高性能混凝土在氯鹽侵蝕和凍融循環(huán)作用下的耐久性分析

馮 博 ，劉 青 ，錢永久

（西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031）

在寒冷沿海地區(qū)的橋梁工程中，混凝土的耐久性是工程師關(guān)注的要點(diǎn).寒冷地區(qū)海洋環(huán)境工程結(jié)構(gòu)通常會(huì)受到凍融循環(huán)、碳化、氯鹽侵蝕等多種作用的影響，無論是物理還是化學(xué)作用，混凝土在此環(huán)境下的損傷機(jī)理十分復(fù)雜.長期以來，研究者重點(diǎn)關(guān)注混凝土強(qiáng)度能否滿足要求，而忽視其耐久性設(shè)計(jì)，導(dǎo)致許多復(fù)雜環(huán)境中的混凝土橋梁因?yàn)槟途眯圆蛔愣?橋梁結(jié)構(gòu)在嚴(yán)寒海洋環(huán)境下通常會(huì)受到多種復(fù)雜因素的影響，從而導(dǎo)致其使用壽命往往達(dá)不到設(shè)計(jì)要求.處理這類問題不僅需要耗費(fèi)巨大的人力和物力，同時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致該區(qū)域交通中斷，阻礙地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展.因此，耐久性已經(jīng)成為嚴(yán)寒沿海地區(qū)混凝土橋梁研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)[1].

關(guān)于混凝土耐久性研究國內(nèi)外學(xué)者已作了大量理論分析和試驗(yàn)研究.張立群等[2]對硅灰自密實(shí)混凝土的耐久性進(jìn)行了分析，試驗(yàn)結(jié)果表明，硅灰自密實(shí)混凝土抗凍性能高于相同強(qiáng)度等級(jí)的普通混凝土；姜文鏹等[3]通過時(shí)變的孔隙率表征孔隙結(jié)構(gòu)的損傷演變，并結(jié)合離子傳輸方程，定量化研究凍融損傷對于氯離子傳輸過程的加速作用；王月[4]基于氯鹽凍融循環(huán)的活性粉末混凝土試驗(yàn)，提出考慮凍融損傷影響下的氯離子擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算方法；南雪麗等[5]對硫鋁酸鹽快硬水泥混凝土、聚合物快硬水泥混凝土和普通硅酸鹽水泥混凝土分別進(jìn)行了凍融試驗(yàn)，結(jié)果表明普通硅酸鹽水泥混凝土抗凍性能優(yōu)于前兩者；龍廣成等[6]設(shè)計(jì)了軸壓荷載-凍融耦合作用模擬試驗(yàn)，并建立相應(yīng)的損傷本構(gòu)模型；鄭山鎖等[7]通過擬靜力加載試驗(yàn)分析了不同凍融環(huán)境下混凝土的抗震性能，結(jié)果顯示其承載能力隨著循環(huán)次數(shù)增多而降低；王晨霞等[8]通過控制礦渣和不同摻量的粉煤灰，對再生混凝土進(jìn)行耐久性試驗(yàn)，并建立凍融-碳化耦合作用下礦渣-粉煤灰再生混凝土抗壓強(qiáng)度模型；田立宗等[9]對混凝土試件進(jìn)行了凍融和疲勞影響的4 種損傷試驗(yàn)，結(jié)果表明疲勞荷載會(huì)降低混凝土的抗凍性，但彈性模量和強(qiáng)度在先凍融后疲勞和先疲勞后凍融中表現(xiàn)出不同的變化過程；王家濱等[10]采用彈簧四點(diǎn)彎曲加載法，對彎曲應(yīng)力作用下噴射混凝土受拉區(qū)和受壓區(qū)氯離子擴(kuò)散性能進(jìn)行了研究；鄒洪波等[11]設(shè)計(jì)了不同壓力下的混凝土氯鹽試驗(yàn)，推導(dǎo)出基于損傷變量的應(yīng)力影響系數(shù)表達(dá)式；任娟娟等[12]對浸泡于氯離子溶液的混凝土進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，結(jié)果表明氯離子擴(kuò)散深度隨荷載應(yīng)力比增大而增大；王喜彬等[13]分別對不同水灰比的普通混凝土和表面防水混凝土開展加速凍融循環(huán)試驗(yàn)和氯離子侵蝕試驗(yàn)，得出表面防水有利于結(jié)構(gòu)抵抗氯鹽侵蝕能力的結(jié)論；Almusallam 等[14]根據(jù)不同的混凝土表面涂料開展了耐久性研究，發(fā)現(xiàn)環(huán)氧樹脂和聚氨酯涂料能夠有效防止氯化物滲透，可間接性提高混凝土耐久性能；Hao 等[15]設(shè)計(jì)了包括凍融循環(huán)和彎曲荷載聯(lián)合作用的測試程序，以研究再生骨料保溫混凝土的耐久性；Al-Lebban 等[16]使用不同百分比的聚丙烯纖維來改善混凝土的機(jī)械性能，并展開了凍融循環(huán)試驗(yàn)，結(jié)果表明與無纖維的參比混料相比，纖維增強(qiáng)混凝土對凍融循環(huán)的耐久性更高.

