C50混凝土抗凍性能研究

閆潔++李長(zhǎng)成++鄭成艷

摘 要：針對(duì)東北混凝土工程經(jīng)歷反復(fù)凍融導(dǎo)致破壞的問(wèn)題，利用快速凍融機(jī)進(jìn)行凍融試驗(yàn)，以混凝土的動(dòng)彈性模量和質(zhì)量損失為評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)合微觀組織和XRD分析，研究了混凝土的破壞機(jī)理。結(jié)果表明：凍融條件下，混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量與循環(huán)次數(shù)之間滿足Erd =a×N3+b×N2+c×N+d；凍融破壞的實(shí)質(zhì)是混凝土內(nèi)部損傷逐漸累積，導(dǎo)致體積膨脹、結(jié)構(gòu)酥松進(jìn)而引起破壞的過(guò)程。凍融循環(huán)下，靜水壓和滲透壓是使其破壞的主要因素。

關(guān)鍵詞：混凝土；凍融循環(huán)；動(dòng)彈性模量；靜水壓；滲透壓

中圖分類號(hào)：TU528.01 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract： In view of the concrete damage caused by repeated freezing-thawing in Northeast， the fast freezing-thawing machine was used to conduct the experiment with freeze-thaw cycles. The experiment took the loss rate of dynamic elastic modulus and quality as the evaluation index， combined with microstructure and XRD analysis so as to study the degeneration mechanism of concrete. The results show that， under freeze-thaw condition， the relationship between relative dynamic modulus of elasticity and cycle times is three times function relation， Erd =a×N3+b×N2+c×N+d. The essence of concrete damage is internal damage accumulates gradually， leading to the volume expansion， structures loose and concrete destruction under freeze-thaw environment. Hydrostatic pressure and osmotic pressure are the main factors causing the damage.

Keywords： concrete； freeze-thaw cycles； dynamic elastic modulus； hydrostatic pressure； osmotic pressure

引言

水泥混凝土較其他建筑材料易澆筑成形、原材料易得、價(jià)格低廉及耐久性高，被廣泛應(yīng)用于土木工程的眾多領(lǐng)域[1]。但研究發(fā)現(xiàn)，很多混凝土結(jié)構(gòu)在遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)壽命時(shí)就發(fā)生了不同程度的損壞[2]，這些過(guò)早“衰老”的工程需要耗用龐大的維修費(fèi)用， 還會(huì)造成安全隱患， 專家們把這種現(xiàn)象稱為“混凝土耐久性危機(jī)”。據(jù)調(diào)查，我國(guó)每年要投入2000億元以上，來(lái)應(yīng)對(duì)因混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性而導(dǎo)致的各種問(wèn)題[3]。近幾年，混凝土的抗凍耐久性引起了廣泛關(guān)注， 不僅因?yàn)樗悄途眯缘闹匾笜?biāo)， 同時(shí)也因?yàn)榛炷恋膬龊Πl(fā)生的范圍極其廣泛[4]。我國(guó)地域遼闊，有相當(dāng)大的地區(qū)處于寒冷地帶，如西部及東北部地區(qū)，橋梁、道路、水工等工程中的混凝土結(jié)構(gòu)的主要病害就是凍融破壞[5]，嚴(yán)重影響了其使用壽命。

吉林省地處東北季節(jié)性冰凍地區(qū)，冬季寒冷漫長(zhǎng)，最冷月平均氣溫在-15℃左右，最低氣溫可達(dá)-35℃，年凍融次數(shù)約115次，凍融破壞是本地區(qū)室外混凝土結(jié)構(gòu)的主要病害之一。本文選擇目前吉林橋涵工程中的預(yù)制箱梁等普遍使用的C50混凝土作為研究對(duì)象，通過(guò)快速凍融實(shí)驗(yàn)，開展寒冷環(huán)境下混凝土的抗凍性能研究，對(duì)于提高我國(guó)寒區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，具有非常重要的實(shí)際意義和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

1.混凝土配合比

為了更加真實(shí)有效地反應(yīng)混凝土材料的耐久性能，配制吉林橋涵工程中的預(yù)制箱梁、現(xiàn)澆箱梁等普遍使用的C50混凝土所用配合比相似的高性能混凝土，以便研究成果更好地服務(wù)于工程實(shí)踐?；炷恋乃z比為0.32，塌落度為140-180mm，砂率為42%，水泥、砂、石、水、粉煤灰、減水劑的配合比如表1所示。制備尺寸為100mm×100mm×400mm的標(biāo)準(zhǔn)混凝土快速凍融試件，如圖1所示。

