—A-200; f—B-200; g—C-200； h—D-200。

進(jìn)一步以T2=10 ms為分界點，對弛豫時間T2≤10 ms和T2>10 ms兩段散點圖進(jìn)行線性擬合，利用lgT2與lgSv的關(guān)系曲線圖中兩段線性擬合關(guān)系計算核磁共振分形維數(shù)，其中Dmin和Dmax分別代表浮石混凝土在r≤150 nm和r>150 nm時的核磁共振分形維數(shù)，計算結(jié)果如表4所示。

表4 凍融循環(huán)前后浮石混凝土孔結(jié)構(gòu)分形維數(shù)

由表4可知：除A組浮石混凝土外其余3組凍融循環(huán)后的核磁共振分形維數(shù)均不同程度小于凍融循環(huán)前相對應(yīng)的分形維數(shù)，A組則與之相反，凍融后浮石混凝土分形維數(shù)大于凍融前相應(yīng)分形維數(shù)，且風(fēng)積沙摻量增加凍融循環(huán)前后4組浮石混凝土的Dmin與Dmax均表現(xiàn)出同升同降的變化趨勢，即凍融前Dmin與Dmax呈正相關(guān)，凍融后亦是如此。其中C組核磁共振分形維數(shù)最接近基準(zhǔn)組A組，即從核磁共振分形維數(shù)的角度來講，在浮石混凝土中摻入40%風(fēng)積沙后其抗凍性與基準(zhǔn)組相當(dāng)。

進(jìn)一步將微毛細(xì)孔、大毛細(xì)孔和有害孔占比與核磁共振分形維數(shù)相關(guān)聯(lián)，各類孔隙占比與Dmax分形維數(shù)關(guān)系如圖10所示。由圖可知：浮石混凝土分形維數(shù)Dmax與r≤100 nm微毛細(xì)孔占比呈正比關(guān)系，兩者經(jīng)線性擬合后相關(guān)系數(shù)R2為0.972 6，說明分形維數(shù)Dmax越大微毛細(xì)孔占比越大；同時，分形維數(shù)Dmax與r>1 000 nm有害孔占比呈反比關(guān)系，兩者經(jīng)線性擬合后相關(guān)系數(shù)R2為0.970 2，說明分形維數(shù)Dmax越大有害孔占比越??；此外，分形維數(shù)Dmax與100 nm

a—Dmax與微毛細(xì)孔關(guān)系； b—Dmax與大毛細(xì)孔關(guān)系；c—Dmax與有害孔占比關(guān)系。

3 結(jié) 論

1)風(fēng)積沙替代率低于40%時對浮石混凝土抗凍性影響不大，當(dāng)風(fēng)積沙摻量為60%時浮石混凝土凍融循環(huán)過程中表層風(fēng)積沙水泥漿體剝落較為嚴(yán)重，評價風(fēng)積沙浮石混凝土抗凍性，質(zhì)量損失率比相對動彈性模量更為精確。

2)風(fēng)積沙浮石混凝土中100 nm1 000 nm有害孔占比增多會削弱其抗凍能力。

3)經(jīng)歷凍融循環(huán)后，普通浮石混凝土最可幾孔徑向小孔徑方向移演化，而風(fēng)積沙浮石混凝土最可幾孔徑均向大孔徑方向演化。

4)浮石混凝土孔隙結(jié)構(gòu)具有一定的分形特征，通過核磁共振分形維數(shù)Dmax的變化可表征浮石混凝土r≤100 nm微毛細(xì)孔和r>1 000 nm有害孔占比的變化，分形維數(shù)Dmax越大，則微毛細(xì)孔占比越多而有害孔占比越少，且分形維數(shù)Dmin與各類孔隙占比的關(guān)聯(lián)度不高。