水泥基材料超低溫凍融循環(huán)試驗研究

葉建雄,陳 越,張 靖,王業(yè)江,楊長輝

(1.重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,重慶 400045;2.重慶市正源水務(wù)工程質(zhì)量檢測技術(shù)有限責(zé)任公司,重慶 400020)

水泥混凝土是當(dāng)今世界應(yīng)用最廣、用量最大的建筑材料,它以其實用性廣、造價低廉、經(jīng)久耐用等特點成為高層建筑、橋梁、大壩、高速公路、海港工程等現(xiàn)代化標(biāo)志的首選材料。然而,隨著時間推移,人們發(fā)現(xiàn)已建工程并非都有優(yōu)良的耐久性,很多結(jié)構(gòu)物未達(dá)到設(shè)計使用年限就出現(xiàn)各種因耐久性不良而引起的破壞,給社會生活和人身安全造成不利影響。

水泥混凝土凍融破壞是一項常見的耐久性問題,其破壞特征一般表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)開裂、表面剝蝕、骨料外漏等。水泥混凝土凍融破壞主要由毛細(xì)孔水結(jié)晶膨脹引起,其發(fā)生必須具備2個條件:一是混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)含有一定數(shù)量的可凍水;二是混凝土結(jié)構(gòu)物處于正負(fù)溫交替的暴露環(huán)境[1]。因此,凍融破壞一般發(fā)生在寒冷地區(qū)且常與水接觸的混凝土結(jié)構(gòu)物,如大壩、橋墩、涵洞、港口、碼頭等工程。水泥混凝土凍融破壞是國內(nèi)外研究較早、較全面的課題之一,20世紀(jì)40年代后,美國、原蘇聯(lián)、歐洲、日本等部分國家和地區(qū)均對水泥混凝土凍融破壞開展了深入研究,并取得大量成果[2-13]。然而,由于地理環(huán)境和試驗條件的差異,以及試驗周期較長等因素的影響,國內(nèi)外對水泥混凝土凍融破壞形式及機理尚未得到統(tǒng)一的認(rèn)識和結(jié)論,因此,有必要對水泥混凝土凍融破壞作進(jìn)一步研究,并探索加速試驗進(jìn)程的新方法。本試驗在已有研究成果基礎(chǔ)上,利用液態(tài)氮氣(實現(xiàn)超低溫,臨界溫度-195℃左右)對普通混凝土和砂漿進(jìn)行快速凍融循環(huán)試驗,觀測凍融循環(huán)前后混凝土和砂漿外觀、質(zhì)量、強度等宏觀性能的變化,采用掃描電子顯微鏡(SEM)分析凍融循環(huán)前后混凝土內(nèi)部微結(jié)構(gòu)變化,并與已有研究對比探討。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

水泥采用重慶騰輝地維水泥有限公司生產(chǎn)的P.O.42.5級和P.O.52.5級水泥。細(xì)骨料采用岳陽河砂,細(xì)度模數(shù)為2.8,表觀密度為2 690 kg/m3。粗骨料采用晏家5～25mm連續(xù)級配的石灰石碎石,表觀密度為2 700 kg/m3。外加劑采用重慶遠(yuǎn)吉高新建材科技有限公司生產(chǎn)的引氣型復(fù)合防水劑,推薦摻量為6%～8%。

1.2 試驗方法

按表1所示材料比例拌制混凝土和砂漿,成型70.7mm×70.7mm×70.7mm立方體試件,24 h后拆模,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28 d,到養(yǎng)護(hù)齡期后,采用不同制度進(jìn)行超低溫凍融循環(huán)試驗,測試循環(huán)前后試件質(zhì)量和強度,分析樣品形貌特征。

表1 試驗配合比和基本性能

凍融循環(huán)制度:采用液態(tài)氮氣作為凍結(jié)原材料。將達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期的水泥混凝土和砂漿均勻放置于容器中(方形鋼盒,外套保溫層,自制),加蓋(保溫材料制成),留出一小空洞加入液氮,每次凍結(jié)加入液氮量約為5 L(分?jǐn)?shù)次加入,加入液氮后立即封閉),整個凍結(jié)(加液氮)過程在15～20min完成。試件凍結(jié)后再分3種情況融化:1)浸泡于室溫(20±3℃)的水中2.5 h(泡水融化);2)室內(nèi)放置2.5 h(自然融化);3)先于90℃烘箱中烘干30min,再放置于室內(nèi)2 h(烘干融化)。試件融化完成后算一個循環(huán)(約3 h)。整個試驗過程中密切觀察試件外觀質(zhì)量變化,如開裂、掉皮等,并作紀(jì)錄。