2.實(shí)驗(yàn)條件

參考GB/T 50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，混凝土抗凍性能試驗(yàn)有慢凍法和快凍法兩種。慢凍法抗凍性能一般用抗壓強(qiáng)度損失率來(lái)衡量，快凍法抗凍性能一般用動(dòng)彈性模量來(lái)評(píng)價(jià)。本課題凍融循環(huán)制度采用快凍法，具體過(guò)程如下：將制備的混凝土快速凍融試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)24天后，放入20±2℃的水中進(jìn)行浸泡，水面至少高出試樣20mm，浸泡4天后取出試件，擦干后稱重并測(cè)定初始動(dòng)彈性模量，隨后將試樣放入TDR-3混凝土快速凍融試驗(yàn)機(jī)的專用橡膠試件盒中，加入水使其沒過(guò)試件頂面1-3mm，開始進(jìn)行凍融循環(huán)，試件的中心溫度分別控制在（-15±2）～（6±2）℃，每次凍融循環(huán)約3.6小時(shí)，混凝土試件在凍融試驗(yàn)過(guò)程中處于全浸泡狀態(tài)。試件凍融一次為一個(gè)循環(huán)，每25個(gè)循環(huán)測(cè)量一次動(dòng)彈性模量損失和質(zhì)量損失，當(dāng)動(dòng)彈性模量損失大于40%或質(zhì)量損失大于5%時(shí)停止試驗(yàn)，認(rèn)為試件已破壞?；炷量焖賰鋈跈C(jī)及TD-20動(dòng)彈性模量?jī)x如圖2所示。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 混凝土試件的動(dòng)彈性模量損失率和質(zhì)量損失率

凍融條件下混凝土試塊的動(dòng)彈性模量損失率和質(zhì)量損失率如圖3所示，隨循環(huán)次數(shù)的增多，動(dòng)彈性模量損失率和質(zhì)量損失率都逐漸增大，混凝土在225個(gè)凍融循環(huán)后動(dòng)彈性模量損失率達(dá)到40%以上，試塊被破壞。在凍融循環(huán)初期，試樣質(zhì)量略有增大，這是由于試樣內(nèi)微孔隙在凍融損傷的作用下不斷擴(kuò)展變寬，導(dǎo)致試樣在飽和狀態(tài)下的含水率有所提高。在凍融中后期，試樣凍融損傷逐漸積累，混凝土開裂及表面脫落情況逐漸加劇，從而導(dǎo)致試樣的質(zhì)量降低，質(zhì)量損失率逐漸增大[6]。endprint

和質(zhì)量損失率

3.2 影響函數(shù)

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果擬合，建立了凍融條件下，混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量與循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系式，二者成三次函數(shù)關(guān)系Erd =a×N3+b×N2+c×N+d，其中a=-3.65×10-6，b=3.34×10-4，c=-0.09，d=100.07，R2=0.995。將實(shí)測(cè)值與擬合曲線進(jìn)行比較，如圖4所示，發(fā)現(xiàn)二者吻合較好，因此可用該公式來(lái)模擬寒區(qū)凍融環(huán)境下C50混凝土的凍融破壞規(guī)律。

3.3 混凝土試件的宏、微觀組織結(jié)構(gòu)

圖5-ab為凍融不同次數(shù)后混凝土的宏觀組織，凍融前期混凝土外觀變化不明顯，凍融后期混凝土表面水泥漿體成片脫落，表面骨料大面積暴露、凹凸不平，其凍融損傷過(guò)程是一個(gè)由致密到疏松的物理過(guò)程。采用XL-30 ESEM FEG掃描電子顯微鏡觀察了混凝土內(nèi)部的組織形貌，如圖5-cd所示，在相同放大倍數(shù)下，凍融初期的混凝土組織較為致密，凍融后期的混凝土組織不夠致密，酥松多空；漿體縫隙中存在少量針狀的晶體，結(jié)合晶體形貌觀察、EDS成分分析及XRD分析（圖5e）可知該晶體為鈣礬石（ ）?；炷恋膬鋈谄茐膶?shí)際上是內(nèi)部結(jié)構(gòu)由致密到疏松的物理過(guò)程，并伴隨著微裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展[7]，從而導(dǎo)致混凝土表面剝蝕、內(nèi)部開裂、質(zhì)量和動(dòng)彈性模量降低。

3.4 混凝土破壞機(jī)理研究

從上世紀(jì) 40 年代以來(lái)，各國(guó)學(xué)者或從純物理模型出發(fā)，或以水泥凈漿或砂漿試驗(yàn)為基礎(chǔ)，提出了混凝土凍融破壞機(jī)理的多種假設(shè)和理論，如靜水壓理論、滲透壓理論、充水系數(shù)理論、臨界飽水值理論和孔結(jié)構(gòu)理論等，但目前國(guó)內(nèi)外尚未得到統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)和結(jié)論[7，8]。

