摻CWCPM混凝土的凍融損傷機(jī)理及演化模型

薛翠真 申愛琴 喬宏霞

(1.蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的飛速發(fā)展，由于拆除廢舊建(構(gòu))筑物而產(chǎn)生的建筑垃圾逐年增加。大量的建筑垃圾堆積不僅占用大量土地、污染環(huán)境，而且是資源的極度浪費(fèi)。國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于廢混凝土的再生利用已取得一定的研究成果，并嘗試進(jìn)行規(guī)?；偕?。但廢磚由于孔隙裂紋較多、吸水率較大等原因，其再生利用率極低[1- 2]。研究表明，廢磚粉化學(xué)組成與水泥及其他礦物摻合料基本相似，磨細(xì)后具有的一定的活性，具有作為混凝土摻合料的潛質(zhì)，但由于活性較低限制了其推廣應(yīng)用[3- 4]。因此，應(yīng)針對(duì)廢磚自身性質(zhì)提出其高效再生利用的新途徑。此外，優(yōu)質(zhì)的礦物摻合料如礦粉、粉煤灰等在部分地區(qū)供應(yīng)緊張，長(zhǎng)距離的運(yùn)輸提高了其工程成本[5]。因此，應(yīng)尋找一種易得、性能較優(yōu)且經(jīng)濟(jì)環(huán)保的新型混凝土摻合料。鑒于此，課題組前期采用復(fù)合激發(fā)方法對(duì)磚粉活性進(jìn)行激發(fā)，研發(fā)出一種新型混凝土摻合料——建筑垃圾復(fù)合粉體材料(CWCPM)。室內(nèi)對(duì)CWCPM活性測(cè)試表明，當(dāng)CWCPM替代30%的水泥時(shí)，混凝土28 d抗壓強(qiáng)度活性指數(shù)為123.2%，說明CWCPM具有一定的活性，可作為混凝土摻合料進(jìn)行再生利用，并可進(jìn)行工廠化生產(chǎn)[6]。

另一方面，凍融破壞是我國北方大部分地區(qū)混凝土的主要破壞形式，由其引起的表面剝蝕和力學(xué)性能下降直接影響混凝土的服役質(zhì)量和壽命?，F(xiàn)階段，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于配合比參數(shù)對(duì)混凝土凍融性能的影響規(guī)律、混凝土凍融損傷規(guī)律及損傷模型、損傷破壞機(jī)理等問題開展了一定的研究，并取得豐富的研究成果。如有學(xué)者研究表明，摻加纖維、引氣劑和降低水灰比均可提高混凝土的抗鹽凍性能，孔結(jié)構(gòu)對(duì)抗凍性能有重要影響[7- 8]。楊全兵[9]通過實(shí)驗(yàn)研究了飽水度和結(jié)冰壓對(duì)混凝土抗凍性能的影響。Ba?ant等[10]通過模擬混凝土在凍融過程中的吸水過程及可凍水在混凝土內(nèi)部的遷移過程，提出了預(yù)測(cè)混凝土抗凍性的理論模型。FU等[11]研究了堿激發(fā)混凝土凍融損傷演化規(guī)律，并相對(duì)動(dòng)彈模量為損傷變量建立了凍融損傷模型。曹大富等[12]研究了凍融后混凝土受壓性能，并分析了凍融作用下混凝土的受壓的本構(gòu)特征。

但是，僅考慮單一破壞因素的試驗(yàn)方法不能完全模擬混凝土所處的真實(shí)復(fù)雜環(huán)境，所得結(jié)論和損傷模型難以反映混凝土的真實(shí)損傷過程?，F(xiàn)階段關(guān)于混凝土抗凍性能模型的建立多是考慮單因素作用，基于多因素的混凝土抗凍預(yù)測(cè)模型基本處于空白狀態(tài)。此外，關(guān)于混凝土凍融破壞機(jī)理的研究仍然處于假設(shè)、假想階段，對(duì)凍融作用下混凝土微觀形貌、細(xì)觀孔結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律尚未開展系統(tǒng)研究，對(duì)凍融作用下混凝土的損傷演化本質(zhì)缺乏深入認(rèn)識(shí)，進(jìn)而無法從本質(zhì)上揭示混凝土的凍融破壞機(jī)理[13- 14]，且CWCPM作為一種新型摻合料對(duì)混凝土抗凍性能的影響規(guī)律及影響機(jī)理尚未清楚。