采用自動控溫烘干箱對混凝土試件進(jìn)行烘干處理,控溫范圍:室溫 +10～300℃。采用捷克TESCAN公司的TescanVEGAⅡLMU型掃描電子顯微鏡(Scanning Electronmicroscope,SEM)觀測凍融試驗前后混凝土的形貌特征,儀器分辨率為3.0 nm/30 kV。

2 結(jié)果與討論

2.1 外觀變化

超低溫凍融循環(huán)試驗過程中,試件出現(xiàn)明顯破壞的時間及破壞程度各不相同,M10飽水砂漿試件經(jīng)12次凍融循環(huán)后出現(xiàn)明顯開裂破壞;C30飽水混凝土試件經(jīng)43次凍融循環(huán)后出現(xiàn)明顯開裂現(xiàn)象并伴有棱角脫落;C60飽水混凝土試件經(jīng)54次凍融循環(huán)后出現(xiàn)明顯開裂現(xiàn)象。圖1為試件以泡水融化方式凍融循環(huán)75次后的外觀照片(砂漿試件凍融循環(huán)12次)。由圖可見,C30混凝土試件棱角大量脫落,表層大面積掉皮、脫落,砂粒外漏,已失去完整性,但試件表面無明顯開裂現(xiàn)象;C60混凝土試件部分棱角嚴(yán)重脫落,并伴有裂紋出現(xiàn),但表層仍堅硬,無掉皮現(xiàn)象;砂漿試件凍融循環(huán)12次后各個方向即出現(xiàn)明顯裂縫,并呈貫通趨勢。該結(jié)果初步說明砂漿試件抗凍性明顯較混凝土試件差,這可能與粗骨料的牽制作用有關(guān),混凝土試件的抗凍性能隨強度提高而呈增強趨勢。不論砂漿還是混凝土,以泡水融化方式進(jìn)行循環(huán)的試件破壞程度明顯重于以自然融化和烘干融化方式進(jìn)行循環(huán)的試件,而以后2種循環(huán)方式進(jìn)行試驗的試件均無明顯破壞現(xiàn)象。

圖1 試件以泡水融化方式凍融循環(huán)后外觀照片

2.2 質(zhì)量變化

超低溫凍融循環(huán)試驗過程中,水泥混凝土和砂漿質(zhì)量損失主要由試件掉皮、棱角脫落等因素造成。圖2為水泥混凝土試件和砂漿試件超低溫凍融循環(huán)前后質(zhì)量變化情況。由圖可見,不論采取何種融化方式進(jìn)行循環(huán)試驗,超低溫凍融循環(huán)后試件質(zhì)量都有不同程度的損失。與循環(huán)試驗前相比,循環(huán)后,以自然融化、泡水融化和烘干融化方式進(jìn)行循環(huán)試驗的C30混凝土試件質(zhì)量損失率分別為0.33%、2.96%、0.27%,C60混凝土試件質(zhì)量損失率分別為0.27%、0.45%、0.24%,M 10砂漿試件質(zhì)量損失率分別為0.40%、0.23%、0.33%。從測試結(jié)果可以看出,混凝土試件以泡水融化方式進(jìn)行循環(huán)試驗后其質(zhì)量損失明顯大于以另外2種融化方式進(jìn)行循環(huán)試驗的質(zhì)量損失,這反映出以泡水融化方式進(jìn)行循環(huán)的混凝土試件破壞程度最為嚴(yán)重,且隨混凝土強度提高其質(zhì)量損失率呈降低趨勢;M 10砂漿試件以泡水融化方式進(jìn)行循環(huán)試驗后質(zhì)量損失最少,這主要是因為在超低溫凍融循環(huán)過程中,泡水融化的砂漿試件僅經(jīng)歷了12次循環(huán)就出現(xiàn)貫通裂縫,隨即停止循環(huán)試驗,而此時砂漿試件外觀僅表現(xiàn)出開裂破壞,無掉皮、脫落等現(xiàn)象,故質(zhì)量損失相對較小,以另外兩種融化方式進(jìn)行循環(huán)試驗的試件,外觀無明顯破損現(xiàn)象,但在試驗過程中,由于磕碰或其他因素使其質(zhì)量損失相對較大。以泡水融化方式進(jìn)行循環(huán)試驗的試件質(zhì)量損失率從大到小依次為C30砼＞C60砼＞M 10砂漿,該結(jié)果與試件外觀破損變化規(guī)律一致。以另外2種融化方式進(jìn)行循環(huán)的試件,各試件質(zhì)量損失率無太大差別。試件質(zhì)量損失反映的破損程度與試件外觀變化規(guī)律基本一致。

