透水混凝土微細(xì)觀凍融損傷研究進(jìn)展

趙洪凱，耿慶林，任偉

(吉林建筑大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118)

隨著海綿城市的提出，引來社會(huì)各界廣泛關(guān)注，將海綿城市下透水混凝土應(yīng)用到城市建設(shè)規(guī)劃中，在居住區(qū)建筑、道路、綠化等方面有著極大的應(yīng)用空間，對(duì)提高水資源利用、緩解城市內(nèi)澇災(zāi)害以及推動(dòng)城市健康發(fā)展具有重要的意義[1-2]。但透水混凝土與傳統(tǒng)路面相比強(qiáng)度較低，因此僅限用于人行道、停車場(chǎng)等低交通量道路鋪設(shè)[3]。與此同時(shí)，內(nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)使其極易遭受水凍結(jié)而產(chǎn)生壓力破壞[4-5]，使整體耐久性變差，外加上除冰鹽[6]、外部荷載[7]以及干濕循環(huán)[8]與凍融的耦合作用，導(dǎo)致微細(xì)觀形態(tài)下凍融損傷呈多樣性，造成其在嚴(yán)寒地區(qū)很難大面積推廣使用。而在我國(guó)有相對(duì)較大地區(qū)位于嚴(yán)寒地帶，并有不少透水混凝土路面均產(chǎn)生了凍融破壞，導(dǎo)致耐久性急劇下降。為進(jìn)一步推進(jìn)海綿城市建設(shè)，對(duì)透水混凝土微細(xì)觀凍融損傷機(jī)理及凍融損傷因素等研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)是非常必要的。通過系統(tǒng)綜述透水混凝土凍融損傷相關(guān)問題，旨在為我國(guó)透水混凝土抗凍性方面的理論研究提供一定參考。

1 透水混凝土細(xì)觀凍融損傷機(jī)理

透水混凝土(Pervious Concrete,簡(jiǎn)稱PC)的抗凍性是反映其耐久性的重要指標(biāo)之一，當(dāng)透水路面在經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間凍融破壞時(shí)，會(huì)發(fā)生表層剝落、疏松等破壞現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起強(qiáng)度下降甚至直接斷裂，目前對(duì)于透水混凝土凍融損傷機(jī)理的解釋主要為水泥漿體的破壞和骨料水泥界面的破壞。對(duì)于水泥漿體的破壞，美國(guó)學(xué)者T C Powers等提出的靜水壓和滲透壓理論最為認(rèn)可。對(duì)于骨料水泥界面的破壞，向君正等[9]采用掃描電鏡(SEM)觀察透水混凝土微觀形態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)經(jīng)100次凍融循環(huán)后水泥漿體的質(zhì)量、強(qiáng)度、孔結(jié)構(gòu)并沒有產(chǎn)生很大變化，而界面處在凍融循環(huán)下使骨料水泥之間產(chǎn)生裂縫并持續(xù)擴(kuò)展，因此推翻了透水混凝土凍融循環(huán)下水泥漿體優(yōu)先破壞理論，并說明凍融損傷主要來源于骨料水泥界面的劣化。骨料水泥界面破壞的觀點(diǎn)與文獻(xiàn)[10-11]說法一致。

2 透水混凝土凍融損傷評(píng)價(jià)依據(jù)

透水混凝土由于內(nèi)部多孔，所以會(huì)產(chǎn)生較大的凍融損傷，在經(jīng)歷凍融循環(huán)后斷裂韌度以及斷裂能均會(huì)急劇下降[12]。凍融對(duì)透水混凝土的力學(xué)性質(zhì)也有很大的影響，其主要表現(xiàn)為：抗壓、抗彎、斷裂韌度和質(zhì)量損耗等方面宏微觀損傷。對(duì)于再生骨料透水混凝土(RAPC)，在同樣的凍融循環(huán)下，RA的替代率愈高，其相對(duì)動(dòng)彈性模量及強(qiáng)度的下降幅度愈大，依次為抗折強(qiáng)度>抗壓強(qiáng)度>相對(duì)動(dòng)彈模量[13-14]?，F(xiàn)階段對(duì)于透水混凝土凍融損傷評(píng)估大多集中于質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量。

