凍融循環(huán)與水流沖磨耦合作用下混凝土損傷進(jìn)程

白銀 葉小盛 劉海祥 呂樂樂 寧逢偉 張豐

摘要：冬季寒冷地區(qū)與水流接觸的混凝土，常常會受到凍融循環(huán)和水流沖磨的雙重作用，二者耦合后的作用機(jī)理及損傷進(jìn)程尚不明確。研究了混凝土在凍融循環(huán)和水流沖磨耦合作用下的損傷進(jìn)程，從混凝土質(zhì)量損失、相對動彈性模量出發(fā)進(jìn)行混凝土損傷評價(jià)，詳細(xì)分析了C40、C50、C55混凝土分別在單獨(dú)凍融循環(huán)、單獨(dú)水流沖磨以及凍融-沖磨耦合作用下的損傷進(jìn)程。結(jié)果表明：耦合作用下混凝土表面剝落嚴(yán)重，且質(zhì)量損失超過了單獨(dú)凍融循環(huán)和單獨(dú)沖磨作用下質(zhì)量損失之和。同時(shí)，凍融-沖磨耦合作用下的相對動彈模下降較多，C40混凝土的相對動彈模低至52%，加快了混凝土的失效過程;凍融循環(huán)作用導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)疏松，進(jìn)而促進(jìn)了水流對混凝土的沖磨作用，使混凝土損傷加劇。

關(guān)鍵詞：凍融循環(huán);水流沖磨;凍融-沖磨耦合;混凝土損傷;損傷進(jìn)程

中圖法分類號：TV431文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.11.013

1 研究背景

凍融破壞是降低混凝土耐久性的重要因素之一，多發(fā)生于寒冷地區(qū)，尤其是我國東北、華北、西北等地區(qū)。在寒冷地區(qū)，水工混凝土在使用過程中不僅受到凍融破壞，還會受到水流沖刷的作用，水流沖刷也會使混凝土遭到一定程度的破壞。

目前，關(guān)于混凝土凍融循環(huán)破壞的研究有很多，也有關(guān)于凍融循環(huán)與其他因素耦合作用的研究，如凍融循環(huán)與氯鹽侵蝕耦合作用[1-2]、凍融循環(huán)與外部荷載耦合作用[3-6]以及凍融循環(huán)、氯鹽侵蝕和外部荷載3種因素的耦合作用[7-10]等。由于水工混凝土所處環(huán)境復(fù)雜，研究其在多因素耦合作用下的損傷進(jìn)程尤為重要。關(guān)于混凝土在凍融循環(huán)與水流沖磨耦合作用下?lián)p傷進(jìn)程的研究較少，開展此方面的研究具有重要意義。

以混凝土重量損失、相對動彈性模量作為混凝土損傷的評價(jià)指標(biāo)，研究了凍融-沖磨耦合作用對混凝土的損傷進(jìn)程，通過對比單獨(dú)凍融循環(huán)、單獨(dú)水流沖磨作用對混凝土的損傷，分析了凍融-沖磨耦合作用對混凝土損傷的機(jī)理。

2 試驗(yàn)條件

2.1 原材料

水泥采用海螺P·O42.5普通硅酸鹽水泥，粉煤灰采用云南宣威電廠生產(chǎn)的Ⅰ級粉煤灰，礦粉為濰坊鋼鐵廠S95級粒化高爐礦渣粉，減水劑為南京瑞迪高新技術(shù)公司提供的聚羧酸高性能減水劑，砂采用天然河砂，表觀密度為2 690 kg/m3，石為石灰?guī)r碎石，表觀密度為2 670 kg/m3?；炷僚浜媳炔捎玫氖堑湫蜆蛄汗こ逃门浜媳龋ㄒ姳?）。

2.2 試驗(yàn)方法

抗沖磨試驗(yàn)參考DL/T 5207-2005《水工建筑物抗沖磨防空蝕混凝土技術(shù)規(guī)程》附錄A中的水砂磨損機(jī)試驗(yàn)進(jìn)行，水砂磨損機(jī)如圖1所示。試件為圓弧形試件，見圖2。

凍融循環(huán)試驗(yàn)采用單面凍融法，參考GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》。為與沖磨試驗(yàn)耦合，混凝土試件改為與抗沖磨試驗(yàn)相同的弧形試件（見圖1），內(nèi)弧面受凍;凍融介質(zhì)由原來的NaCl溶液改為自來水，凍融循環(huán)8次進(jìn)行1次測試。

3 三種侵蝕作用下混凝土損傷進(jìn)程分析

3.1 單獨(dú)水流沖磨作用下

抗沖磨試驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室的封閉空間內(nèi)完成的，在沖磨過程中會發(fā)熱，因此無法直接用冰塊或冰屑作為沖磨介質(zhì)。為盡可能地模擬攜帶冰塊、冰屑等懸浮介質(zhì)的水流對混凝土的沖磨作用，在水流中摻入適量的砂替代冰塊或冰屑。

