孔結(jié)構(gòu)參數(shù)特性對高性能混凝土抗凍性影響研究

孔靖勛

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽市 110166)

0 引言

凍融破壞是影響我國北方地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要原因，在過去幾十年里，各國對混凝土的凍融破壞進(jìn)行了大量研究[1]，研究表明：引起混凝土凍融破壞的主要原因是混凝土內(nèi)毛細(xì)孔水的滲脹作用和凍脹作用，過冷水在混凝土內(nèi)部發(fā)生遷移及可凍水結(jié)冰膨脹，都會(huì)引起混凝土內(nèi)部壓力增大，當(dāng)壓力超過混凝土能承受的極限應(yīng)力時(shí)，混凝土內(nèi)部將會(huì)出現(xiàn)微裂紋，隨著微裂紋逐漸擴(kuò)展并互相連通，便會(huì)降低混凝土強(qiáng)度，造成混凝土破壞?？捉Y(jié)構(gòu)是混凝土微觀結(jié)構(gòu)的重要組成部分，對混凝土的長期耐久性有著重要的影響。隨著孔徑尺寸的增大，即混凝土內(nèi)部孔隙由超微孔→微毛細(xì)孔→大毛細(xì)孔變化，混凝土的抗凍性、抗?jié)B性和自收縮等主要耐久性能是一個(gè)由好變差、再重新變好的重復(fù)過程[2]，所以通過微觀結(jié)構(gòu)來表征混凝土的抗凍能力，研究混凝土的孔結(jié)構(gòu)十分重要。

目前，研究混凝土孔結(jié)構(gòu)與抗凍性的資料較多，硬化混凝土氣泡間距系數(shù)能夠表征混凝土在水分入侵后對凍結(jié)應(yīng)力的抵抗能力[3-4]，但多數(shù)是采用氣泡參數(shù)顯微鏡測定氣泡間距系數(shù)來粗略表征混凝土的抗凍性，對混凝土內(nèi)部各孔徑大小、孔徑分布等情況研究較少。結(jié)合遼寧中部環(huán)線鐵嶺至本溪高速公路高性能混凝土(High Performance Concrete)的孔結(jié)構(gòu)和抗凍性進(jìn)行分析，為二者之間的規(guī)律研究提供依據(jù)。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

(1)水泥(C)：遼寧恒威水泥集團(tuán)有限公司，普通硅酸鹽水泥(P·O 42.5)。

(2)粉煤灰(FA)：遼寧華電鐵嶺有限公司，Ⅰ級粉煤灰。

(3)礦渣粉(K)：本溪永星新型建筑材料有限公司，S95礦渣粉。

(4)粗集料(G)：鐵嶺八家子興盛采石場5～10mm、10～20mm碎石，壓碎值14.2%，合成表觀密度2760kg/m3。

(5)細(xì)集料(S)：鐵嶺白旗寨砂場，細(xì)度模數(shù)2.85， II區(qū)中砂，表觀密度2590kg/m3。

(6)減水劑：北京建筑工程有限公司，AN4000聚羧酸高性能減水劑。

(7)引氣劑：北京建筑工程有限公司，AN1型引氣劑。

(8)拌和水(W)：自來水。

1.2 混凝土配合比

配合比如表1所示?；炷辽奥?Sp)為41%；粉煤灰(FA)摻量為膠凝材料用量的18%；礦渣粉(K)摻量為膠凝材料用量的9%；減水劑摻量為膠凝材料用量的1.1%。

表1 高性能混凝土配合比

1.3 試驗(yàn)方法

(1)硬化混凝土氣孔結(jié)構(gòu)測試

硬化混凝土氣孔結(jié)構(gòu)試驗(yàn)參照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL/T 352—2020)規(guī)范中5.26的相關(guān)規(guī)定，試驗(yàn)采用丹麥CXI型Rapid Air 457硬化混凝土氣孔結(jié)構(gòu)分析儀測定標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d的硬化混凝土氣孔結(jié)構(gòu)。

(2)混凝土拌和物含氣量測試

混凝土拌和物含氣量試驗(yàn)參照《普通混凝土拌和物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50080—2016)規(guī)范中15的相關(guān)規(guī)定，試驗(yàn)采用日本C-280a直讀式含氣量測定儀測定拌和物含氣量。

(3)混凝土抗凍性測試

混凝土抗凍性試驗(yàn)參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)規(guī)范中4.2快凍法的相關(guān)規(guī)定，試驗(yàn)采用CDR5-40T型全自動(dòng)混凝土快速凍融試驗(yàn)設(shè)備測定混凝土的抗凍性能。

(4)混凝土抗壓強(qiáng)度測試

混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)參照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3420—2020)規(guī)范中T 0553—2005的相關(guān)規(guī)定，試驗(yàn)采用YAW-2000B型微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)測定混凝土的抗壓強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 含氣量和水膠比對混凝土抗凍性的影響

進(jìn)行抗凍試驗(yàn)的HPC1-5均為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d的試件，抗凍試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。在凍融循環(huán)少于100次時(shí)，5組HPC的相對動(dòng)彈性模量和質(zhì)量損失變化較??；隨著凍融次數(shù)的繼續(xù)增加，HPC外表面開始出現(xiàn)細(xì)小孔洞和裂紋，質(zhì)量損失逐漸增大，并伴有棱角處水泥砂漿剝落的現(xiàn)象，經(jīng)過300次凍融循環(huán)后，5組HPC相對動(dòng)彈性模量均大于85%、質(zhì)量損失小于4%。

