冻融循环作用对混凝土毛细孔结构的劣化机制及改善措施.pdf

第 4 7卷第 6期 2 0 1 6年 6月 V_0 I 4 7 No 6 J u n 2 0 1 6 建 筑 技 术 Ar c h i t e c t u r e T e c h n o l o g y 4 9 1 冻融循环作用对混凝土毛细孔结构的 劣化机制及改善措施 李 钧 L 2 ，王宗林 ( 1 哈尔滨工业大学交通工程与科学学院，1 5 0 0 0 1 ，哈尔滨；2 黑龙江建筑职业技术学院建筑工程系，1 5 0 0 0 1 ， 哈尔滨 ) 摘要：通过对混凝土冻融后损伤、力学性能、孔隙特征参数、相对动弹 模量、强度等指标的研究分 析发现 ：随冻融循环次数增加 ，混凝土的相对动弹陛模量和强度逐渐降低，质量逐渐下降，力学性能损伤增 大；2倍海水冻融后，混凝土的孔径参数增幅明显大于淡水冻融 ；随养护时间增加，混凝土的孔径参数不断 降低。建议从加入弓 f 气剂、关注浆体质量、改善界面过渡区 3 个方面来降低冻融循环对混凝土的性能损伤。 关键词：混凝土；冻融循环；毛细孔结构 中图分类号 ：T U 1 1 1 2 5 文献标志码 ：A 文章编号 ：1 0 0 0 - 4 7 2 6 ( 2 0 1 6 ) 0 6 - 0 4 9 1 - 0 4 REEZE- I H AW CYCLE EF F ECI 0 DEG RA 1 ) A I I oN M ECH A I S M o F CoNCRETE PoRE STRUCTURE AND I M PRoVEM ENT M EAS URES LI J un -一 W ANG Zon g f i n ( 1 Ha r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y( HI T ) ， 1 5 0 0 0 1 ， Ha r b i n ， C h i n a ； 2 He i l o n g j i a n g I n s t i tut e o f Co n s t r u c t i o n T e c h n o l o g y , 1 5 0 0 0 1 ， H a r b i n ， C h i n a ) Abs t r a c t ： Thr o ug h t h e c o nc r e t e a f t e r fre e z e t ha w d a ma g e ， me c ha ni c a l pr o pe r t i e s ， po r e f e a t u r e pa r a m e t e r s a n d r e l a t i ve d y na mi c e l a s t i c mo d ul u s ， s t r e n g t h i n d e x r e s e a r c h a n a l ys i s f o u nd t ha t ：wi t h t h e i n c r e a s e o f fre e z e t h a w c y c l e s t h e r e l a t i v e d y n a mi c e l a s t i c mo d ul us o f c o n c r e t e a n d s t r e n g t h wi l l r e d u c e g r a d u a l l y ,t he q u a l i t y wi l l g r a d u a l l y d e c l i n e ， me c h a ni c a l d a ma ge ；Af t e r 2 t i me s wa t e r fre e z i ng a n d t ha wi ng ，t h e a p e r t u r e pa r a me t e r s o f c o n c r e t e i s b i g g e r t h a n the g r o wt h o f fre s h wa t e r fre e z i n g a nd t h a wi n g ； W i t h the i n c r e a s e o f c u r i ng t i me c o n c r e t e a p e r t u r e p a r a me t e r s o f c o mi n g d o wn At the s a me t i