抗沖磨試驗(yàn)結(jié)果見圖3。由圖3可知，C40、C50、C55混凝土在水流沖磨作用下的質(zhì)量損失比較接近，差異在15%以內(nèi)。對于不同強(qiáng)度等級的混凝土，膠凝材料用量隨著強(qiáng)度等級提高而增加，易被磨掉的部分增加;水泥石自身的強(qiáng)度隨著強(qiáng)度等級提高而提高，不易被磨掉。因此，C40、C50、C55混凝土被沖磨掉的質(zhì)量非常接近。

從混凝土質(zhì)量損失的歷程來看，前3 h混凝土的磨損速率明顯較快，大于3 h以后的磨損速率。這說明最初混凝土表面的漿體比例較大，沖磨時(shí)的剝落量較大;一旦表面漿體剝落后，混凝土骨料大面積暴露，而骨料的耐磨性大于漿體的耐磨性，因此沖磨導(dǎo)致的質(zhì)量損失降低。從量值上觀察，經(jīng)過5 h的沖磨，混凝土質(zhì)量損失均在200～230 g，平均磨損40～46 g/h。

沖磨作用的過程主要體現(xiàn)在沖磨介質(zhì)逐步剝削混凝土表面的砂漿，骨料逐漸外露，沖磨至一定程度后，出現(xiàn)骨料脫落的現(xiàn)象，如圖4所示。經(jīng)多次沖磨后，混凝土表面的砂漿已經(jīng)剝落，粗骨料大量外露。

3.2 凍融循環(huán)作用下

凍融循環(huán)作用下，混凝土的破壞主要表現(xiàn)為表皮脫落和結(jié)構(gòu)疏松，這點(diǎn)與水流沖磨不同。因?yàn)樗鳑_磨只能沖磨混凝土表面，對混凝土內(nèi)部沒有影響，而凍融循環(huán)過程中，混凝土整體溫度均會降低和升高，所有孔隙內(nèi)部的水都會結(jié)冰膨脹，但由于混凝土的傳熱較慢，內(nèi)外略有細(xì)微差別。

凍融循環(huán)作用下混凝土的質(zhì)量損失和質(zhì)量損失率如圖5所示。從圖5可以看出，在凍融循環(huán)作用下，C40混凝土的剝落量一直增加，經(jīng)80次凍融循環(huán)累積損失324 g，質(zhì)量損失率達(dá)到3.9%，然而經(jīng)過同樣的凍融循環(huán)后，C50、C55混凝土質(zhì)量損失僅約40 g，抗凍融循環(huán)能力明顯高于C40混凝土。

凍融循環(huán)作用下混凝土的相對動彈性模量如圖6所示。從圖6可以看出，C40、C50、C55混凝土凍融循環(huán)80次后的相對動彈性模量均高于60%（相對動彈性模量判據(jù)），其中C40混凝土的相對動彈性模量最低（74%），說明在含氣量相當(dāng)?shù)那疤嵯拢岣呋炷恋膹?qiáng)度等級對改善混凝土的抗凍性效果明顯。

從量值上觀察，經(jīng)過80次凍融循環(huán)，C40混凝土質(zhì)量損失324g，C50、C55混凝土質(zhì)量損失約40g;質(zhì)量損失率都小于5%，C40混凝土質(zhì)量損失率最大為3.9%;相對動彈模均大于60%，C40混凝土相對動彈模最低為74%。

凍融循環(huán)作用下混凝土的表面狀態(tài)如圖7所示。從圖7可以看出，經(jīng)凍融循環(huán)作用后，C40混凝土骨料大面積暴露，而C50和C55混凝土骨料暴露面積較小，這與混凝土質(zhì)量損失情況一致。

3.3 凍融循環(huán)與水流沖磨耦合作用下

按照“沖磨0.5 h+凍融8次”，即先將試樣沖磨0.5 h，再凍融8次進(jìn)行凍融-沖磨耦合作用試驗(yàn)，凍融循環(huán)與水流沖磨耦合作用下，混凝土的質(zhì)量損失見圖8。由圖8可知，經(jīng)過10次耦合作用，C40混凝土累計(jì)進(jìn)行了5 h沖磨和80次凍融循環(huán)，表面剝落質(zhì)量達(dá)到740 g，而經(jīng)歷同樣歷程的C50和C55混凝土剝落質(zhì)量均約370 g，質(zhì)量損失量值均遠(yuǎn)大于單獨(dú)沖磨或者單獨(dú)凍融循環(huán)時(shí)的值。

在雙重侵蝕作用下，混凝土表面剝落明顯，如圖9所示。混凝土表面大量的砂漿體在凍融-沖刷耦合作用下被剝落，石子裸露，質(zhì)量損失嚴(yán)重。這與混凝土質(zhì)量損失結(jié)果一致。