有研究發(fā)現(xiàn)，在凍融循環(huán)中，透水混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量降低速度要快于質(zhì)量損失，并認(rèn)為應(yīng)以相對(duì)動(dòng)彈性模量來衡量其抗凍融性[4,15]。劉肖凡等[16]認(rèn)為凍融循環(huán)評(píng)價(jià)應(yīng)該以質(zhì)量損失率為主，相對(duì)動(dòng)彈性模量為輔。而吉林大學(xué)羅國(guó)寶[17]則認(rèn)為透水混凝土具有高的孔隙度，凍融造成的損傷多會(huì)被其多孔結(jié)構(gòu)所遮蔽，且在測(cè)試期間，由于試樣的質(zhì)量通常變化較小；因此，在凍融期間，當(dāng)試樣的表面有明顯裂紋時(shí)，應(yīng)記錄此時(shí)凍融循環(huán)次數(shù)。

3 影響透水混凝土凍融損傷的主要因素

影響透水混凝土凍融損傷的因素有很多，如透水混凝土有無外加劑、有無礦物細(xì)摻料、水灰比和骨料粒徑等，除了以上材料組成方面，透水混凝土凍融循環(huán)下界面過渡區(qū)、宏微觀孔隙及孔結(jié)構(gòu)與凍融損傷也存在一定的關(guān)系。

透水混凝土孔隙主要由宏觀孔隙和微觀孔隙組成，兩者都會(huì)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸受到破壞，導(dǎo)致強(qiáng)度降低，抗凍性下降。對(duì)于微觀孔隙，有研究表明其微孔大小與耐久性有直接關(guān)系[18]；且透水混凝土在凍融過程中，膠凝材料中的微孔隙水由于凍結(jié)而發(fā)生擴(kuò)張，必須沿著樣品的邊緣擠壓過多的水分或使其擴(kuò)張，從而形成裂紋，造成凍融損傷[19]；在凍融循環(huán)過程中，膠凝材料中孔結(jié)構(gòu)50～200 nm微孔先急劇減少后增多，20～50 nm微孔則表現(xiàn)相反[9]。對(duì)于宏觀孔隙，石廣順[20]運(yùn)用有限元分析了在不同形狀的孔內(nèi)凍脹破壞，發(fā)現(xiàn)在上部表層處的封閉孔內(nèi)，圓孔的凍結(jié)膨脹應(yīng)力峰正好在其表面上方，而多邊形在幾何棱角處；相鄰閉合孔隙附近存在著一個(gè)應(yīng)力損傷區(qū)，“貫通”損傷區(qū)的孔隙更易發(fā)生裂紋和脫落。

透水混凝土的多孔結(jié)構(gòu)相比與普通混凝土，其骨料與膠凝材料間的界面過渡區(qū)更容易遭受凍融而產(chǎn)生損傷。Vancura等[21]通過對(duì)嚴(yán)寒區(qū)域路面測(cè)試，認(rèn)為骨料與膠凝材料接觸面存在可能為凍融引起的裂縫，從而推測(cè)出其凍融劣化是由界面過渡區(qū)引起。向君正等[9]采用SEM技術(shù)對(duì)透水混凝土的表面形態(tài)演化進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)透水混凝土骨料水泥界面由于凍結(jié)膨脹和溫度應(yīng)力的綜合影響會(huì)形成裂紋，裂紋不斷擴(kuò)展，從而影響抗凍性。

透水混凝土宏微觀孔隙和界面過渡區(qū)均會(huì)不同程度影響透水混凝土抗凍性，宏微觀孔隙結(jié)構(gòu)和界面過渡區(qū)是影響透水混凝土抗凍性的關(guān)鍵因素，原材料則是制備凍融性能優(yōu)良透水混凝土的首要因素。優(yōu)選原材料主要是為了提升透水混凝土宏微觀孔隙結(jié)構(gòu)和界面過渡區(qū)性能，從而優(yōu)化透水混凝土抗凍性，減緩凍融損傷。

4 透水混凝土凍融損傷的改善措施

透水混凝土的凍融損傷優(yōu)化主要從原材料入手，改善其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而間接緩解凍融損傷程度。

對(duì)于礦物摻合料，現(xiàn)有研究表明硅灰、納米SiO2、粉煤灰、粒化高爐礦渣、礦粉等作摻合料可使微觀結(jié)構(gòu)孔隙較大程度的被填充，對(duì)于界面過渡區(qū)的增強(qiáng)有顯著效果；且何銳等[22]發(fā)現(xiàn)硅灰對(duì)于膠凝材料的增強(qiáng)要大于粉煤灰、礦粉。Bilal等[23]認(rèn)為水泥水化物中的鈣離子浸出是導(dǎo)致透水混凝土耐久性退化的主要原因，硅灰和偏高嶺土可有效抑制水泥水化物中鈣離子浸出。Tarangini等[24]通過納米二氧化硅(NS)等質(zhì)量替代水泥制備透水混凝土，發(fā)現(xiàn)NS的摻入可以充分優(yōu)化孔結(jié)構(gòu)，使微孔被填充更密實(shí)。