me ，t h i s a r t i c l e s u g ge s t e d f r o m a d d i n g a i r - e n t r a i n i n g a g e n t ，pa y c l o s e a t t e n t i o n t o p a s t e q u a l i t y ,i mp r o v e i n t e r f a c i a l t r a ns i t i o n z on e o f t h e t h r e e a s p e c t s ， t o r e d uc e t he fre e z e t h a w c y c l e o n t h e p e r f o r ma nc e of c o n c r e t e d a ma g e Ke y wo r ds ： c o n c r e t e ； fre e z e - tha w c y c l e ；p o r e s t r u c t u r e 混凝土的微观结构是决定其宏观性能的主要因 收稿 日期 ：2 叭6 _ J 0 4 _ 1 6 作者简介：李钧 ( 1 9 7 2 一 ) ，男，黑龙江齐齐哈尔人，副教授， 硕士， e ma i l ：7 4 4 8 6 4 2 9 2 q q c o m 素，当前对混凝土的微观研究已由最初的混凝土总空 隙率发展到研究内部毛细孔结构的角度，大量试验研 究表明， 通过使用混凝土的孔径分布来建立宏观陛能 模型将更加有效、准确、合理。本文研究冻融循环作 究方法可行 生 较好。 ( 2 )基坑开挖过程中，围护结构的最大应力绝 大部分分布于其中腰部位，即该部位出现明显的应力 集中现象。该部位对应的水平位移较大。实测数据与 数值模拟均表明，在圆形基坑开挖过程中，围护结构 的中腰部存在较为明显的高应力应变，且塑生区普遍 从该部位开始 。 ( 3 ) 数值模拟分析结果表明基坑周边地面沉降 量报警值可适当增加至 7 0 m m，地连墙与衬砌应力预 警值比较安全，所有工况中应力均未超过预警值。 ( 4 )基底隆起的最大量集中于开挖区底部，且 该处存在明显不均匀隆起。根据数值计算结果，发现 基坑底部隆起符合 M 曲线型规律，即隆起最大值发 生在介于坑底周边和坑底中心的环形区域。 参考文献 1 】 T e r z a g h i K ， P e c k R ， Me s r i G S o i l Me c h a n i c s i n E n g i n e e r i n g P r a c t i c e M T h i r d E d i ti o n Ne w Y o r k ： J 0 h n Wi l e y a n d S o n s I n c 1 9 9 6 2 】 谭维佳，王新刚 ， 胡斌 ，等 影 响分析 J 】 地下空间与工程学报 ，2 0 1 4 ， l 0 ( 4 ) ： 8 6 8 8 7 2 3 谢雄耀 ， 郁宏杰 ， 王庆国 ， 等 基坑开挖引起下卧既有电力隧道变 形的控制技术研究 J 】 岩土工程学报 ， 2 0 1 4 ， 3 6 ( 1 ) ： 8 8 - 9 7 4 周罕 ， 曹平 软土地区城市深基坑支护方案优选的模糊层次分析 法 J 中南大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 1 2 ， 4 3 ( 9 ) ： 3 5 8 2 - 3 5 8 8 5 】 任松波 冲洪积粘沙土地层交叉异型深基坑施工动态响应分 析 D 西安建筑科技大学 ， 2 0 1 2 6 6 张睿华 深大基坑内相邻基坑施工时的相互影响分析 J 建筑施 工 ， 2 0 0 8 ， 3 0 ( 1 0 ) ： 8 6 9 - 8 7 1 7 】 袁静 ， 陈金友 ， 刘兴旺 ， 等 粉砂土地基多个紧邻的深大基坑工 程交界面围护结构控制技术研究 J 】 岩土工程学报 ， 2 0 1 4 ， 3 6 ： 9 9 -1 O 5 4 9 2 建筑技术 第 4 7 卷第 6期 用对混凝土毛细孔结构的劣化机制，并提出相应改善 措施。 1 冻融机理和测孔方 法 1 1 冻融破坏机理 自2 0 世纪 4 0 年代起，很多学者为深入研究混凝 土的抗冻性能 ，对混凝土的冻融循环破坏 理进行了 内在理论分析。虽然目前仍没有一种理论可准确阐释 混凝土冻融破坏的内在机理，但有两种理论得到了广 泛认可，即静水压学假说和渗透压假说。 