凍融作用下低熱水泥混凝土抗沖磨性能評(píng)價(jià)

姜春萌,李雙喜,蔣林華,唐新軍

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院,烏魯木齊 830052;2.河海大學(xué) 力學(xué)與材料學(xué)院,南京 211100;3.新疆水利工程安全與水災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 830052)

0 引 言

低熱硅酸鹽水泥水化熱低、后期強(qiáng)度高,常用于配制水工等大體積混凝土以控制其溫度裂縫[1-2]。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)低熱水泥混凝土的力學(xué)、熱學(xué)以及抗裂性能進(jìn)行了大量研究,但關(guān)于其耐久性能的文獻(xiàn)資料相對(duì)較少[3-5]。磨蝕是水工混凝土耐久性設(shè)計(jì)所需考慮的重要指標(biāo)之一?，F(xiàn)有文獻(xiàn)表明,低熱水泥混凝土具有優(yōu)秀的抗沖磨性能,已在向家壩、白鶴灘、溪洛渡等多個(gè)水利工程中得到證實(shí)[6-8]。實(shí)際工況下,水工混凝土服役環(huán)境復(fù)雜,磨蝕往往與其他環(huán)境因素存在正負(fù)疊加與交互耦合效應(yīng),單因素性能研究逐漸難以滿足混凝土耐久性設(shè)計(jì)及壽命預(yù)測(cè)需要[9-10]。

對(duì)于寒冷地區(qū)水工混凝土而言,凍融與沖磨往往交替發(fā)生,加速混凝土力學(xué)及耐久性能劣化,導(dǎo)致其過流面出現(xiàn)嚴(yán)重脫落剝蝕,進(jìn)而影響建筑物外觀及安全運(yùn)行。近年來,凍融與沖磨共同作用下的混凝土損傷演化行為逐漸為科研人員所關(guān)注。例如,劉彥書[11]通過快凍法和水下鋼球法,以凍融50次、沖磨12 h為一個(gè)循環(huán),測(cè)試了C30普通水泥混凝土在凍磨聯(lián)合作用下的質(zhì)量變化,并對(duì)其磨蝕形貌進(jìn)行了定性分析;劉明輝等[12]設(shè)計(jì)了一種新型攪拌沖磨裝置,先將圓柱體混凝土試件進(jìn)行快速凍融試驗(yàn),然后再將不同損傷程度的凍融混凝土放入沖磨儀中,測(cè)試其磨蝕質(zhì)量損失;白銀等[13]采用水砂磨損機(jī)和單面凍融法,將混凝土按照“沖磨0.5 h+凍融8次”進(jìn)行循環(huán)試驗(yàn),以試件質(zhì)量損失和相對(duì)動(dòng)彈型模量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)分析了凍融-沖磨耦合作用下混凝土損傷進(jìn)程和劣化機(jī)理。

目前,針對(duì)混凝土凍融損傷的評(píng)價(jià)多局限于質(zhì)量損失和相對(duì)動(dòng)彈性模量,基于水下鋼球法的混凝土磨蝕性能指標(biāo)僅為固定時(shí)間節(jié)點(diǎn)下的抗沖磨強(qiáng)度和質(zhì)量損失,導(dǎo)致相關(guān)研究成果往往具有一定局限性,難以有效表征凍融與沖磨作用下的混凝土性能演化規(guī)律,且對(duì)其交互效應(yīng)缺乏深入討論,容易遺漏混凝土劣化行為的有效信息[14-15]。因此,如何設(shè)計(jì)試驗(yàn)、科學(xué)評(píng)價(jià)凍融混凝土的磨蝕性能成為研究?jī)鋈谂c沖磨共同作用下混凝土損傷演化行為的關(guān)鍵。