鑒于此，結(jié)合混凝土實(shí)際使用環(huán)境，在水凍單因素的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)鹽凍耦合試驗(yàn)，以單位面積剝蝕量和抗壓強(qiáng)度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究水灰比、CWCPM摻量和鹽溶液濃度對(duì)混凝土凍融損傷演化規(guī)律的影響，并采用多因素分析方法建立摻CWCPM混凝土的多因素凍融損傷模型。同時(shí)，采用微、細(xì)觀測(cè)試方法，分析凍融過程中摻CWCPM混凝土微觀形貌及孔結(jié)構(gòu)的損傷演化規(guī)律，從本質(zhì)上揭示其凍融損傷劣化機(jī)理。研究結(jié)論可為CWCPM的推廣應(yīng)用及工廠化生產(chǎn)提供一定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持和理論參考，為混凝土的耐久性設(shè)計(jì)和優(yōu)化奠定一定的基礎(chǔ)，具有一定的理論和應(yīng)用價(jià)值。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 原材料

水泥選用秦嶺P.O42.5水泥，比表面積為365 m2/kg；粗集料為5～20 mm連續(xù)碎石；砂為細(xì)度模數(shù)為2.48的中砂。CWCPM由磚粉、粉煤灰、礦粉和堿激發(fā)劑按一定比例配制而成，磚粉、粉煤灰、礦粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為25%、25%、50%。其中粉煤灰和礦粉的比表面積分別為420 m2/kg和562 m2/kg，激發(fā)劑選用NaOH化學(xué)純(純度為98%)。CWCPM的密度和比表面積分別為2.82 g/cm3和480 m2/kg。圖1為CWCPM的掃描電鏡(SEM)圖。

圖1 CWCPM掃描電鏡圖

CWCPM化學(xué)組成主要為CaO、Al2O3、Fe2O3和SiO2，各組成物質(zhì)的質(zhì)量百分比分別為21.7%～25.5%、15.8%～18.5%、2.6%～4.0%和42.5%～37.5%。

1.2 試驗(yàn)方案

采用0.45、0.49和0.52 3種水灰比，CWCPM選用0%、20%、30%和40% 4種摻量。鹽溶液種類及濃度的確定主要考慮除冰鹽及NaCl的最不利鹽溶液濃度[15]，選用2.5%、3.5%和4.5% 3種，具體試驗(yàn)方案見表1。

表1 凍融試驗(yàn)方案

凍融試驗(yàn)方法借鑒美國規(guī)范ASTMC672—2012[16]。具體過程如下：成型100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，每組3個(gè)平行試件。1 d后脫模，標(biāo)養(yǎng)24 d后，浸入不同濃度NaCl溶液中 4 d；試驗(yàn)開始前，將試件在65 ℃的烘箱中烘干并測(cè)試初始質(zhì)量及抗壓強(qiáng)度，然后開始凍融試驗(yàn)；凍融循環(huán)制度為：首先將試件置于(-17.8±1.7)℃的低溫試驗(yàn)箱內(nèi)16～18 h，然后在溫度為(23.0±1.7)℃環(huán)境中融化6～8 h，此為1次凍融循環(huán)；每5次凍融循環(huán)后，記錄試件表面剝蝕情況和烘干測(cè)試試件的抗壓強(qiáng)度及凍融后質(zhì)量；更換鹽溶液，繼續(xù)進(jìn)行凍融試驗(yàn)，直至50個(gè)凍融循環(huán)。

選用單位面積剝蝕量和抗壓強(qiáng)度來評(píng)價(jià)混凝土的抗凍性能。單位面積剝蝕量計(jì)算公式如下：

Qs=m/A

(1)