研究發(fā)現(xiàn)，混凝土內(nèi)部毛細(xì)孔隙水的結(jié)冰膨脹壓和滲透壓是引起凍融損傷的動(dòng)力?；炷恋目箖鲂灾饕芑炷量讖匠叽绾徒氲交炷羶?nèi)部水的影響[7]?？捉Y(jié)構(gòu)理論認(rèn)為對(duì)凍融影響較大的是>100nm的有害孔。凍融循環(huán)中混凝土是浸泡在水中的，其表面含水率大于內(nèi)部含水率，受凍時(shí)表面先降溫，表面溫度低于內(nèi)部溫度，表層毛細(xì)孔內(nèi)的水先結(jié)冰體積膨脹，凍害由表及里發(fā)展，導(dǎo)致試樣表面砂漿層脫落。表層和內(nèi)部溫度差還會(huì)導(dǎo)致混凝土在降溫過(guò)程中出現(xiàn)內(nèi)外層之間結(jié)冰量的差異，產(chǎn)生內(nèi)外濃度差，使傳質(zhì)過(guò)程變得復(fù)雜。混凝土受凍溫度為-15±2℃，隨著凍融時(shí)間的延長(zhǎng)，混凝土內(nèi)部毛細(xì)管內(nèi)的水一旦結(jié)冰，就會(huì)擴(kuò)展孔隙同時(shí)將多余的水沿邊界壓出，一旦結(jié)冰處至“逃逸邊界”（如氣泡）的距離大于100μm，或材料的滲透性較差就會(huì)產(chǎn)生很大的水壓[9]。但此時(shí)混凝土內(nèi)部尺寸較小的凝膠孔內(nèi)的水僅僅處于過(guò)冷狀態(tài)而不會(huì)結(jié)冰，造成混凝土內(nèi)部熱力學(xué)上的不平衡，由于冰的飽和蒸氣壓小于水，蒸汽壓的差別驅(qū)使凝膠孔內(nèi)的過(guò)冷水向毛細(xì)孔內(nèi)遷移，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生滲透壓[10，11]。在降溫過(guò)程中，混凝土內(nèi)外層之間、大小孔之間由于結(jié)冰量差異都會(huì)導(dǎo)致滲透壓加大，滲透作用進(jìn)一步增強(qiáng)。且凍融循環(huán)過(guò)程中混凝土的內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生周期性變化的應(yīng)力，每次凍融循環(huán)后混凝土內(nèi)部變形并不能完全恢復(fù)，都存在殘余變形，隨著凍融次數(shù)的增多，凍融損傷逐漸累積[5]。除此之外，混凝土各組分材料之間的熱膨脹系數(shù)差距明顯，導(dǎo)致在凍結(jié)降溫和融化升溫過(guò)程中內(nèi)部材料之間變形量差異很大，也會(huì)在混凝土內(nèi)部形成溫度損傷應(yīng)力[12]。一旦產(chǎn)生的應(yīng)力超過(guò)混凝土所能承受的壓力，混凝土表面剝落、質(zhì)量損失加大，內(nèi)部松散，集料與膠凝材料發(fā)生分離，動(dòng)彈性模量衰減，混凝土被破壞[13]。

本文選用的混凝土中含有高效減水劑，減水劑的使用使得相同強(qiáng)度等級(jí)的高性能混凝土水灰比較普通混凝土要低，由于相同質(zhì)量的水泥水化所需的水分是一樣的，其余的水分會(huì)在混凝土硬化干燥過(guò)程中蒸發(fā)掉，留下孔隙，水灰比小的混凝土?xí)嬖谙鄬?duì)較小的孔隙率[5]。此外，粉煤灰的添加會(huì)消耗水泥水化時(shí)生成薄弱的、而且往往富集在過(guò)渡區(qū)的氫氧化片狀結(jié)晶，并填充于水泥水化生成物的間隙，從而增加了混凝土的密實(shí)度和抗凍性[14，15]。

總之，混凝土凍融破壞的實(shí)質(zhì)是在凍融環(huán)境下內(nèi)部損傷逐漸累積，導(dǎo)致體積膨脹、結(jié)構(gòu)酥松進(jìn)而引起混凝土破壞的過(guò)程。凍融循環(huán)下，靜水壓和滲透壓是使其破壞的主要因素。

4.結(jié)論

（1）隨循環(huán)次數(shù)的增多，C50混凝土的動(dòng)彈性模量損失率和質(zhì)量損失率都逐漸增大，在225個(gè)凍融循環(huán)后試塊被破壞。

（2）凍融條件下，混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量與循環(huán)次數(shù)之間滿足三次函數(shù)關(guān)系，Erd=a×N3+b×N2+c×N+d，其中a=-3.65×10-6，b=3.34×10-4，c=-0.09，d=100.07，R2=0.995。

（3）混凝土凍融破壞的實(shí)質(zhì)是在凍融環(huán)境下內(nèi)部損傷逐漸累積，導(dǎo)致體積膨脹、結(jié)構(gòu)酥松進(jìn)而引起混凝土破壞的過(guò)程。凍融循環(huán)下，靜水壓和滲透壓是使其破壞的主要因素。

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【文章編號(hào)】1006-2688（2017）07-0001-04

【基金項(xiàng)目】吉林交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院2015年度改革創(chuàng)新專項(xiàng)基金項(xiàng)目（編號(hào)2015-1-107）。

【作者簡(jiǎn)介】閆潔（1984-），女，山東臨清人，工學(xué)博士，畢業(yè)于北京航空航天大學(xué)，講師，研究方向：混凝土耐久性。endprint