綜上所述，目前關(guān)于混凝土耐久性的研究多集中于考慮荷載和環(huán)境共同作用對混凝土耐久性的影響，或重點(diǎn)考慮普通混凝土在2 種或多種侵蝕介質(zhì)耦合作用下的耐久性變化.而對于氯鹽侵蝕和凍融循環(huán)耦合作用下的混凝土凍融破壞耐久性的研究不多.同時(shí)，部分學(xué)者也對多因素下的高性能混凝土耐久性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，但考慮水膠比、粉煤灰摻量和含氣量等配合比影響的高性能混凝土凍融破壞的耐久性研究更是較少.

鑒于此，本文依托納潮河大橋工程，針對高性能混凝土耐久性，設(shè)計(jì)了氯鹽侵蝕和凍融循環(huán)耦合作用下高性能混凝土的耐久性試驗(yàn)，對氯鹽侵蝕和凍融循環(huán)耦合作用下不同配合比混凝土的凍融破壞展開研究，旨在為復(fù)雜環(huán)境下高性能混凝土服役性能提供借鑒與參考.

1 試驗(yàn)工況設(shè)置

試驗(yàn)主要研究水膠比w（0.35、0.45、0.55），粉煤灰摻量f（0、10%、30%、50%），含氣量q（3.5%、4.5%、5.5%）等因素對高性能混凝土耐久性的影響.本試驗(yàn)水泥采用唐山冀東水泥廠生產(chǎn)的P.O 42.5普通硅酸鹽水泥；細(xì)骨料是遷安的細(xì)度模數(shù)為2.5～3.0 的河砂，屬于Ⅱ區(qū)中砂；粗骨料為唐山古冶榛子鎮(zhèn)石料場生產(chǎn)的5～25 mm 的連續(xù)級(jí)配碎石；粉煤灰使用大唐火電廠生產(chǎn)的F 類Ⅱ級(jí)以上粉煤灰，引氣劑采用天津維鼎生產(chǎn)的高效引氣劑.試驗(yàn)配合比詳見表1.含氣量的測定較為復(fù)雜，本文按照混凝土拌合物含氣量測定方法進(jìn)行，關(guān)鍵測定步驟包括：1） 混凝土拌合物裝入量缽容器內(nèi)（裝料避免過滿），震動(dòng)30 s，再次裝料、震動(dòng)，直到容器內(nèi)混凝土填滿且震實(shí)；2） 用注水器從注水口注水，直到水從排水（氣）口中平穩(wěn)流出，關(guān)閉注水閥后再關(guān)閉排氣閥；3） 用手泵打氣加壓，使指針略微超過規(guī)定的位置，微調(diào)閥調(diào)節(jié)指針，使得指針指到規(guī)定的位置；4） 平穩(wěn)地按下平衡閥約5 s 后松開，指針穩(wěn)定下來所指的就是混凝土的含氣量.具體的試驗(yàn)步驟和要求參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082—2009）[17].浸泡液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%的NaCl 溶液.試件放進(jìn)凍融箱后，每凍融循環(huán)25 次后測定質(zhì)量和動(dòng)彈性模量.

表1 試驗(yàn)混凝土配合比Tab.1 Concrete mix ratio in test

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

現(xiàn)有研究表明[18-20]：混凝土抗凍性受水膠比、含氣量、摻合料等的影響十分顯著.因此，本文設(shè)計(jì)了鹽凍作用下混凝土耐久性試驗(yàn)，分析不同水膠比、含氣量和粉煤灰摻量下的凍融破壞.