式中：Qs為單位面積剝蝕量，kg/m2；以3個(gè)試件的平均值作為最后的試驗(yàn)結(jié)果；m為5n次鹽凍循環(huán)后試件的累計(jì)剝蝕量，kg；n分別為1，2，…，10；A為混凝土試件凍融面積，取值為6×10-2m2。

采用SEM和壓汞法研究鹽凍耦合作用下混凝土微、細(xì)觀結(jié)構(gòu)損傷演化規(guī)律，以揭示混凝土鹽凍損傷劣化機(jī)理，具體試驗(yàn)方案見表2。

表2 微、細(xì)觀試驗(yàn)方案

2 凍融損傷規(guī)律及演化模型的建立

2.1 不同因素作用下的混凝土損傷演化規(guī)律

圖2示出了水灰比對(duì)混凝土凍融損傷規(guī)律的影響。由圖可知，隨水灰比的減小，摻CWCPM混凝土的抗凍性能逐漸提高，與普通混凝土抗凍性能隨水灰比的變化規(guī)律一致。50次水凍循環(huán)后，當(dāng)水灰比由0.52降低到0.45時(shí)，試件單位面積剝蝕量降低31.1%，抗壓強(qiáng)度提高44.1%。這是由于隨水灰比的減小，試件內(nèi)部可凍水含量降低、孔結(jié)構(gòu)細(xì)化，宏觀性能如抗壓強(qiáng)度和抗?jié)B性能提高，降低了凍融介質(zhì)進(jìn)入試件內(nèi)部的概率，并提高了試件抵抗凍融破壞的能力，減小了試件內(nèi)部靜水壓和滲透壓，進(jìn)而提高了混凝土抵抗凍融破壞的能力。

圖3示出了CWCPM摻量對(duì)試件凍融損傷的影響。由圖可知，CWCPM對(duì)混凝土抵抗凍融損傷破壞有積極的作用，且存在最佳摻量30%。與基準(zhǔn)試件相比，經(jīng)50次凍融后，摻30%CWCPM混凝土單位面積剝蝕量降低27.1%，抗壓強(qiáng)度提高29.4%。這是由于CWCPM各粉體材料在堿激發(fā)劑及水泥水化的堿性環(huán)境作用下，礦粉首先發(fā)生水化反應(yīng)，然后粉煤灰、磚粉開始二次水化反應(yīng)，加之其較細(xì)的比表面積可改善膠凝材料的次顆粒級(jí)配與界面過渡區(qū)形貌，提高試件密實(shí)度，減少孔的連通性與原始缺陷，降低溶液在試件內(nèi)部的滲透?jìng)鬏斪饔门c試件內(nèi)部?jī)鋈趹?yīng)力。

(a)單位面積剝蝕量

(b)抗壓強(qiáng)度

Fig.2 Influence of water cement ratio on the results of water freezing test

此外，CWCPM中未水化磚粉和礦粉在水化初期可吸收部分水分，降低試件內(nèi)部飽水度與試件內(nèi)部泌水率，提高界面過渡區(qū)密實(shí)度；水化后期磚粉和礦粉所吸收的水分可釋放出來繼續(xù)參與水化，提高試件抵抗凍融破壞的能力。由凍融破壞機(jī)理可知，飽水度的降低可降低試件內(nèi)部的凍融破壞作用。通過上述兩方面的作用，CWCPM提高了試件的抗凍性能。

