凍融環(huán)境下大壩混凝土面層強度退化過程研究

李 恩

(湟源縣大華水庫管理所,西寧 812100)

1 概 述

近年來,大壩混凝土技術發(fā)展迅速,其宏觀耐久性能已成為研究熱點。但在北方寒冷地區(qū),混凝土壩體因凍融破壞的影響,其宏觀性能退化,嚴重影響耐久性及服役壽命[1]?；炷敛牧鲜堑湫偷亩嘞鄰秃喜牧?內部結構十分復雜,其微細觀結構是決定宏觀性能的主要因素。因此,研究混凝土內部微細觀結構對分析凍融環(huán)境下大壩混凝土材料的退化機理具有重要意義。在混凝土微細觀結構研究中,其內部孔結構是混凝土細觀結構研究的重要內容,與其力學行為和耐久性有著密切的聯系[2];混凝土材料經受凍融循環(huán)作用導致性能退化的主要原因是其內部孔結構的損傷所致,探求凍融過程中混凝土內部孔結構的變化是研究混凝土退化機理的重要課題。

混凝土內部孔結構復雜,孔徑尺寸跨越微觀尺度和宏觀尺度,與混凝土抗凍性能有密切關系。在凍融循環(huán)作用下,混凝土內部孔結構逐漸增大,微裂縫逐漸擴展,直至混凝土結構破壞。張宇[3]、時旭東[4]指出混凝土內部孔隙增大,導致內部孔隙水增多,在凍融作用下產生的凍脹應力越大,混凝土內部損傷越嚴重。汪堯等[5]、劉林輝[6]研究了凍融作用下混凝土抗壓強度與滲透性的退化規(guī)律,結果表明,經過100次凍融循環(huán)作用,混凝土抗壓強度逐漸減小,滲透性逐漸增大。

本文通過快速凍融循環(huán)試驗,對混凝土在凍融循環(huán)過程中力學性能及抗氯離子滲透性能的退化規(guī)律進行研究;結合CT掃描技術和圖像處理技術,獲取凍融循環(huán)過程中混凝土內部裂紋及孔隙率的變化規(guī)律,建立凍融過程中混凝土孔隙率與力學性能及抗?jié)B性能的關系,分析混凝土凍融損傷機理。

2 試驗研究

2.1 原材料

試驗用水泥為小野田PO·42.5R普通硅酸鹽水泥,納米CaCO3采用一步插層改性法經煅燒研磨制備。具體物理指標及化學成分見表1和表2;圖1為水泥的TEM微觀結構及XRD分析圖譜。

圖1 納米CaCO3樣品微觀結構及XRD圖譜

表1 納米CaCO3物理指標

表2 水泥化學成分

2.2 試件制備

按照《水運工程混凝土試驗規(guī)程》(JTJ 270-1998)制備試件,試件尺寸為100mm×100mm×400mm(寬×高×長),混凝土配合比見表3。試件成型后,靜置24h脫模,即置于標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護28天后,進行凍融循環(huán)試驗。

表3 混凝土配合比

2.3 試驗方法及過程

按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》(GBJ 82-1985),利用TDR-16型快速凍融試驗機進行凍融循環(huán)試驗。凍融試驗前,需將所有混凝土試件在水中浸泡48h,然后將試件放置于橡膠桶中;將凍融循環(huán)過程設置為-18℃±1℃下凍結3h,+4℃±1℃下融化3h,凍結和融化完成為一次循環(huán);凍融循環(huán)過程中,每25次循環(huán)測試混凝土的質量損失和彈性模量損失,當質量損失超過5%或彈性模量損失超過60%,即刻停止試驗。

凍融循環(huán)進行0、25、50、100、125次時,將試件取出進行抗壓強度測試和氯離子擴散系數測試。并對經受0、50、100次凍融循環(huán)的混凝土試件,利用CT掃描儀進行斷面掃描,每隔1mm進行一次掃描,利用Pro-Plus圖像處理軟件,提取CT掃描后混凝土內部孔隙率;利用場發(fā)射掃描電鏡,對凍融循環(huán)過程混凝土內部微觀結構進行研究。

3 結果討論與分析

3.1 混凝土內部微細觀結構

圖2為混凝土試件經受100次凍融循環(huán)后混凝土中間部位CT圖像。由圖2可知,經過100次凍融循環(huán)后,普通混凝土(N0)和混凝土(N1)內部均出現明顯裂縫,粗骨料與砂漿基體分離。其中,N1內部裂縫較多;N3和N5內部未出現明顯裂紋,即低水膠比的混凝土試件具有良好的抗凍融破壞性能。

圖2 100次凍融循環(huán)后混凝土內部CT圖像

圖3為混凝土經受30次凍融循環(huán)時內部微觀結構。由圖3可以看出,經過30次凍融循環(huán),普通混凝土(N0)與混凝土(N1)內部出現明顯的微裂縫;混凝土(N3)微觀結構仍較為密實,孔隙數量少;混凝土(N5)微觀結構較N3松散,水化產物出現輕微的分離現象。目前的研究表明,混凝土內部存在大量孔隙,由于孔隙的存在可以吸收大量自由水,在經受凍融作用下,出現膨脹開裂等損傷,其微觀結構及宏觀均可觀察到裂縫的存在。研究還表明,部分孔隙的存在可以減緩裂縫的擴展過程。