2.1 質(zhì)量損失率

圖1 給出了不同水膠比混凝土試件質(zhì)量損失率隨鹽凍循環(huán)次數(shù)N的變化情況.

圖1 不同水膠比試件的質(zhì)量損失率變化Fig.1 Variation of mass loss rate of specimens with different water-binder ratios

從圖1 中可以看出：w= 0.35 的試件在進(jìn)行150 次鹽凍循環(huán)后質(zhì)量損失1.81%，300 次鹽凍循環(huán)后質(zhì)量損失2.94%；w= 0.45 的試件150 次鹽凍后質(zhì)量損失3.06%，300 次鹽凍循環(huán)后質(zhì)量損失4.28%；w= 0.55 的試件只進(jìn)行了50 次凍融循環(huán)，質(zhì)量損失就已經(jīng)達(dá)到了4.65%.水膠比作為混凝土的重要參數(shù)，對混凝土可凍水含量、強(qiáng)度和平均氣泡間距有重要影響.水膠比越小，可凍水就越少，孔隙率越低，平均氣泡間距越小，強(qiáng)度相應(yīng)越高，進(jìn)而混凝土抗凍性能較好.因此，在鹽凍環(huán)境下建議混凝土水膠比不宜過大.

不同粉煤灰摻量混凝土試件質(zhì)量損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化情況如圖2 所示.由圖可知，粉煤灰摻量最大的試件在50 次鹽凍循環(huán)后，質(zhì)量損失就已經(jīng)達(dá)到了8.12%，超過了容許值5.00%，說明粉煤灰過大對混凝土的耐久性不利.

圖2 不同粉煤灰摻量試件的質(zhì)量損失率變化Fig.2 Variation of mass loss rate of specimens with different fly ash contents

粉煤灰摻量30%試件300 次鹽凍循環(huán)后質(zhì)量損失率為4.28%；粉煤灰摻量10%試件300 次鹽凍循環(huán)后質(zhì)量損失率為3.82%；沒有粉煤灰摻量的試件300 次鹽凍循環(huán)后質(zhì)量損失率為2.68%.摻入粉煤灰的混凝土，會(huì)由于粉煤灰的二次水化反應(yīng)改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)特征，但摻入粉煤灰后也將增加混凝土的總孔隙率，并加劇毛細(xì)孔曲折程度，從而延長過冷水向附近孔隙的遷移路徑，不利于混凝土抗凍融性能，增大粉煤灰混凝土鹽凍后的質(zhì)量損失率.由上可知，在鹽凍環(huán)境下建議混凝土的粉煤灰摻量不宜超過30%.

不同含氣量混凝土試件質(zhì)量損失率隨鹽凍循環(huán)次數(shù)的變化情況如圖3 所示.從圖可以看出：3 組試件的質(zhì)量損失率都相差不大；含氣量3.5%的試件300 次鹽凍循環(huán)后的質(zhì)量損失率為5.03%.其余2 組試件300 次鹽凍循環(huán)后的質(zhì)量損失都未超過5.00%；4.5%含氣量的試件質(zhì)量損失最小.混凝土抗鹽凍性與內(nèi)部孔隙特征有關(guān)，減小連通孔隙，保證適度的氣泡間距與含氣量對增強(qiáng)抗鹽凍有利.當(dāng)含氣量增大時(shí)，氣泡間距系數(shù)減小.含氣量的加入有利于混凝土的抗凍性，但其含量并非越高越好.

圖3 不同含氣量試件的質(zhì)量損失率變化Fig.3 Variation of mass loss rate of specimens with different gas contents

2.2 相對動(dòng)彈性模量

圖4 給出不同水膠比混凝土試件相對動(dòng)彈性模量隨鹽凍循環(huán)次數(shù)的變化曲線.從圖中可以看出：水膠比為0.35 的試件在150 次鹽凍循環(huán)后相對動(dòng)彈性模量為92.1%，300 次鹽凍循環(huán)后相對動(dòng)彈性模量為83.3%，0.45 水膠比試件經(jīng)150 次鹽凍循環(huán)后相對動(dòng)彈性模量為93.3%，300 次鹽凍循環(huán)后為88.2%.通過兩組數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)粉煤灰摻量為30%時(shí)，水膠比0.45 的試件抗鹽凍性優(yōu)于水膠比0.35 的試件.水膠比為0.55 的試件相對動(dòng)彈性模量陡降，只經(jīng)歷了鹽凍循環(huán)50 次，但是控制試件破壞不是相對動(dòng)彈性模量下降至60%，而是質(zhì)量損失率超過了5.00%.