圖2 凍融循環(huán)前后試件質(zhì)量變化

2.3 強度變化

圖3為試件超低溫凍融循環(huán)前后抗壓強度的變化情況。由圖可見,不論砂漿試件還是混凝土試件,經(jīng)凍融循環(huán)后其抗壓強度較對應(yīng)基準(zhǔn)樣都有所降低,說明試件經(jīng)凍融循環(huán)后其內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到損傷。凍融循環(huán)后,C30混凝土、C60混凝土和M 10砂漿以自然融化方式進(jìn)行循環(huán)試驗的抗壓強度較基準(zhǔn)樣分別損失10.0%、12.2%、28.9%,以泡水融化方式進(jìn)行循環(huán)試驗的抗壓強度較基準(zhǔn)樣分別損失86.0%、74.0%、49.0%,以烘干融化方式進(jìn)行循環(huán)試驗的抗壓強度較基準(zhǔn)樣分別損失7.3%、9.3%、12.7%。由此可知,以自然融化和烘干融化方式進(jìn)行循環(huán)試驗,砂漿試件抗壓強度損失率明顯大于混凝土試件的抗壓強度損失率,2種混凝土試件抗壓強度損失率無太大差別,同時可以看出,烘干融化試件抗壓強度損失率明顯低于對應(yīng)其他兩種融化方式試件的抗壓強度損失率,說明烘干處理有助于提高水泥基材料在超低溫條件下的抗凍性能。以泡水融化方式進(jìn)行循環(huán)試驗,試件抗壓強度損失率從大到小依次為C30砼＞C60砼＞M 10砂漿,與試件質(zhì)量損失率變化規(guī)律一致。另外,混凝土和砂漿試件以泡水融化方式進(jìn)行循環(huán)試驗的抗壓強度損失率明顯大于對應(yīng)試件以另外2種融化方式進(jìn)行循環(huán)試驗的損失率,說明泡水融化試件在超低溫循環(huán)過程中更容易發(fā)生嚴(yán)重凍融破壞。

圖3 試件凍融循環(huán)前后抗壓強度變化

2.4 SEM分析

圖4為超低溫凍融循環(huán)后C30混凝土與基準(zhǔn)混凝土的SEM照片對比。從圖中可以看出,基準(zhǔn)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為致密,無明顯裂紋存在,結(jié)構(gòu)中零星地分布著一些針棒狀水化產(chǎn)物;以烘干融化和自然融化方式進(jìn)行凍融循環(huán)試驗的混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)仍然較為致密,沒有明顯裂紋存在,其中自然融化SEM照片中空洞邊沿沒有出現(xiàn)明顯裂紋,且結(jié)構(gòu)中分布著一定數(shù)量的針狀或片狀水化產(chǎn)物;以泡水融化方式進(jìn)行循環(huán)試驗的混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)存在非常明顯的裂紋,裂紋雜亂地分布于結(jié)構(gòu)中,空洞邊沿明顯開裂,并向外延伸,以致形成貫穿裂縫,毀壞混凝土結(jié)構(gòu);結(jié)構(gòu)中仍分布著少量針狀水化產(chǎn)物。由此可知,以泡水融化方式進(jìn)行凍融循環(huán)試驗的混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)已經(jīng)存在嚴(yán)重缺陷,而以另外2種融化方式進(jìn)行循環(huán)試驗的混凝土結(jié)構(gòu)仍較為完整,無明顯缺陷存在,整體密實性較前者好。該結(jié)果與混凝土試件的宏觀性能變化規(guī)律一致。