值得注意的是，凍融-沖磨耦合作用下混凝土的質(zhì)量損失并不等于單獨(dú)沖磨與單獨(dú)凍融作用的相加，如圖10所示。由圖10（a）可知，C40混凝土在凍融-沖磨耦合作用下的質(zhì)量損失達(dá)到740 g，而單獨(dú)沖磨作用（223 g）與單獨(dú)凍融作用（325 g）相加是548 g，高出35%;圖10（b）中C50混凝土在耦合作用下質(zhì)量損失為353 g，比二者單獨(dú)作用相加（247 g）高出43%;同樣，圖10（c）中C55混凝土在耦合作用下質(zhì)量損失為383 g，比二者單獨(dú)作用相加（252 g）高出52%。凍融-沖磨耦合作用下的質(zhì)量損失超過了單獨(dú)凍融和單獨(dú)沖磨作用之和。

凍融-沖磨耦合作用下的質(zhì)量損失率和相對動彈模見圖11。由圖11可知，C40混凝土的質(zhì)量損失率已經(jīng)超過凍融循環(huán)判據(jù)5%，高至9%，相對動彈模低于判據(jù)60%，低至52%;C50和C55混凝土的質(zhì)量損失率都達(dá)到了4%，相對動彈模降至68%和75%，比單獨(dú)凍融循環(huán)時(shí)的數(shù)值下降較多。

3.4 混凝土表面微觀結(jié)構(gòu)

采用500倍的顯微鏡觀測混凝土表面微觀結(jié)構(gòu)，單獨(dú)沖磨作用、單獨(dú)凍融循環(huán)作用及凍融-沖磨耦合作用下的混凝土表面微觀結(jié)構(gòu)如圖12～14所示。

由圖12可知，混凝土骨料周邊與水泥石（水泥漿體硬化體）的粘結(jié)界面完好，水泥石部分剝落，骨料裸露，骨料表面磨損后呈較光滑的狀態(tài)。由圖13可以看出，混凝土骨料周邊與水泥石的粘結(jié)界面間隙較大，表面整體有較明顯的結(jié)冰痕跡，部分水泥石剝落，骨料裸露，骨料表面保持原始的骨料外形，未見磨損光滑的現(xiàn)象。由圖14可知，混凝土骨料周邊與水泥石的粘結(jié)界面間隙變大，有明顯的結(jié)冰痕跡，部分水泥石剝落，骨料裸露，骨料表面呈磨損后的光滑狀態(tài)。凍融-沖磨耦合作用中的兩種侵蝕作用相互促進(jìn)，混凝土在凍融環(huán)境中，微結(jié)構(gòu)在結(jié)冰壓力的直接作用下變疏松，而沖磨作用將疏松的漿體沖掉。

4 凍融-沖磨耦合作用機(jī)理

混凝土單獨(dú)沖磨0.5 h和混凝土凍融后沖磨0.5 h的平均質(zhì)量損失，見圖15。由圖15可知，僅進(jìn)行單獨(dú)沖磨作用的混凝土的平均質(zhì)量損失在20 g左右，而經(jīng)受凍融后，再沖磨0.5 h的混凝土平均質(zhì)量損失增加，C55混凝土的平均質(zhì)量損失高達(dá)38.9 g，C40混凝土的平均質(zhì)量損失最低，達(dá)到32.8 g，增加幅度明顯。表明混凝土經(jīng)過凍融循環(huán)后，在結(jié)冰壓力的作用下，結(jié)構(gòu)變疏松，在沖磨作用下更易剝落，即凍融對沖磨破壞起到了顯著的促進(jìn)作用。

混凝土單獨(dú)凍融8個循環(huán)和混凝土沖磨后再凍融8個循環(huán)的平均質(zhì)量損失，見圖16。由圖16可知，單獨(dú)凍融循環(huán)和沖磨后再凍融的混凝土的平均質(zhì)量損失相差不大，表明沖磨作用只能作用在混凝土的表面，除了磨掉的部分，其余混凝土仍然質(zhì)地堅(jiān)硬密實(shí)，再繼續(xù)凍融時(shí)，并無明顯加劇混凝土剝落的現(xiàn)象。

因此，混凝土在凍融-沖磨耦合作用下?lián)p傷加劇的主要原因是凍融作用促進(jìn)了沖磨作用，凍融導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)疏松，使混凝土表面在沖磨作用下更易剝落。

5 結(jié) 論

（1）在凍融-沖磨耦合作用下，C40混凝土剝落嚴(yán)重，其質(zhì)量損失率和相對動彈?？焖偎p至失效，C50和C55混凝土性能接近，抵抗凍融-沖磨耦合作用的能力均高于C40混凝土;

（2）凍融-沖磨耦合作用下，混凝土損傷大幅增加，超過了單獨(dú)凍融循環(huán)和單獨(dú)沖磨作用之和，發(fā)生了1+1>2的效應(yīng);

（3）凍融-沖磨耦合作用機(jī)理為凍融循環(huán)作用促進(jìn)了沖磨作用，凍融循環(huán)使得混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松，在沖磨作用下更易剝落。

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（編輯：唐湘茜）