本文以低熱水泥混凝土為研究對(duì)象,提出了基于維氏硬度和損傷層厚度的凍融損傷評(píng)價(jià)方法,以及基于三維磨蝕形貌和分形理論的磨蝕性能評(píng)價(jià)方法。在此基礎(chǔ)上,研究了經(jīng)不同凍融次數(shù)后的混凝土磨蝕質(zhì)量損失、抗沖磨強(qiáng)度、磨蝕形貌以及分形維數(shù)等指標(biāo)隨時(shí)間變化規(guī)律,探明了凍融、沖磨共同作用下低熱水泥混凝土整體劣化程度、損傷層厚度、磨蝕深度與沖磨時(shí)間的交互變化關(guān)系。研究成果可為低熱水泥混凝土耐久性設(shè)計(jì)和壽命預(yù)測(cè)提供指導(dǎo),并為多因素作用下混凝土材料的損傷評(píng)價(jià)提供參考。

1 原材料與試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料與試樣制備

1.1.1 試驗(yàn)材料

采用四川嘉華特種水泥公司生產(chǎn)的低熱硅酸鹽水泥,其硅酸二鈣(C2S)、硅酸三鈣(C3S)含量分別為43.9%、28.7%,化學(xué)成分如表1所示,物理及力學(xué)性能見表2,相關(guān)指標(biāo)滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《中熱硅酸鹽水泥、低熱硅酸鹽水泥》(GB/T 200—2017)[16]要求;細(xì)骨料是細(xì)度模數(shù)為2.71的天然河沙,粗骨料為粒徑5～16 mm的連續(xù)級(jí)配碎石;外加劑采用江蘇蘇博特公司生產(chǎn)的高性能聚羧酸減水劑和南京瑞迪公司生產(chǎn)的松香類引氣劑;混凝土拌合用水為南京市自來水。

表1 水泥化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

表2 水泥物理及力學(xué)性能指標(biāo)

1.1.2 試樣制備

參考常見的水工混凝土配合比方案,設(shè)計(jì)了如表3所示水膠比為0.4的低熱水泥混凝土。根據(jù)表3,分別制備尺寸為100 mm×100 mm×400 mm和Φ300 mm×100 mm這2種規(guī)格的混凝土試件,靜置24 h后拆模并移入環(huán)境溫度為20 ℃±2 ℃、相對(duì)濕度>98%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)86 d,以消除水泥后期水化對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果造成的影響。養(yǎng)護(hù)結(jié)束后,將所有試件取出置于飽和石灰水中浸泡4 d使其充分飽水,然后分別以3個(gè)試件為一組,按照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL 352—2006)[17]中的相關(guān)要求進(jìn)行“快速法”凍融試驗(yàn)和“水下鋼球法”沖磨試驗(yàn)。

表3 混凝土配合比

1.2 試驗(yàn)方案與測(cè)試方法

1.2.1 試驗(yàn)方案

設(shè)計(jì)了表4所示四組方案進(jìn)行凍融-沖磨試驗(yàn)。其中,Ab為對(duì)照組,即不經(jīng)凍融循環(huán),直接測(cè)試其抗沖磨性能;對(duì)于FT-A1、FT-A2和FT-A3,測(cè)試其棱柱體試件經(jīng)快速凍融50、100、200次后的損傷層厚度和截面維氏硬度,并將對(duì)應(yīng)凍融次數(shù)的圓柱體試件放入沖磨儀中進(jìn)行試驗(yàn),測(cè)量其24、48、72 h的質(zhì)量損失、抗沖磨強(qiáng)度以及磨蝕形貌等相關(guān)指標(biāo)。