圖4示出了NaCl濃度對(duì)試件凍融損傷規(guī)律的影響。由圖4可知，與以往研究結(jié)論相似，NaCl的加入顯著加劇了摻CWCPM混凝土的凍融破壞。隨NaCl濃度的增加，試件抗凍性能出現(xiàn)先降低后提高的變化規(guī)律，存在最不利鹽溶液濃度3.5%。與水凍試件相比，50次凍融循環(huán)后，NaCl濃度為3.5%時(shí)，混凝土單位面積剝蝕量增加674.5%，抗壓強(qiáng)度降低42.2%。這是由于NaCl溶液的吸濕和保水作用大大增加了試件內(nèi)部負(fù)壓與溶液的吸入量，提高了試件內(nèi)部飽水度、結(jié)冰壓和結(jié)晶膨脹壓等破壞作用。此外，鹽溶液可與試件內(nèi)部水化產(chǎn)物反應(yīng)生成復(fù)鹽，破壞水化產(chǎn)物之間的平衡，且復(fù)鹽在試件表層膨脹，導(dǎo)致試件表面剝離與強(qiáng)度降低。當(dāng)鹽溶液濃度進(jìn)一步提高時(shí)，鹽溶液可明顯降低試件內(nèi)部可凍水冰點(diǎn)，提高溶液的可壓縮性，減緩試件的凍融破壞。

(a)單位面積剝蝕量

(b)抗壓強(qiáng)度

Fig.3 Influence of CWCPM content on the results of water freezing test

隨凍融次數(shù)的增加，試件凍融損傷程度逐漸增大，且凍融后期試件凍融損傷速率明顯加快。這是由于經(jīng)一定次數(shù)的凍融循環(huán)后，試件內(nèi)部產(chǎn)生一定數(shù)量的裂紋。裂縫的出現(xiàn)加劇了試件的飽水度與飽水區(qū)域，進(jìn)而加速了試件的凍融破壞。

2.2 凍融損傷演化模型的建立

在上述試驗(yàn)結(jié)果分析的基礎(chǔ)上，采用多元回歸分析方法，建立摻CWCPM混凝土抗凍性能損傷演化模型。首先定義凍融損傷變量D(n)：

(a)單位面積剝蝕量

(b)抗壓強(qiáng)度

Fig.4 Influence of the concentration of salt solution on the results of freezing test

Dn=1-f(n)/f0

(2)

式中：Dn為經(jīng)歷n次凍融循環(huán)后的混凝土強(qiáng)度損傷；f(n)為經(jīng)歷n次凍融循環(huán)后的混凝土抗壓強(qiáng)度；f0為未凍試件抗壓強(qiáng)度；

由單因素分析可知，水灰比(W)與單位面積剝蝕量Qs和Dn之間呈線性關(guān)系，CWCPM摻量(w)、鹽溶液濃度(q)、凍融循環(huán)次數(shù)(N)與Qs和Dn之間呈二次多項(xiàng)式關(guān)系。采用origin數(shù)據(jù)分析軟件，以Qs和凍融損傷變量Dn為因變量，以W、w、q和N為自變量，建立多因素作用下的摻CWCPM混凝土單位面積剝蝕量Qs和凍融損傷變量Dn的定量數(shù)學(xué)模型。Qs和Dn與各因素之間的定量關(guān)系模型見式(3)和式(4)：

Qs=-2.74+5.33W-7.04w+13.36w2+

130.84q-1 797.16q2-0.034N+0.0024N2

(3)

Dn=-25.77+49.96W-21.1w+38.32w2+

717.26q-9 862.63q2-0.22N+0.019N2

(4)

查統(tǒng)計(jì)分析表可得F(α=0.05)(7，132)=2.01。由回歸結(jié)果可知Qs和Dn的F值分別為50.67、103.45，均大于2.01。式(3)和(4)決定系數(shù)r2分別為0.714和0.838。說明摻CWCPM混凝土單位面積剝蝕量Qs、凍融損傷變量Dn與水灰比、CWCPM摻量、鹽溶液濃度、凍融循環(huán)次數(shù)之間存在顯著的定量關(guān)系，式(3)和(4)可以較精確地對(duì)混凝土抗凍性能進(jìn)行定量預(yù)測(cè)。模型的建立可為CWCPM在混凝土中的推廣應(yīng)用奠定一定的基礎(chǔ)，并為鹽凍耦合作用下?lián)紺WCPM混凝土耐久性設(shè)計(jì)及壽命預(yù)測(cè)提供依據(jù)與參考。但上述模型只適用于水灰比在0.45～0.52、CWCPM摻量在 0～40%、NaCl濃度在0～4.5%范圍內(nèi)混凝土抗凍性能的預(yù)測(cè)。下一步應(yīng)豐富相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)一步修正。