圖4 不同水膠比試件的相對動(dòng)彈性模量變化Fig.4 Variation of relative dynamic elastic modulus of specimens with different water-binder ratios

圖5 給出不同粉煤灰摻量混凝土試件相對動(dòng)彈性模量隨鹽凍循環(huán)次數(shù)的變化情況.由圖可知：粉煤灰摻量為10%和30%時(shí)，150 次鹽凍循環(huán)后試件的相對動(dòng)彈性模量分別為94.1%和93.3%，300 次鹽凍循環(huán)后分別為83.1%和88.2%；沒有粉煤灰摻量的試件在鹽凍150 次后相對動(dòng)彈性模量為94.6%，300 次鹽凍循環(huán)后為91.9%；摻量50%的試件只進(jìn)行了50 次鹽凍循環(huán)，其相對動(dòng)彈性模量為83.4%，但此時(shí)試件已因質(zhì)量損失率過大而達(dá)破壞標(biāo)準(zhǔn).不同含氣量混凝土試件相對動(dòng)彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化曲線如圖6 所示.由圖可知：3 組試件的相對動(dòng)彈性模量差異不大，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)所有試件的相對動(dòng)彈性模量均在80.0%以上.含氣量較高的兩組試件相對動(dòng)彈性模量更大，說明含氣量是有利于混凝土的抗鹽凍性能.

圖5 不同粉煤灰摻量試件的相對動(dòng)彈性模量變化Fig.5 Variation of relative dynamic elastic modulus of specimens with different fly ash contents

圖6 不同含氣量試件的相對動(dòng)彈性模量變化Fig.6 Variation of relative dynamic elastic modulus of specimens with different gas contents

3 氯離子凍融復(fù)合作用下混凝土質(zhì)量衰減預(yù)測模型

3.1 質(zhì)量衰減預(yù)測模型的提出

由上述試驗(yàn)研究分析可知，氯離子凍融復(fù)合環(huán)境下高性能混凝土主要是因?yàn)橘|(zhì)量剝蝕過大而發(fā)生耐久性破壞.為把試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用到海洋環(huán)境下高性能混凝土耐久性的工程實(shí)際中，現(xiàn)建立鹽凍作用下混凝土質(zhì)量衰減預(yù)測模型.依據(jù)本文不同水膠比的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，混凝土的質(zhì)量損失隨凍融循環(huán)次數(shù)的衰變大致符合指數(shù)規(guī)律分布，如圖7 所示.不同粉煤灰摻量和含氣量的質(zhì)量損失具有相似的規(guī)律.混凝土的衰變是其自身結(jié)構(gòu)的破損引起的，應(yīng)隨原始量作自然規(guī)律衰減，近似符合牛頓的物質(zhì)冷卻定律，所以認(rèn)為原材料、摻合料、水膠比相同的混凝土的質(zhì)量衰變規(guī)律相似.

圖7 質(zhì)量隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化Fig.7 Variation of mass with freeze-thaw cycles

假定衰敗速率為 dGN/dN，與鹽凍循環(huán)下的質(zhì)量損失成正比關(guān)系，即

式中：GN為N次鹽凍后試件的質(zhì)量；G0為凍融開始前試件的初始質(zhì)量； λ 為質(zhì)量衰減系數(shù).

經(jīng)過N次凍融循環(huán)后，混凝土質(zhì)量滿足以下關(guān)系：

式中：a為與混凝土材料有關(guān)的系數(shù).

為了便于分析，定義剩余相對質(zhì)量為

本文主要是分析水膠比、粉煤灰摻量、含氣量對混凝土損傷的影響，所以定義kw、kf、kq分別為不同w、不同f和不同q的混凝土質(zhì)量損失修正系數(shù)，并令a=kwkfkq，得到剩余相對質(zhì)量 ρ與N的關(guān)系為

3.2 模型參數(shù)的確定

以w= 0.45 的試件作為標(biāo)準(zhǔn)試件，對式（2）兩邊同時(shí)取對數(shù)，建立300 次鹽凍混凝土質(zhì)量與凍融循環(huán)次數(shù)的線性回歸，得到衰減系數(shù) λ=0.000 1 ，則