表4 凍融-沖磨試驗(yàn)方案

1.2.2 測(cè)試方法

1.2.2.1 維氏硬度

維氏硬度試驗(yàn)是通過對(duì)試樣表面施加一個(gè)較小荷載使之產(chǎn)生壓痕,再根據(jù)壓痕單位面積上試驗(yàn)力值來計(jì)算硬度的一種靜態(tài)壓痕方法,其測(cè)試過程具有局部性和即時(shí)性,能夠較好地反饋材料內(nèi)部微結(jié)構(gòu)變化。如圖1所示,將凍融0、50、100、200次的棱柱體試件取出,擦干表面后利用切割機(jī)從試件中間位置切取尺寸為50 mm×50 mm×20 mm的混凝土塊,之后分別用200目(表示1平方英寸(6.451 6 dm2)的面積上分布了200×200個(gè)顆粒,依次類推)、400目和800目的砂紙將待測(cè)表面充分磨光,利用HDX-1000TC型維氏顯微硬度儀測(cè)量距試件表面不同深度處的混凝土漿體維氏硬度,試驗(yàn)荷載為0.981 N,持荷時(shí)間為15 s,結(jié)果取8個(gè)測(cè)點(diǎn)的算數(shù)平均值,測(cè)試過程中注意避開粗骨料。

圖1 維氏硬度試驗(yàn)取樣示意圖

1.2.2.2 凍融損傷層厚度

采用超聲平測(cè)法,根據(jù)脈沖波在混凝土損傷層與未損傷層之間的傳播速度差異來計(jì)算凍融損傷層厚度。如圖2所示,假設(shè)凍融混凝土損傷層厚度為h,超聲波在損傷層的傳播速度v1小于其在未損傷層的傳播速度v2。將發(fā)射器置于混凝土表面端部位置發(fā)出超聲脈沖,當(dāng)接收器靠近發(fā)射器時(shí)只能感應(yīng)到表層聲波,此時(shí)時(shí)間-距離曲線上點(diǎn)的斜率為1/v1。平行移動(dòng)接收器,當(dāng)折射角θ2隨著距離的延長(zhǎng)增加至π/2時(shí),射線被折射到過渡界面,此時(shí)臨界角θic=arcsin(v1/v2),即當(dāng)波以臨界角θic入射時(shí),折射角將平行于2種材料的界面。沿著斜率1/v2外推得到x=0時(shí)直線與縱軸的截距ti,則混凝土凍融損傷層厚度可根據(jù)式(1)計(jì)算得到[18]。

(1)

圖2 超聲波在凍融混凝土中的傳播

1.2.2.3 磨蝕質(zhì)量損失、磨蝕速率與抗沖磨強(qiáng)度

分別測(cè)試經(jīng)累計(jì)沖磨24、48、72 h后的圓柱體混凝土試件質(zhì)量,并按照式(2)計(jì)算其質(zhì)量損失率w,即

(2)

式中：G0為沖磨試驗(yàn)前的混凝土質(zhì)量(kg);GT為沖磨T小時(shí)后的試件質(zhì)量(kg)。

按照式(3)計(jì)算混凝土不同沖磨周期的磨蝕速率rT,即單位面積、單位時(shí)間內(nèi)混凝土試件的磨損質(zhì)量。抗沖磨強(qiáng)度RT按照式(4)計(jì)算。

(3)

(4)

式中：T為混凝土累計(jì)沖磨時(shí)間(h);A為試件受沖磨面積(m2);RT為混凝土單位面積上磨損單位質(zhì)量所需的時(shí)間((h·m2)/kg)。

1.2.2.4 磨蝕形貌與磨蝕深度

圖3 磨蝕混凝土形貌測(cè)量示意圖

如圖3所示,采用機(jī)械探針測(cè)點(diǎn)法確定混凝土磨蝕形貌隨時(shí)間變化,該測(cè)量系統(tǒng)主要由探針式數(shù)字深度計(jì)、固定座桿和水平移動(dòng)桿3部分組成,探針在垂直方向上的最大量程為60 mm,測(cè)試精度為0.01 mm。測(cè)量前,在磨蝕試樣表面建立空間直角坐標(biāo)系O-XYZ,其中Z軸垂直于混凝土表面,該方向坐標(biāo)差值即為待測(cè)磨蝕深度。X-Y平面上測(cè)點(diǎn)間距為5 mm,移動(dòng)探針測(cè)量圓柱體試件在累計(jì)沖磨24、48、72 h后的各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù),并分別按照式(5)、式(6)計(jì)算其平均磨蝕深度da和最大磨蝕深度dm。

(5)

dm=max{Δzi} 。

(6)