3 摻CWCPM混凝土的鹽凍損傷機(jī)理

3.1 凍融過程中孔結(jié)構(gòu)的損傷演化規(guī)律

10次凍融循環(huán)后，摻0%和30%CWCPM混凝土孔隙參數(shù)及孔徑分布試驗(yàn)結(jié)果見表3。由表3可知，10次凍融后，CWCPM的微集料、填充和二次水化反應(yīng)細(xì)化了混凝土孔結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為總孔隙含量、孔隙率、中值孔徑及平均孔徑的降低[17]。與基準(zhǔn)試件相比，摻30%CWCPM試件總孔隙面積提高45.1%，總孔隙含量、面積中值孔徑、平均孔徑和孔隙率分別降低13.3%、23.4%、20.1%和9.4%。CWCPM改善了混凝土內(nèi)部孔徑的分布情況，與基準(zhǔn)試件相比，經(jīng)歷10次凍融循環(huán)后，摻30%CWCPM試件的凝膠孔含量增加18.6%，過渡孔及大孔含量分別降低21.4%和19.5%，毛細(xì)孔含量變化較小。

表3 10次凍融循環(huán)后CWCPM摻量對(duì)混凝土孔結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響

因此，CWCPM主要通過降低試件內(nèi)部過渡孔及大孔含量，進(jìn)而降低試件的總孔隙含量?；炷量捉Y(jié)構(gòu)的細(xì)化及內(nèi)部凝膠孔含量的提高，一方面可降低試件內(nèi)部可凍水冰點(diǎn)，縮短水分遷移行程，減小試件內(nèi)部?jī)鋈趹?yīng)力；另一方面，混凝土孔結(jié)構(gòu)的細(xì)化，可提高試件內(nèi)部密實(shí)度與強(qiáng)度，進(jìn)而提高試件抵抗凍融破壞的能力。過渡孔與大孔含量的降低，可降低凍融介質(zhì)進(jìn)入試件內(nèi)部的概率，減小試件內(nèi)部?jī)鋈谄茐膽?yīng)力，降低混凝土的凍融損傷程度[18]。

總之，CWCPM改善了試件微觀形貌并細(xì)化了其孔結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高了混凝土的宏觀抗凍性能。這是由于CWCPM是由不同細(xì)度不同活性的粉體材料組成，各粉體材料之間產(chǎn)生一定的復(fù)合疊加效應(yīng)，如“增強(qiáng)效應(yīng)”、“密實(shí)堆積效應(yīng)”、“火山灰效應(yīng)”等，克服了單一磚粉活性較低、吸水率較大等諸多不足。

表4示出了凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)摻CWCPM混凝土孔隙參數(shù)及孔徑分布的影響規(guī)律。由表4可知，隨凍融次數(shù)的增加，試件內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)逐漸劣化，且凍融后期孔結(jié)構(gòu)劣化速率加快。與0次凍融循環(huán)相比，經(jīng)10次/20次凍融后，總孔隙面積降低14.5%/34.3%；面積中值孔徑、平均孔徑和孔隙率分別提高17.5%/63.1%、15.1%/38.8%和32.2%/71.5%。經(jīng)歷10次和20次凍融循環(huán)后，摻CWCPM試件總孔隙含量分別增大10.8%和32.03%，毛細(xì)孔含量分別增大101.1%和236.3%，大孔含量分別增加14.1%和63.1%。由上述分析可知，摻CWCPM混凝土總孔隙含量的增加主要是由于試件內(nèi)部毛細(xì)孔與大孔含量的增加。這是由于凍融破壞應(yīng)力作用下，試件內(nèi)部毛細(xì)孔逐漸發(fā)生擴(kuò)展形成大孔。結(jié)合SEM結(jié)果可知，當(dāng)凍融次數(shù)較少時(shí)，試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為致密，孔結(jié)構(gòu)的劣化程度較小。隨凍融次數(shù)的增加，試件凍融損傷逐漸積累，內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸松散并產(chǎn)生一定數(shù)量的長(zhǎng)裂縫，導(dǎo)致孔結(jié)構(gòu)的劣化程度增大。而孔結(jié)構(gòu)的劣化，增加了孔的連通性與裂紋數(shù)量，降低了試件密實(shí)度，進(jìn)一步加劇摻CWCPM混凝土的凍融破壞。