圖1 高性能混凝土抗凍性試驗(yàn)結(jié)果

表2為HPC1-5拌和物性能和硬化后的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)，HPC4、HPC5、HPC2三組混凝土水膠比相同，引氣劑摻量分別為1.4‰、1.2‰、1.0‰，拌和物含氣量分別為5.0%、4.7%、4.2%。進(jìn)行300次凍融循環(huán)后，混凝土相對動(dòng)彈性模量從93%降低至90%，質(zhì)量損失從2.2%增大至2.9%。在水膠比相同的條件下，混凝土拌和物含氣量在4%～5%之間時(shí)，隨著含氣量的增加，混凝土的抗凍性提高。

HPC1- 3三組混凝土拌和物含氣量分別為4.3%、4.2%、4.2%，含氣量基本相同。當(dāng)混凝土凍融循環(huán)次數(shù)少于100次時(shí)，HPC1- 3三組混凝土相對動(dòng)彈性模量和質(zhì)量損失相差不明顯；當(dāng)混凝土凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到200～300次時(shí)，隨著水膠比從0.30增加至0.36，混凝土相對動(dòng)彈性模量從95%降低至88%，質(zhì)量損失從1.9%增大至3.4%。混凝土拌和物含氣量相同時(shí)，水膠比越大，硬化混凝土抗凍能力越差。

2.2 硬化混凝土氣孔結(jié)構(gòu)參數(shù)對混凝土抗凍性的影響

如表2所示，HPC4、HPC5、HPC2硬化后混凝土氣泡間距系數(shù)分別為188μm、192μm、212μm；氣泡平均弦長分別為135μm、137μm、165μm；氣泡比表面積分別為29.14mm-1、29.53 mm-1、24.19 mm-1。進(jìn)行300次凍融循環(huán)后，混凝土相對動(dòng)彈性模量從93%降低至90%，質(zhì)量損失從2.2%增大至2.9%。水膠比相同的條件下，氣泡間距系數(shù)小于250μm時(shí)，氣泡間距系數(shù)越大、氣泡平均弦長越長、氣泡比表面積越小，混凝土抗凍能力越差。

表2 高性能混凝土拌和性能和硬化后性能

HPC2和HPC3兩組混凝土拌和物含氣量均為4.2%，但凍融300次的試驗(yàn)結(jié)果顯示HPC2抗凍能力高于HPC3，雖然二者拌和物的含氣量相同，但真正影響混凝土抗凍能力的是混凝土硬化后在其內(nèi)部形成的微米級封閉氣孔，拌和物含氣量只能粗略表征混凝土的抗凍能力。HPC2氣泡間距系數(shù)低于HPC3，HPC2內(nèi)部封閉氣孔平均間距小，單位體積內(nèi)微米級氣孔多，所以HPC2的抗凍能力高于HPC3。在混凝土中引入微米級的氣孔，使微細(xì)孔增多、大孔降低，改善混凝土的內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，從而提高抗凍性，在凍融環(huán)境下通過釋放水結(jié)冰所產(chǎn)生的凍脹和滲脹應(yīng)力，從而提高混凝土的抗凍能力。

2.3 孔徑分布情況對混凝土抗凍性的影響

硬化混凝土內(nèi)部孔徑大小及分布關(guān)系如圖2所示，HPC2和HPC3試樣孔徑d≤100μm范圍的孔分別占總孔體積的52.17%和41.09%、孔徑d≤500μm 范圍的孔分別占總孔體積的94.30%和96.28%?？讖絛≤500μm的孔含量HPC3高于HPC2，但孔徑d≤100μm的孔含量HPC2明顯高于HPC3，經(jīng)過300次凍融循環(huán)試驗(yàn)表明： HPC2抗凍能力優(yōu)于HPC3，說明不是孔含量越高混凝土抗凍性越好，孔結(jié)構(gòu)的大小和分布對抗凍性也有明顯影響。

如圖2所示，HPC2、HPC4和HPC5為三組水膠比相同的配合比，其中孔徑d≤100μm的孔分別占總孔體積的52.17%、58.55%和59.18%，HPC4和HPC5中孔徑d≤100μm的孔含量相近，且兩組HPC抗凍能力相差不大；HPC4和HPC5兩組HPC中孔徑d≤100μm的孔含量均高于HPC2，且二者的抗凍能力也明顯高于HPC2?？捉Y(jié)構(gòu)參數(shù)中除了氣泡間距系數(shù)、孔隙率等能夠表征混凝土抗凍能力外，混凝土中孔徑d≤100μm的孔含量對混凝土抗凍性也有較大的影響。研究表明：孔徑d≤100μm的孔結(jié)構(gòu)有助于提高混凝土的抗凍性；d≤100μm范圍的孔含量越高，混凝土抗凍性越好。

圖2 HPC2-5內(nèi)部孔徑分布圖

3 結(jié)論

(1)4%～6%的含氣量能夠有效提高混凝土的抗凍能力；含氣量大于4%時(shí)，低水膠比的混凝土在保證強(qiáng)度的同時(shí)能更好地提高混凝土的抗凍性。

(2)滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度前提下，提高拌和物含氣量能夠有效降低硬化混凝土氣泡間距系數(shù)，從而提升混凝土的抗凍能力；水膠比相同時(shí)，氣泡間距系數(shù)越小、氣泡平均弦長越小、氣泡比表面積越大，混凝土抗凍能力越高；當(dāng)氣泡間距系數(shù)小于250μm時(shí)，混凝土抗凍能力得到有效提高。

(3)孔結(jié)構(gòu)參數(shù)中除了氣泡間距系數(shù)能夠表征混凝土抗凍性外，孔結(jié)構(gòu)大小和孔徑分布情況對抗凍性也有明顯影響，d≤100μm的孔結(jié)構(gòu)有助于提高混凝土的抗凍性，d≤100μm范圍的孔含量越高，其抗凍性越好。