圖4 混凝土試件SEM照片

水泥基材料凍融循環(huán)破壞主要由孔溶液結(jié)冰膨脹引起。在一定飽水情況下,當(dāng)環(huán)境溫度降低到一定值時,水泥基材料結(jié)構(gòu)內(nèi)孔溶液達(dá)到結(jié)冰點,冰晶開始生長并填充于孔隙中,當(dāng)結(jié)冰到一定程度時便產(chǎn)生膨脹應(yīng)力并作用于孔壁,這種應(yīng)力一旦超過水泥基材料的極限抗拉強度,其結(jié)構(gòu)便開裂破壞。當(dāng)溫度升高時,結(jié)冰體溶解,又會在水泥基材料內(nèi)產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力,使其結(jié)構(gòu)受損。如此往復(fù)循環(huán),孔隙水凍融引起的微裂紋不斷擴大,直至水泥基材料出現(xiàn)大裂縫或失去完整性,其強度大量喪失。試驗中,試件破損程度不一致便是因試件孔結(jié)構(gòu)飽水程度不同所致,在凍結(jié)速度相同的情況下,孔結(jié)構(gòu)飽水程度較高的泡水融化試件破壞程度最重,出現(xiàn)破壞時間越早。

水泥基材料凍融破壞程度與其結(jié)構(gòu)內(nèi)孔溶液凍結(jié)速度、孔隙飽水程度等因素密切相關(guān),通常是孔溶液結(jié)冰速度越快,孔隙飽水程度越高,試件破損越嚴(yán)重[14]。以液態(tài)氮氣作為凍結(jié)原材料,由于其臨界溫度很低(-195℃左右),當(dāng)與試件接觸時,液態(tài)氮氣快速氣化,并吸收大量熱量,環(huán)境及試件溫度急劇降低,在液氮量控制得當(dāng)?shù)那闆r下,可使試件表層氣溫驟降至-100℃,試件表層結(jié)構(gòu)內(nèi)孔溶液迅速凍結(jié)。由靜水壓理論可知,孔溶液凍結(jié)速率越快,越容易產(chǎn)生應(yīng)力集中,造成試件開裂破壞,明顯加快水泥基材料凍融破壞進(jìn)程。文獻(xiàn)[15]表明,水泥基材料凝膠孔溶液凍結(jié)溫度在-78℃左右,而試驗溫度可降低至-100℃,這一溫度足可以讓凝膠孔水凍結(jié),從更細(xì)觀層次上破壞水泥基材料,增加了水泥基材料產(chǎn)生微裂紋的可能性,進(jìn)一步加速了水泥基材料凍融破壞。與水泥基材料常規(guī)凍融循環(huán)試驗相比(GBJ 82-85《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》中介紹的試驗方法),以液態(tài)氮氣作為凍結(jié)原材料進(jìn)行凍融循環(huán)試驗,一方面孔溶液凍結(jié)速度更快,更容易使試件開裂破壞,在試件破損程度相當(dāng)?shù)那闆r下,可以明顯減少試件凍融循環(huán)次數(shù);另一方面,完成1次凍融循環(huán)試驗的時間相對較短(僅需3 h左右),在完成循環(huán)次數(shù)相同的情況下,可以明顯減少試驗時間。綜上所述,以液態(tài)氮氣作為凍結(jié)原材料進(jìn)行超低溫凍融循環(huán)試驗可以明顯減少試驗周期,縮短試驗時間,相對較快的評價出水泥基材料的抗凍性,保證工程進(jìn)度。因此,以液態(tài)氮氣作為凍結(jié)原材料進(jìn)行凍融循環(huán)試驗不失為一種加速水泥基材料凍融循環(huán)破壞的有效手段。

3 結(jié)論

1)在超低溫凍融循環(huán)過程中,混凝土的抗凍性能明顯強于砂漿,且隨混凝土強度提高其抗凍性能呈增強趨勢。

2)烘干處理能有效提高水泥基材料在超低溫條件下的抗凍性能。

3)SEM分析結(jié)果表明,超低溫凍融循環(huán)后泡水融化試件結(jié)構(gòu)內(nèi)裂紋數(shù)量明顯多于自然融化和烘干融化試件。

4)超低溫凍融循環(huán)試驗可以加速水泥基材料破壞進(jìn)程,明顯減少試驗時間,能相對較快的評價出水泥基材料的抗凍性。

[1]MICHEL PIGEON, JACQUESmARCHAND,RICHARD PLEAU.Frost resistant concrete[J].Construction and Buildingmaterials,1996,10(5):339-348.