在實(shí)際工程中，修正系數(shù)kw、kf、kq的值較難測量，而配合比參數(shù)在混凝土制作時(shí)就能直接得到.因此，需要建立修正系數(shù)與配合比的關(guān)系.為了便于計(jì)算，以w= 0.45，f= 30%，q= 4.5%的試件數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)，對水膠比w= 0.35，0.45，0.55 的3 組剩余相對質(zhì)量進(jìn)行歸一化處理.利用回歸計(jì)算得到水膠比修正系數(shù)為

同理，以f= 30%，w= 0.45，q= 4.5%的試件數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)，分別對水膠比f= 0，10%，30%，50%和粉煤灰摻量q= 3.5%，4.5%，5.5%的剩余相對質(zhì)量進(jìn)行歸一化處理.通過回歸計(jì)算得到kf和kq分別為

將式（6）～（8）代入式（5）中，可得到以剩余相對質(zhì)量表示的氯鹽鹽凍循環(huán)后質(zhì)量指數(shù)衰減預(yù)測模型.

3.3 模型的驗(yàn)證和應(yīng)用

為驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，選用文獻(xiàn)[1]在幾種工況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與本文模型結(jié)果進(jìn)行比較，見表2.

表2 模型驗(yàn)證Tab.2 Model validation

由表2 可知：試驗(yàn)工況1 時(shí)，文獻(xiàn)[1]計(jì)算結(jié)果與本文計(jì)算結(jié)果相對誤差僅為0.81%，說明該工況下2 種方法計(jì)算結(jié)果高度吻合；2 種方法計(jì)算結(jié)果的最大相對誤差出現(xiàn)在工況6，相對誤差值為8.12%，小于10.00%，說明本文計(jì)算模型具有較好的準(zhǔn)確性.

本文工程研究背景為納潮河大橋工程，位于唐山市曹妃甸工業(yè)區(qū)中部，是連接唐山青龍河南北兩岸的重要交通通道和曹妃甸工業(yè)區(qū)南北向的主要生活性城市橋梁.主梁箱梁試驗(yàn)混凝土水膠比為0.41，粉煤灰摻量30%，含氣量4.1%.通過對箱梁混凝土進(jìn)行鹽凍試驗(yàn)，并與模型計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，結(jié)果如表3 所示.

表3 梁體試驗(yàn)與模型計(jì)算對比Tab.3 Comparison of beam test and model calculation

由表3 可知，50、100、150、200 次凍融循環(huán)后，梁體試驗(yàn)與模型計(jì)算結(jié)果的誤差在10.00%以內(nèi)，模型適應(yīng)性較好.根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50476—2019）[21]，混凝土抗凍性一般以抗凍等級(jí)表示，抗凍等級(jí)是采用齡期28 d 的試塊在吸水飽和后，承受反復(fù)凍融循環(huán)，以抗壓強(qiáng)度下降不超過25%，而且質(zhì)量損失不超過 5.00%時(shí)所能承受的最大凍融循環(huán)次數(shù)來確定的.計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果質(zhì)量損失都小于5.00%，可滿足F50、F100、F150和F200 抗凍要求.

4 結(jié) 論

本文依托納潮河大橋工程，針對高性能混凝土基本性能，建立氯鹽侵蝕和凍融循環(huán)耦合作用下高性能混凝土的耐久性試驗(yàn)，對復(fù)合作用下不同配合比高性能混凝土的凍融破壞進(jìn)行研究.主要結(jié)論如下：

1） 若以質(zhì)量損失為指標(biāo)，水膠比對高性能混凝土抗鹽凍性能影響顯著，隨著水膠比增大，混凝土抗鹽凍性能降低；粉煤灰的加入不利于混凝土的抗鹽凍性能；含氣量增加有利于混凝土抗鹽凍性能，建議有抗鹽凍要求的橋梁結(jié)構(gòu)高性能混凝土水膠比不宜大于0.45，粉煤灰摻量宜控制在30%以內(nèi).

2） 建立了考慮水膠比、粉煤灰摻量、含氣量等影響的混凝土質(zhì)量衰減預(yù)測模型，并采用試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的適用性，為混凝土抗鹽凍研究提供參考.

需要說明的是，該模型對應(yīng)于水膠比為0.35～0.55、粉煤灰摻量為0～50%、含氣量為3.5%～5.5%的試驗(yàn)條件，若要應(yīng)用于更廣的范圍，還需建立更多更完善的試驗(yàn)研究.