對(duì)于骨料，周書林等[25]認(rèn)為透水混凝土凍融損傷會(huì)隨著砂取代率的增加，內(nèi)部孔隙的凍脹力得到降低，從而可以有效降低抗壓強(qiáng)度損失率，且經(jīng)100次凍融循環(huán)后，8%砂取代率情況下抗壓強(qiáng)度損失率最低。付建等[26]認(rèn)為45%橡膠顆粒摻入混凝土?xí)r，其表觀密度會(huì)降低13.5%，抗壓強(qiáng)度降低53.1%。Liu等[27]發(fā)現(xiàn)橡膠顆粒粒徑越小其比表面積越大，高比表面積的橡膠會(huì)產(chǎn)生大量的微孔隙，有助于凍結(jié)而增加的水量被更好的吸收，從而減少凍融造成的破壞。Kevern等[28]直接使用預(yù)濕輕骨料替代部分細(xì)骨料制備透水混凝土，發(fā)現(xiàn)預(yù)濕骨料會(huì)對(duì)透水混凝土實(shí)施一定的內(nèi)養(yǎng)護(hù)，90 d水化程度可增加約10%，從而可以有效提高其抗凍性。

對(duì)于聚合物改性，Zou等[29]在保證透水混凝土抗壓強(qiáng)度不降低的前提下，利用硅烷改性提高凍融耐久性，發(fā)現(xiàn)硅烷表面改性再生骨料可以形成疏水硅膜防止水分在骨料表面積聚，從而會(huì)使骨料水泥界面形成致密結(jié)構(gòu)和更多C-S-H凝膠，提高抗凍性；然而硅烷水泥基體整體改性雖然也會(huì)對(duì)抗凍性增強(qiáng)，但由于水泥顆粒表面存在疏水性酮膜，水泥水化受到限制，水泥基體孔隙率增加，導(dǎo)致性能下降。鄭斌等[30]通過硅酸鹽-硅烷改性用于普通混凝土制備，發(fā)現(xiàn)經(jīng)處理后的混凝土內(nèi)結(jié)構(gòu)密實(shí)，表面也會(huì)生成疏水膜，從而可以有效提升抗凍性能。

對(duì)于引氣劑，高鵬[31]認(rèn)為加入引氣劑摻量(最佳摻量0.06%)會(huì)直接影響水泥基內(nèi)部氣孔間距，當(dāng)水泥基內(nèi)部氣孔孔間距適當(dāng)時(shí)，在不過大破壞水泥基強(qiáng)度的前提下，可以釋放凍融循環(huán)引起的膨脹應(yīng)力；但當(dāng)孔間距過小，孔洞密度過大時(shí)，會(huì)使水泥基的強(qiáng)度降低過多。

對(duì)于增強(qiáng)劑，姜騫等[32]認(rèn)為隨著增強(qiáng)劑摻量的增加，凍融而導(dǎo)致的質(zhì)量損失率得到有效降低，對(duì)抗凍性有一定的改善作用，以標(biāo)準(zhǔn)樣品為基礎(chǔ)，8 kg/m3增強(qiáng)劑加入透水混凝土可增加約25個(gè)凍融循環(huán)；增強(qiáng)劑會(huì)在初期消耗大量的氫氧化鈣，從而加速水泥的水化，使?jié){體更加密實(shí)，漿體和ITZ處微觀孔隙被逐步填充，相比于后期，前期強(qiáng)化效果(1 d增加50%左右)更加顯著。

對(duì)于抗裂劑，Chen等[33]在鋼渣透水混凝土(SSPC)中加入抗裂劑(ACA)，研究SSPC與ACA的力學(xué)性能和微觀特性的關(guān)系，通過X射線衍射儀、傅里葉紅外光譜儀中發(fā)現(xiàn)水化產(chǎn)物大多含有C-S-H和Ca(OH)2，ACA含量越高，C-S-H的聚合度越高，從而有助于提高SSPC強(qiáng)度、抗裂性和耐久性，0.3%的ACA用量最佳。