式中：Δzi為試件上每個(gè)測(cè)點(diǎn)的磨蝕深度(mm);N為測(cè)點(diǎn)總數(shù)。當(dāng)測(cè)點(diǎn)間距為5 mm時(shí),測(cè)點(diǎn)總數(shù)N=2 864。

1.2.2.5 分形維數(shù)

分形維數(shù)是一種表征幾何復(fù)雜性和空間填充能力的指標(biāo),可用于定量描述分形結(jié)構(gòu)的不規(guī)則程度、自相似程度以及破碎程度等。磨蝕混凝土的不規(guī)則表面是其沖磨損傷行為的真實(shí)記錄,蘊(yùn)含著豐富的信息,符合分形理論基本規(guī)律。本文采用“立方體覆蓋法”[19]計(jì)算混凝土表面分形維數(shù),以分析其磨蝕損傷程度。假設(shè)在磨蝕表面上存在正方形網(wǎng)格ABCD,A、B、C、D這4個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的曲面高度分別為h(i,j)、h(i+1,j)、h(i,j+1)、h(i+1,j+1)。采用邊長(zhǎng)為δ的立方體對(duì)磨蝕表面進(jìn)行覆蓋,Ni,j為ABCD區(qū)域?qū)?yīng)曲面被完全覆蓋所需的立方體數(shù)量,其計(jì)算公式如式(7)所示,則覆蓋磨蝕表面下方空間所需總立方數(shù)N(δ)可以按式(8)計(jì)算。多次改變網(wǎng)格尺度δ的大小,并依次計(jì)算對(duì)應(yīng)的N(δ),當(dāng)δ取值越小時(shí),覆蓋磨蝕表面所需立方體個(gè)數(shù)越多,越接近磨蝕曲面真實(shí)粗糙情況,其分形維數(shù)按照式(9)計(jì)算。

min(h(i,j),h(i+1,j),h(i,j+1),h(i+1,j+1))]+1} ;

(7)

(8)

(9)

式中：n是磨損表面上的測(cè)量點(diǎn)數(shù)量;int表示取整函數(shù);D表示分形維數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 凍融混凝土的維氏硬度與損傷層厚度

圖4為經(jīng)不同凍融次數(shù)后(0、50、100、200次)的低熱水泥混凝土維氏硬度。由圖4可知,混凝土截面維氏硬度均隨著凍融次數(shù)的增加而降低,且降低幅度與試樣距混凝土表面深度基本呈正相關(guān),即混凝土凍融破壞是一個(gè)由表及里損傷與整體劣化共同作用的過程,并且前者表現(xiàn)較后者更為明顯,其原因一方面與養(yǎng)護(hù)過程中混凝土試件表面的鈣離子溶出有關(guān),另一方面是由于凍融過程中試件不同位置處的孔隙結(jié)構(gòu)以及含水率有所不同,凍融試驗(yàn)溫變機(jī)制所導(dǎo)致的混凝土試件表面和中心位置間的溫變幅度差對(duì)此也有一定影響[14]。

測(cè)試超聲脈沖在凍融混凝土試件不同距離處的傳播時(shí)間,并按照式(1)計(jì)算其損傷層厚度。結(jié)果表明,經(jīng)50、100、200次循環(huán)后的凍融混凝土損傷層厚度分別為8.9、13.6、24.6 mm。根據(jù)圖4,混凝土試件內(nèi)部的凍融損傷是一個(gè)連續(xù)且不同步的過程,混凝土材料的性能參數(shù)不會(huì)在損傷層過渡面處產(chǎn)生突變,可以通過截面漿體維氏硬度量化這些指標(biāo)。如圖5所示,在試樣截面上繪出不同凍融次數(shù)下混凝土損傷層深度,經(jīng)歷50、100、200次循環(huán)后,低熱硅酸鹽水泥混凝土損傷層位置處的維氏硬度損失率分別為9.4%、13.9%、21.7%。