表5示出了10次循環(huán)后鹽溶液濃度對(duì)摻CWCPM混凝土孔隙參數(shù)及孔徑分布的影響。由表可知，鹽凍耦合作用顯著提高了摻CWCPM混凝土總孔隙、毛細(xì)孔和大孔的含量，加劇了混凝土孔結(jié)構(gòu)的劣化，對(duì)凝膠孔和過渡孔含量的影響較小。與水凍試件相比，3.5%鹽凍作用下試件面積中值孔徑降低37.3%，面積中值孔徑、平均孔徑和孔隙率分別增大86.8%、42.7%和46.9%，試件總孔隙含量、毛細(xì)孔含量、大孔含量分別增加77.8%、265.8%和216.0%。這是由于在鹽溶液產(chǎn)生的靜水壓、滲透壓和結(jié)晶壓等綜合破壞作用下，試件內(nèi)部孔被撐開，孔隙逐漸劣化、擴(kuò)展?？捉Y(jié)構(gòu)的劣化，為凍融介質(zhì)進(jìn)入試件內(nèi)部提供滲透通道，增大了試件內(nèi)部?jī)鋈谄茐膽?yīng)力，進(jìn)而增大試件的宏觀凍融損傷程度。

表4 凍融次數(shù)對(duì)CWCPM混凝土孔結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響

表5 NaCl濃度對(duì)CWCPM混凝土孔結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響

由前述摻CWCPM混凝土宏觀抗凍性能及微細(xì)觀劣化規(guī)律可知，摻CWCPM混凝土的抗凍性能與其內(nèi)部微觀形貌、孔結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)?？傊瑑鋈谧饔孟?lián)紺WCPM混凝土宏觀力學(xué)及表面性能衰減、劣化的實(shí)質(zhì)是其內(nèi)部微觀形貌及孔結(jié)構(gòu)連續(xù)損傷演化的唯象表征，是其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)由致密到松散、孔結(jié)構(gòu)逐漸劣化的物理變化過程，是試件內(nèi)部裂紋、孔隙等缺陷產(chǎn)生、擴(kuò)展直至破壞的損傷積累過程。

3.2 凍融過程中混凝土的微觀形貌劣化規(guī)律

圖5示出了10次凍融循環(huán)后摻0%和30%CWCPM混凝土內(nèi)部形貌圖。由圖5可知，10次凍融循環(huán)后，混凝土內(nèi)部均產(chǎn)生一定數(shù)量的微裂紋，摻CWCPM混凝土微裂紋數(shù)量和寬度與基準(zhǔn)試件相比有所降低。這是由于CWCPM較細(xì)的比表面積可改善水泥的次顆粒級(jí)配，提高試件密實(shí)度；且其二次水化反應(yīng)可改善試件內(nèi)部水化產(chǎn)物組成與形貌。

對(duì)比圖5試件內(nèi)部微觀形貌可知，基準(zhǔn)試件水化產(chǎn)物主要為Ca(OH)2，C-S-H凝膠的含量較少；而摻30%CWCPM試件水化產(chǎn)物較為豐富，C-S-H凝膠含量增加，且互相搭接形成致密網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成可提高試件內(nèi)部密實(shí)度，分散裂紋的尖端應(yīng)力，抑制裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展，進(jìn)而降低裂縫數(shù)量與寬度[19]?；炷羶?nèi)部裂縫數(shù)量與寬度的降低，可降低凍融介質(zhì)進(jìn)入試件內(nèi)部的概率，提高混凝土抵抗凍融破壞的能力，與宏觀試驗(yàn)結(jié)果CWCPM的摻入提高了混凝土的抗凍性能相吻合。