對(duì)于纖維，楊航[34]使用聚丙烯纖維和玄武巖纖維單摻復(fù)摻研究其對(duì)透水混凝土抗凍性的影響，發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維可以一定程度上阻止凍融過程中水泥石的脫落，玄武巖纖維大多呈現(xiàn)豎狀布置因此導(dǎo)致脫落后的孔隙較大，但兩者復(fù)摻可以有效提高抗裂性，從而減緩凍融破壞的速率。Nassiri等[35]通過固化碳纖維復(fù)合材料(CCFCM)研究其對(duì)透水混凝土抗凍性的影響，結(jié)果表明，摻入體積比為1%或2%的 CCFCM 均可以顯著提高抗凍性。

對(duì)于成型方式，Li等[36]通過振動(dòng)臺(tái)、馬歇爾壓實(shí)和超穴旋轉(zhuǎn)壓實(shí)機(jī)( SGC )三種方法制備了3種目標(biāo)孔隙率的透水混凝土試樣,研究成型方式對(duì)試樣物理性能、力學(xué)性能和耐久性能的影響，發(fā)現(xiàn)馬歇爾壓實(shí)和SGC壓實(shí)會(huì)使混凝土強(qiáng)度和膠凝材料均勻分布，以及過程中的顆粒尺寸分布均勻，其中SGC是獲得高滲透性、抗凍融性好、強(qiáng)度高的混凝土的最佳選擇,其次是馬歇爾擊實(shí)成型,最后是振動(dòng)成型。

5 透水混凝土凍融損傷與其他因素耦合作 用的研究

5.1 凍融與除冰鹽耦合作用

城市道路為了防止冬季積雪結(jié)冰，通常會(huì)在路面撒鹽降低冰點(diǎn)去除冰雪，而鹽分的濃度差受凍時(shí)會(huì)因分層結(jié)冰而產(chǎn)生滲透壓造成破壞。一般來說，水凍對(duì)透水混凝土初期凍融損傷影響較大，而除冰鹽對(duì)透水混凝土后期凍融損傷影響較大。對(duì)于除冰鹽濃度，F(xiàn)eng等[37]研究高強(qiáng)自密實(shí)透水混凝土(SCPC)在不同除鹽濃度下抗凍性。發(fā)現(xiàn)浸泡在20%NaCl溶液中的SCPC相較于3%NaCl溶液中凍融損傷不明顯。對(duì)于除冰鹽破壞程度，Tsang等[38]用氯化鈣水溶液、氯化鈉溶液、氯化鎂溶液、清水等不同的冷凍融化作用對(duì)透水混凝土的凍結(jié)、融化過程進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，在同等的條件下，氯化鈉和氯化鈣對(duì)透水混凝土的破壞最為明顯;在經(jīng)過50次的凍融后，樣品的重量損失可達(dá)到5%,經(jīng)過100次凍融后，其重量損失超過20%。針對(duì)氯化鎂除冰，Almeida等[39]提出了一種可以降低氯化鎂對(duì)透水混凝土損傷的方法，認(rèn)為經(jīng)過碳酸氫鈉( NaHCO3)溶液處理后的透水混凝土，可以阻礙MgCl2除冰劑與水泥砂漿中氫氧化物之間的化學(xué)反應(yīng)，提高其抵抗氯化鎂侵蝕能力。

不同除冰鹽對(duì)于透水混凝土微觀孔隙會(huì)產(chǎn)生不同程度的損傷，使骨料與凝膠體之間的黏結(jié)強(qiáng)度降低，漿體逐漸變得松散。大量研究表明，氯化鈣對(duì)于透水混凝土的損害最大；而高濃度的除冰鹽需達(dá)到較低的冰點(diǎn)才會(huì)結(jié)冰，從而對(duì)內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)施加滲透壓，所以較低濃度的除冰鹽(2%～8%)更易造成凍融破壞。

5.2 凍融與疲勞荷載耦合作用

凍融與疲勞荷載耦合會(huì)明顯加速ITZ處裂紋的劣化速度，同時(shí)也會(huì)使微裂紋結(jié)構(gòu)變得更復(fù)雜[7]。Gong等[40]采用剛性彈簧法對(duì)混凝土進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析。采用不同的凍融循環(huán)次數(shù)和不同的破壞形式，對(duì)凍融破壞的混凝土進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)，結(jié)果表明，隨著凍融破壞程度的增大，其疲勞壽命逐漸下降。