2.2 凍融混凝土的磨蝕質(zhì)量損失與磨蝕速率

2.2.1 質(zhì)量損失

表5為各組凍融混凝土試件經(jīng)沖磨24、48、72 h后的質(zhì)量損失率。在相同沖磨時(shí)間下,4組試件的質(zhì)量損失率由大到小依次為FT-A3、FT-A2、FT-A1、Ab,即磨蝕質(zhì)量損失率隨其初始凍融次數(shù)的增加而顯著增大。與Ab混凝土相比,經(jīng)凍融循環(huán)50、100、200次后的混凝土24 h磨蝕質(zhì)量損失率分別提高130.3%、163.4%、247.4%,72 h磨蝕質(zhì)量損失率分別提高31.2%、56.5%、95.1%,說明混凝土抗沖磨性能隨其凍融損傷程度提高而明顯降低,且其降低幅度在磨蝕初期較為明顯。這主要是由于經(jīng)凍融循環(huán)后的表層混凝土孔隙率增大、有害孔數(shù)量增多,并且可能存在微裂縫等缺陷,因此磨蝕初期其性能劣化更加嚴(yán)重。此外,各組凍融混凝土的質(zhì)量損失率均隨著沖磨時(shí)間的延長(zhǎng)呈近似線性增加趨勢(shì),對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合可得表5所示擬合函數(shù),決定系數(shù)R2均>0.99,即二者之間存在較好的線性相關(guān)關(guān)系。

表5 磨蝕質(zhì)量損失率及其擬合函數(shù)

圖6 凍融混凝土磨蝕速率

2.2.2 磨蝕速率與抗沖磨強(qiáng)度

圖6為各組凍融混凝土的磨蝕速率。由圖6可知,Ab混凝土試件的磨蝕速率隨沖磨時(shí)間的延長(zhǎng)略有增加,但在各沖磨周期內(nèi)均較為相近,這是由于混凝土早期沖磨過程主要由其表層水泥石強(qiáng)度所控制,后期磨蝕作用則逐漸由暴露的骨料和水泥漿體共同承擔(dān),水泥石與骨料的強(qiáng)度差異導(dǎo)致了不同沖磨周期磨蝕速率略有不同[20]。FT-A1、FT-A2和FT-A3三組凍融混凝土的磨蝕速率變化趨勢(shì)與Ab試件相反,即試驗(yàn)初期對(duì)應(yīng)的表層混凝土磨蝕速率較高,而后隨著沖磨時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸降低。與Ab試件相比,經(jīng)凍融50次、100次和200次后的混凝土24 h磨蝕速率分別提高68.1%、86.1%、142.2%,72 h磨蝕速率提高17.5%、39.6%、72.9%,與質(zhì)量損失率的相對(duì)大小規(guī)律一致,說明混凝土抗沖磨能力隨其初始凍融損傷程度的增加而降低?？箾_磨強(qiáng)度與磨蝕速率互為倒數(shù)關(guān)系,所反映的混凝土損傷規(guī)律一致,此處不再贅述。

2.3 凍融混凝土的磨蝕深度與分形維數(shù)

2.3.1 磨蝕深度

測(cè)量并計(jì)算不同沖磨時(shí)間下各組混凝土試件的平均磨蝕深度與最大磨蝕深度,結(jié)果見圖7。各組凍融混凝土的磨蝕深度均隨沖磨時(shí)間的延長(zhǎng)而增大,且其在沖磨初期(0～24 h)的增長(zhǎng)速率最高,說明混凝土凍融損傷表層更易發(fā)生磨蝕破壞。此外,在相同沖磨周期內(nèi),3組凍融混凝土的磨蝕深度由大到小依次為FT-A3、FT-A2、FT-A1,與未經(jīng)凍融的Ab基準(zhǔn)混凝土相比,三者經(jīng)凍融50、100、200次后的24 h平均磨蝕深度分別增加29.4%、86.2%、131.6%,72 h平均磨蝕深度分別增加23.3%、46.3%、86.9%。

圖7 凍融混凝土的平均磨蝕深度、最大磨蝕深度與沖磨時(shí)間的關(guān)系

圖8 凍融混凝土的磨蝕表面分形維數(shù)