[2]陳妤,劉榮桂,付凱.凍融循環(huán)下海工預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性[J].建筑材料學(xué)報,2009,12(1):17-21.CHEN YU,LIU RONG-GUI,FU KAI.Durability formarinEpre-stressed structures with freezing-thawing cycles[J].Journal of Buildingmaterials,2009,12(1):17-21.

[3]宋玉普,商懷帥,張眾,等.凍融循環(huán)后引氣混凝土雙軸破壞準(zhǔn)則研究[J].工程力學(xué),2007,24(6):134-141.SONG YU-PU,SHANG HUAI-SHUAI,ZHANG ZHONG,et al.Investigation on failurEcriterion of airentrained concretEunder biaxial loads after f reeze-thaw cycles[J].Engineeringmechanics,2007,24(6):134-141.

[4]趙霄龍,衛(wèi)軍,黃玉盈.混凝土凍融耐久性劣化的評價指標(biāo)對比[J].華中科技大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2003,31(2):103-105.ZHAO XIAO-LONG,WEI JUN,HUANG YU-YING.ThEcomparison of evaluation indexes for durability degradation of concretein freezing-thawing cycles[J].J.Huazhong Univ.of Sci&Tech:NaturESciencEEdition,2003,31(2):103-105.

[5]余紅發(fā),孫偉,李美丹.混凝土在化學(xué)腐蝕和凍融循環(huán)共同作用下的強度變化[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2006,22(4):588-591.YU HONG-FA,SUN WEI,LImEI-DAN.Strength development of concretEsubjected to combined actions of freezing-thawing cycles and chemical attack[J].Journal of Shenyang Jianzhu University:Natural Science,2006,22(4):588-591.

[6]唐光普,劉西拉,施士升.凍融條件下混凝土破壞面演化模型研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2006,25(12):2572-2578.TANG GUANG-PU,LIU XI-LA,SHI SHI-SHENG.Evolutionmodel of concretefailurEsurfacEunder freezethaw conditions[J].ChinesEJournal of Rockmechanics and Engineering,2006,25(12):2572-2578.

[7]BASHEER L,CLELAND DJ.Freeze-thaw resistancEof concretes treated with porEliners[J].Construction and Buildingmaterials,2006,20:990-998.

[8]PAUL J TIKALSKY,JAMES POSPOSILl,WILLIAMmAC-DONALD.Amethod for assessment of thEfreeze-thaw resistancEof performed foam cellular concrete[J].Cement and ConcretEResearch,2004,34:889-893.

[9]LAHLOU DAHMANI,AMAR KHENANE,SALAH KACI.Behavior of thEreinforced concretEat cryogenic temperatures[J].Cryogenics,2007,47:517-525.

[10]SHUANGZHEN WANG,EMILIO LLAM AZOS,LARRY BAXTER,et al.Durability of biomass fly ash concrete:Freezing and thawing and rapid chloridEpermeability tests[J].Fuel,2008,87:359-364.

[11]GOKCEA,NAGATAKI S,SAEKI T,et al.Freezing and thawing resistancEof air-entrained concretEincorporating recycled coarsEaggregate:ThErolEof air content in demolished concrete[J].Cement and ConcretEResearch,200434:799-806.

[12]GAO PEI-WEI,WU SHENG-XING,LIN PING-HUA,et al.ThEcharacteristics of air void and frost resistancEof RCC with fly ash and expansivEagent[J].Construcion and Buildingmaterials,2006,20:586-590.

[13]GAI-FEI PENG,QIANGmA,HONG-MEI HU,et al.ThEeffects of air entrainment and pozzolans on frost resistancEof 50-60m Pa gradEconcrete[J].Construcion and Buildingmaterials,2007,21:1034-1039.

[14]POWER T C.A working hypothesis for further studies of frost resistance[J].Journal of ThEAmerican ConcretEInstitute,1945,16(4):245-272.

[15]張燕.凍融循環(huán)和氯鹽腐蝕作用下鋼筋與混凝土粘結(jié)錨固性能的試驗研究[D].江蘇:揚州大學(xué)土木工程學(xué)院,2007.