羅國(guó)寶[17]通過三點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)和凍融循環(huán)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)應(yīng)力水平相同時(shí)，透水混凝土相同疲勞循環(huán)時(shí)的疲勞損傷會(huì)隨著初始損傷的增大而增大；當(dāng)疲勞損傷相同時(shí)，凍融次數(shù)與疲勞壽命呈反比，并建立了關(guān)于疲勞損傷隨循環(huán)數(shù)的相關(guān)方程。

疲勞荷載分析是評(píng)價(jià)透水混凝土疲勞壽命和材料性能的重要方法，國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于凍融與疲勞荷載的耦合造成的破壞研究甚少，綜合現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)ITZ處在經(jīng)受兩者耦合作用時(shí)會(huì)加速微觀裂紋的衍變，使內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)逐漸斷裂，從而最終遭受破壞。

5.3 凍融與干濕循環(huán)耦合作用

凍融-酸雨干濕循環(huán)可導(dǎo)致樣品產(chǎn)生鈣、硫元素，侵蝕區(qū)變得粗糙，并形成大簇針狀鈣礬石晶體，并從中間向外放射；且質(zhì)量損失率、超聲波波速損失和透水性呈現(xiàn)梯狀上升，相對(duì)動(dòng)彈性模量快速下降[8]。

Gao等[41]采用干-濕循環(huán)法模擬了酸雨的侵蝕作用，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過酸雨侵蝕后的透水混凝土孔隙中存在更多的晶體，抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度相比于對(duì)照組分別降低了30.7%和40.8%。且隨著酸雨浸泡時(shí)間的一直延長(zhǎng)，反應(yīng)后溶液的pH值會(huì)慢慢變小，透水混凝土質(zhì)量、強(qiáng)度損失和透水系數(shù)也會(huì)逐漸增大[42]。

通過分析國(guó)內(nèi)外關(guān)于透水混凝土凍融-干濕循環(huán)耦合作用發(fā)現(xiàn)內(nèi)部微觀孔隙率先會(huì)受到酸雨的侵蝕，在孔隙內(nèi)部產(chǎn)生大量鈣礬石晶體，促使孔隙處強(qiáng)度逐漸降低，再加上凍融造成的孔隙壓力，從而使透水混凝土凍融破壞更加嚴(yán)重。

6 結(jié)論

透水混凝土作為一種新型建筑材料，引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。而凍融損傷一直是影響其在嚴(yán)寒地區(qū)使用的主要因素，通過分析總結(jié)國(guó)內(nèi)外透水混凝土微細(xì)觀凍融損傷研究現(xiàn)狀，以便更好的提升內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)性能，使其在全國(guó)大范圍推廣使用，但如下問題應(yīng)該引起重視：

(1)雖然目前已經(jīng)有大量的宏微觀研究對(duì)透水混凝土的抗凍性能進(jìn)行探討，但還需要從微觀層面深入探討改性機(jī)理和水化規(guī)律，研究其對(duì)微觀孔隙的影響，為制備高凍融耐久性透水混凝土奠定基礎(chǔ)。

(2)目前，研究學(xué)者們對(duì)透水混凝土凍融與荷載耦合作用雖有涉及，但相關(guān)研究成果較少，需繼續(xù)對(duì)兩者耦合進(jìn)行一定的微觀結(jié)構(gòu)分析，并建立凍融與疲勞荷載相關(guān)方程，為實(shí)際過程中的應(yīng)用提供參考。

(3)不同的顆粒級(jí)配會(huì)形成各種形狀的孔隙，而不同形狀的孔隙在凍融下也會(huì)產(chǎn)生不同程度的破壞，但無法準(zhǔn)確描述孔隙實(shí)際形狀，孔隙特征不好說明，應(yīng)根據(jù)模擬凍融損傷進(jìn)一步判斷孔隙形狀及大小，并分析孔隙形狀與透水混凝土微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。

(4)對(duì)于透水混凝土與其他因素的耦合作用，盡管現(xiàn)階段研究者模擬了多種情況的耦合，但普遍認(rèn)為透水混凝土的多孔結(jié)構(gòu)極易遭受堵塞，當(dāng)內(nèi)部出現(xiàn)孔隙堵塞后產(chǎn)生凍融，對(duì)界面過渡區(qū)處微觀結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生一定影響，但是針對(duì)此現(xiàn)象，很少有文獻(xiàn)闡述。