圖9 凍融混凝土的表面磨蝕形貌

2.3.2 分形維數(shù)與磨蝕形貌

根據(jù)混凝土磨蝕表面上各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù),計(jì)算其分形維數(shù)并繪制三維形貌灰度圖,結(jié)果分別見圖8、圖9。各組混凝土的分形維數(shù)均隨沖磨時(shí)間的延長(zhǎng)而增加,表現(xiàn)為試件表面的凹凸性逐漸增大。在不同沖磨時(shí)間下,4組混凝土試件的分形維數(shù)相對(duì)大小較為一致,由大到小依次為FT-A3、FT-A2、FT-A1、Ab,即混凝土磨蝕表面分形維數(shù)隨其初始凍融次數(shù)的增加而增大,其原因一方面是混凝土表面早期凹凸性的增加將提高其后期的磨蝕速率[20],另一方面是由于混凝土試件的力學(xué)性能隨其凍融次數(shù)的增加而整體降低,因此非表層混凝土的抗沖磨強(qiáng)度也出現(xiàn)不同程度的下降。

3 凍融混凝土磨蝕過程分析

根據(jù)維氏硬度隨時(shí)間分布曲線,混凝土的凍融破壞是一個(gè)由表及里損傷與整體劣化共同作用的過程。磨蝕則是由于外界摩擦、切削以及沖擊作用所造成的物理性破壞,通常由過流面向其內(nèi)部逐層發(fā)生。當(dāng)凍融損傷與沖磨破壞兩種由表及里的物理劣化行為交替作用時(shí),厘清其整體退化程度、損傷層厚度、磨蝕深度和沖磨時(shí)間的交互關(guān)系是研究和評(píng)價(jià)混凝土材料劣化行為的關(guān)鍵。圖10為Ab、FT-A1、FT-A2和FT-A3四組混凝土試件沿其磨蝕方向上的維氏硬度等值線,并在此基礎(chǔ)上給出了凍融損傷層厚度和平均磨蝕深度隨沖磨時(shí)間的隨時(shí)間變化過程。從圖10可知,隨凍融次數(shù)的提高,混凝土試件的整體力學(xué)性能逐漸降低、損傷層厚度明顯增加,并且相同沖磨時(shí)間下的混凝土平均磨蝕深度增大。此外,4組試件在各沖磨周期內(nèi)的平均磨蝕深度均小于其凍融損傷層厚度,這可能是基于超聲平測(cè)法的損傷層混凝土殘余力學(xué)強(qiáng)度仍然較高所導(dǎo)致的。

4 結(jié) 論

(1)混凝土凍融破壞是一個(gè)由表及里損傷與整體劣化共同作用的過程,磨蝕則是由過流面向其內(nèi)部逐層發(fā)生的物理性破壞。維氏硬度和凍融損傷層厚度可以定量表征混凝土截面力學(xué)性能連續(xù)且不同步的退化行為,經(jīng)50、100、200次循環(huán)后,低熱水泥混凝土凍融損傷層處的硬度損失率分別為9.4%、13.9%、21.7%。

(2)隨著凍融次數(shù)的增加,混凝土試件維氏硬度逐漸降低、損傷層厚度增加、分形維數(shù)增大,且相同沖磨時(shí)間下的磨蝕深度提高,即混凝土抗沖磨性能隨其初始凍融損傷程度的增加而降低。在72 h沖磨周期內(nèi),經(jīng)50、100、200次循環(huán)的凍融混凝土平均磨蝕深度均小于其凍融損傷層厚度。

(3)維氏硬度、損傷層厚度和磨蝕深度隨沖磨時(shí)間的交互變化關(guān)系能夠有效表征凍融混凝土的抗沖磨性能演化規(guī)律,基于以上3種指標(biāo)的綜合分析方法可為低熱水泥基材料的耐久性設(shè)計(jì)和壽命預(yù)測(cè)提供指導(dǎo),并為多因素條件下混凝土材料的性能損傷評(píng)價(jià)提供參考。