圖3 30次凍融循環(huán)后混凝土內部微觀結構

3.2 凍融過程中混凝土孔隙結構變化

使用圖像處理軟件,對經受不同凍融循環(huán)破壞混凝土試件的CT圖像進行處理,得到每個斷面的孔隙率,具體結果見圖4。由圖4可知,不同混凝土試件,未受凍融破壞時,斷面孔隙率相差不大;經過50次凍融循環(huán)后,不同混凝土孔隙率開始出現明顯差異,N0和N1逐漸變大,N3和N5變化較小,不同混凝土孔隙率大小關系為N1>N0>N3>N5;經過100次凍融循環(huán)后,混凝土試件的孔隙率逐均漸變大,N0和N1變化明顯,N5孔隙率最小,不同混凝土孔隙率大小關系為N0>N1>N3>N5。由上述分析可知,適量可有效阻止凍融循環(huán)對混凝土試件的破壞損傷,其中納米CaCO3摻量為5%時,較其他摻量下混凝土抗凍性改善效果好。對凍融循環(huán)作用下的混凝土性能,較大孔隙有利于緩解結冰膨脹壓力的增長,而中小孔隙可以加速混凝土的凍脹損傷。

圖4 凍融作用前后混凝土不同斷面孔隙率

圖5為不同凍融循環(huán)過程混凝土試件平均孔隙率的變化。由圖5可以看出,在凍融循環(huán)作用下,混凝土內部平均孔隙率隨凍融循環(huán)次數的增多逐漸增大。經過100次凍融循環(huán)后,普通混凝土平均孔隙率為12.16%,納米CaCO3摻量為5%的混凝土內部平均孔隙率僅為3.28%。由此表明,納米CaCO3摻量能夠顯著降低混凝土凍融過程中的內部損傷,減緩孔隙的擴展增大,降低孔隙率。

圖5 凍融過程混凝土平均孔隙率變化

3.3 混凝土抗壓強度的關系

圖6為凍融過程中混凝土抗壓強度變化。由圖6可以看出,經過凍融循環(huán)后,混凝土抗壓強度均降低;適量降低水泥摻量,可有效提高混凝土抗壓強度,其中為低水膠時,抗壓強度改善效果最好。經過125次凍融循環(huán),其抗壓強度損失率最小,即低水膠比可減小混凝土凍融循環(huán)過程中的損傷破壞。這是因為低水膠比混凝土在凍融循環(huán)過程中孔結構變化較小,孔隙率最小,顆粒有效填充了混凝土基體內部孔隙,減少了基體內部孔隙水凍脹壓力,進而減少了凍融損傷。

圖6 不同凍融循環(huán)次數與混凝土抗壓強度的關系

凍融過程中,混凝土抗壓強度隨其內部孔隙率的增大逐漸減小,混凝土基體內部平均孔隙率的增大,表明凍融過程中混凝土內部微裂紋逐漸擴展(圖2),基體內部封閉孔隙逐漸聯通,基體內部孔隙水逐漸增多,凍融過程產生的凍脹壓力逐漸增大,內部損傷也逐漸增大,最終導致強度逐漸減小。

3.4 混凝土氯離子擴散系數的關系

圖7為不同混凝土試件經受凍融循環(huán)破壞后氯離子擴散系數與孔隙率的變化關系。由圖7可以看出,隨著凍融循環(huán)次數的增加,混凝土氯離子擴散系數逐漸增大。結果表明,適量可有效提高凍融過程中混凝土的抗氯離子滲透性能,納米CaCO3摻量為5%時,改善效果最佳;經過75次凍融循環(huán),納米CaCO3摻量為5%的混凝土氯離子擴散系數較普通混凝土減小58.59%。

圖7 凍融過程混凝土氯離子擴散系數

凍融過程中,混凝土氯離子擴散系數隨其內部平均孔隙率的增加逐漸增大,這主要是由于混凝土內部平均孔隙率大,氯離子較容易形成離子通路,使得氯離子滲透深度增加,氯離子擴散系數增大。適量能夠降低凍融過程中混凝土氯離子擴散系數的增加,主要是因為顆粒填充了混凝土內部孔隙,減少了內部飽和孔隙水的存在,降低了凍融過程中混凝土基體內部的凍脹壓力,使混凝土基體內部孔結構產生較小的變化,減小了混凝土內部微孔隙的擴展,因此降低了氯離子在混凝土內部的滲透。

4 結 論

本文對凍融過程中混凝土力學性能和滲透性能進行了研究,結論如下:

1)凍融循環(huán)過程中,混凝土孔隙率逐漸增大,納米CaCO3摻量為5%時,孔隙改變最小;經過100次凍融循環(huán)后,普通混凝土平均孔隙率為12.16%,納米CaCO3摻量為5%的混凝土內部平均孔隙率僅為3.28%。

2)低水膠比提高混凝土抗壓強度,摻入3%納米CaCO3的混凝土試件抗壓強度最大,較普通混凝土提高28.75%;經過125次凍融循環(huán),納米CaCO3摻量為5%的混凝土抗壓強度損失率最小。

3)經過75次凍融循環(huán),納米CaCO3摻量為5%的混凝土氯離子擴散系數較普通混凝土減小58.59%。凍融過程中,混凝土氯離子擴散系數隨其內部平均孔隙率的增加逐漸增大