圖6示出了經(jīng)歷0次、10次、20次水凍循環(huán)后混凝土的微觀形貌圖。由圖可知，隨凍融次數(shù)的增加，摻CWCPM混凝土內(nèi)部水化產(chǎn)物種類及數(shù)量未發(fā)生明顯的變化，但裂縫數(shù)量及寬度有所增加。凍融早期(10次凍融循環(huán))試件內(nèi)部微觀形貌、裂縫數(shù)量及寬度與基準(zhǔn)試件相比相差不大，而凍融后期試件內(nèi)部有較多長(zhǎng)裂紋產(chǎn)生，裂紋寬度增加，部分裂紋互相貫通，且試件內(nèi)部出現(xiàn)一些鹽的結(jié)晶體。這是由于隨凍融次數(shù)的增加，凍融破壞應(yīng)力對(duì)試件造成的損傷逐漸積累，導(dǎo)致試件內(nèi)部裂紋數(shù)量增加并逐漸擴(kuò)展形成貫通裂縫。裂縫的存在為凍融介質(zhì)進(jìn)入試件內(nèi)部提供滲透通道，而且在凍融應(yīng)力的作用下，裂縫周圍產(chǎn)生尖端應(yīng)力，進(jìn)一步加劇試件凍融破壞。

圖7示出了NaCl濃度對(duì)摻CWCPM混凝土微觀形貌的影響。由圖7可知，與水凍試件相比，鹽凍耦合作用下?lián)紺WCPM混凝土內(nèi)部微觀形貌較為松散，裂紋數(shù)量及寬度增加，且存在一定數(shù)量的花狀鹽結(jié)晶體。鹽溶液產(chǎn)生的濃度梯度、鹽結(jié)晶導(dǎo)致的膨脹力和凍融應(yīng)力的疊加作用是混凝土裂縫產(chǎn)生及擴(kuò)展的主要因素。試件內(nèi)部裂縫的產(chǎn)生及擴(kuò)展導(dǎo)致試件剛度降低，宏觀上表現(xiàn)為試件單位面積剝蝕量的增加和抗壓強(qiáng)度的降低[20]。

(a)基準(zhǔn)試件

(b)摻30%CWCPM試件

Fig.5 Influence of CWCPM content on the microscopic appea-rance of concrete after freeze-thaw cycles

(a)0次

(b)10次

(c)20次

Fig.6 Influence of the number of freezing-thawing cycles on the microscopic appearance of concrete

(b)NaCl濃度為3.5%

Fig.7 Influence of the concentration of salt solution on the microscopic appearance of concrete

4 結(jié)論

(1)隨水灰比的增大、凍融循環(huán)次數(shù)的提高和除冰鹽的加入加劇了混凝土的凍融損傷破壞，CWCPM的摻入提高了混凝土抵抗凍融破壞的能力。單位面積剝蝕量和凍融損傷變量式(3)和(4)可以較精確地對(duì)混凝土抗凍性能進(jìn)行定量預(yù)測(cè)。

(2)CWCPM的摻入降低了混凝土內(nèi)部微裂紋數(shù)量與寬度，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加與鹽溶液的加入，試件內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)逐漸松散，裂縫數(shù)量及寬度有所增加。

(3)CWCPM的摻入細(xì)化了凍融過程中混凝土的孔結(jié)構(gòu)；隨凍融次數(shù)的增加，混凝土孔結(jié)構(gòu)劣化程度增加；鹽溶液加劇了混凝土孔結(jié)構(gòu)的劣化。與水凍試件相比，3.5%鹽凍作用下混凝土平均孔徑和孔隙率分別增大42.7%和46.9%。

(4)摻CWCPM混凝土凍融破壞的實(shí)質(zhì)是其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)由致密到松散、孔結(jié)構(gòu)逐漸劣化的物理變化過程，是試件內(nèi)部裂紋、孔隙等缺陷產(chǎn)生、擴(kuò)展直至破壞的損傷積累過程。