1 1 1 静水压学假说 混凝土在制备过程中存在大量毛细孔洞，受毛细 孔影响，混凝土易通过I j , L 吸收水分达到饱和状态， 而较大的孔洞由于受空气压力影响不能达到饱和状 态。随着温度下降，混凝土内部的水分开始结冰而体 积膨胀，混凝土空隙内部的压强会越来越大， 最终导 致孔内未结冰的水分从孔道中流出。其在流动过程中 会产生粘滞阻力，对混凝土造成损伤破坏 ( 图 1 ) 。 1 静水压学1 I 受 说不意 通过相关理论计算研究发现，未结冰的水分在流 动过程中产生的粘滞阻力与孔间距成正比关系。经计 算可得到混凝土允许的最大厚度，进而引出了测孔方 法和平均气泡孔间距的概念，这两个因素对研究混凝 土的抗冻性能有重要的影响作用。 1 1 2 渗透压假说 在混凝土冻融循环过程中虽可通过静水压假说解 释很多现象，但并不能全部解释，例如不冻胀液体在 温度降低时也会产生损伤破坏，因此一些学者又提出 了渗透压假说 。 该假说认为， 混凝土的孔溶液中含有大量钾离子、 钙离子、 钠离子等， 当大孔溶液随温度降低而结冰时， 未结冰溶液的钾离子、 钙离子、 钠离子含量开始增加， 形成大、i j , L 中的溶液盐类浓度差。由于相同温度下 水的饱和蒸汽压高于冰，因此小孔溶液仍会继续流向 大孔，即渗透压假说。 1 2混凝土测孔方法 1 2 1压泵 法 压泵法是当前常用的测孔方法，其中高压泵测孔 方法效率高、测试简便，已被广泛应用于混凝土毛细 孔结构的研究。 通过相关试验分析发现，液体滴到混凝土表面时 会形成一个三相平衡的状态。湿润角大于 9 0 时，液 体须借助外力才可润湿混凝土；小于 9 0 。 时，液体无 须借助外力即可润湿混凝土，因此可通过孔径大小和 泵压量建立起函数方程，通过改变外力数值即可算得 混凝土中的孔隙参数。 1 2 2 光 学观察法 测定混凝土中某种物质的体积时，可通过该物质 在混凝土表面截取的直线长度和其总直线长度的比值 来确定，该法被称为光学观察法。测量时每组试件需 满足粗骨料最大粒径、最小观测总面积、最小总导线 长度等要求。该法主要用于测定混凝土中的孔间距系 数、空气含量、气泡比表面积等，其试验参数可作为 评价混凝土引气性能和抗冻性能的依据。 1 2 3扫描 图像 法 测定混凝土孔结构的图像扫描法需使用压泵仪。 其测试原理是通过光学显微镜来表现混凝土中细骨 料、粗骨料、水泥砂浆等的陛质，进而得到混凝土裂 缝和其背景在灰度特征上的差异，因此可将混凝土图 像看成不同灰度等级的图像组合 ， 通过呈现的图像可 测得混凝土结构中的毛细孔洞数据，该法就被称为扫 描图像法。 2 混凝土冻融后损伤 研究 2 1 试验基本信息 混凝土冻融试验所采用的原材料、试验设备基本 信息如表 l _ 4所示。 表 1 普通硅酸盐水泥物理力学参数 抗折强度 M P a I抗压强度 M P a l 凝结时 可 m i n 3 d l 2 8 d I 3 d l 2 8 d l 厦 初凝 终凝 4 8 l 6 8 l 2 1 3 l 5 8 l 1 8 4 0 1 5 0 表 2 细骨料筛分试验结果 表 3 粗骨料筛分试验结果 筛孔尺寸 m m 4 0 5 3 1 5 2 5 2 0 1 6 5 l O 5 剩余 剩余质量 0 7 3 6 8 6 1 9 6 8 3 5 2 9 1 0 7 6 9 5 5 7 6 表 4 C 5 0混凝土配合 比 减水剂 引气剂 水 k g 水泥 k g 砂 k g 石 k g 水灰 比 砂 率 1 5 7 3 9 3 6 9 2 6 l 1 2 4 1 7 7 008 3 O4 3 8 2 0 1 6 年 6月 李钧 ，等 ：冻融循环作用对混凝土毛细孔结构的劣化机制及改善措施 2 2 试验流程 按确定的配合比制备试件并养护一分别在淡水冻 融、 海水冻融、淡水标准养护 3 种条件下进行冻融一 对冻融后的试件测定质量、强度、相对动弹陛模量等 试验指标将强度试验中得到的水泥砂浆小颗粒制备 压泵样品进行压泵试验一得到不同条件下孔隙特征参 数。与此同时，还要分析淡水冻融和海水冻融的损伤 模型。 2 3 试验结果及分析 2 3 1 动 弹性模 量 试件在淡水冻融、海水冻融、淡水标准养护条件 下得到的动弹生 模量如图 2 ， 3 所示。 图 2 淡水冻融和海水冻融对相对动弹性模量的影响 天 数 d 图3 淡水冻融和标准养护对相对动弹性模量的影响 ( 1 ) 从图2 可看出，随冻融循环次数增加，混 凝土的相对动弹眭模量不断减小；其中混凝土在淡水 冻融中的动弹性模量损伤值比在海水中冻融少，3 0 0 次后仅降低 5 8 ；2 倍海水冻融后的动弹洼模量损伤 值最大，经 1 0 0 次循环后降低了 7 4 。 ( 2 ) 从图 3 可看出，标准养护和淡水冻融 2 8 d 后 ， 混凝土的相对动弹 f生模量呈现出不同的变化趋势。 当混凝土在淡水中经过多次冻融循环后，其相对动 弹陛模量持续降低，在经过 3 0 0 次冻融循环后降低了 7 7 。当混凝土进行标准养护后，相对动弹陛模量不 降反升 ，在经过 8 5 d 养护后相对动弹性模量增加了 1 0 9 。 2 3 2强度损 失 试件在淡水冻融、海水冻融、淡水标准养护条件 下得到得强度影响如图4 ， 5 所示。 图 4 淡水冻融和海水 辐1 0 ( 1 )由图4 可知，混凝土试件强度随冻融循环 次数的增加不断降低，淡水冻融后的强度损失小于海 水冻融；经 3 0 0 次冻融循环后，淡水中的混凝土试件 强度降低了 5 1 ，2 倍海水中混凝土试件强度降低了 6 1 ；混凝土试件在淡水中的抗冻性能优于海水。 ( 2 )由图 5 可知，淡水冻融和标准养护后的混 凝土强度变化规律有所不同；随冻融循环次数增加， 在淡水中冻融循环的混凝土强度不断降低，9 0 d 后强 度降低了 5 1 ； 而在标准养护中试件的强度随冻融循 环次数增加而增加 ，9 0 d 后混凝土强度增大了 2 0 ， 说明混凝土在养护 2 8 d 后仍未达到最佳性能状态， 其强度仍然有上升空间。 2 4 混凝土冻融损伤 混凝土的冻融过程是裂缝和孔洞产生的过程。从 材料学角度看， 混凝土是一种非均质的复合材料；从 损伤学角度看，混凝土在制备过程中就产生了裂缝和 孔洞， 即制备时便有损伤。 相关学者把混凝土的初始损伤分为两类： 一是由 于混凝土砂浆不均匀产生收缩现象造成的，二是由于 粗细骨料的空隙结合面本身就很脆弱，稍施加外力则 会产生裂缝。外荷载会扩大混凝土的初始损伤，随着 裂缝增大，混凝土内部的损伤会互相贯通，使细小裂 缝逐步转化为宏观裂缝，直至混凝土破坏。 3 冻融后的孔结构研究 3 1 压泵仪样品制作 本文采用方法是先压碎硬化后的混凝土以便提取 样品， 这样可更准确地反映混凝土内部孔隙的特征参 4 9 4 建筑技术 第 4 7 卷第 6期 数；之后将混凝土抗压强度试验后的试件压碎，从中 提取混凝土压泵样品；需注意所选样品的尺寸应尽可 能小，其尺寸在 2 5 5 m m为宜。 试验采用压泵仪及真空干燥箱，其中压泵仪型号 为A u T 0 P O R E 9 5 0 0 ，该仪器可较准确地测出粉末状 样品的孔隙特征参数值。 3 2 试验结果及分析 由混凝土在淡水冻融后的孔隙特征参数图，并由 淡水冻融后混凝土孔径分布微分曲线及淡水冻融后混 凝土累计压人泵量与孔径关系图可看出， 随冻融次数 不断增大，混凝土的孔隙率亦在不断增大；冻融次数 从 0 增加到 3 0 0 时，总孔体积增加了7 ，临界孔径 增加了 2 0 n m；冻融次数从 0 增加到 3 0 0 时，最大孔 径向着孔径方向移动了 1 4 n m。变化表明混凝土的孔 径随冻融循环次数的增加而不断扩大，混凝土损伤也 在不断加剧。 4 冻融损伤改善措施 4 1 加入引气剂 由根据静水压假说的分析，降低混凝土的气泡间 隔系数和极限流程长度，可极大缓解冻融损伤对混凝 土的破坏。而在混凝土中加入一定量的引气剂，可极 大降低冻融循环过程中混凝土中残余水分的体积膨胀 作用，因此混凝土内部损伤可大大降低，使其相对动 弹生 模量下降速率变幔。此外，掺入一定量的引气剂 还可降低混凝土的质量损失，减少混凝土剥落量，因 此加入引气剂可大幅度提高混凝土的抗冻性能，并从 内部和外部降低冻融循环对混凝土的损伤。 4 2 关注浆体质量 研究表明，由于混凝土组成材料中净浆的抗渗陛 能最差。 所以混凝土的抗冻性能主要由净浆质量决定。 改善净浆质量是提高混凝土抗冻性能的重要措施，目 前常用做法有提高皎凝材料水化程度、降低水胶比、 减小净浆不密实区等。 4 3 改善界面过渡 区 相关文献表明，混凝土中界面过渡区最薄弱，抗 渗性能最差，因此要提高混凝土的抗冻性能须改善混 凝土中的界面过渡区。目前常用的做法是改变界面过 渡区的微结构， 减少混凝土暴露在自然循环中的时间 和概率，延长混凝土到达极限应变的时间， 提高了混 凝土的抗渗陛能。 5结 论 通过对混凝土冻融后损伤、力学生 能、孔隙特征 参数、 相对动弹陛模量、 强度等指标的研究分析发现： 随冻融循环次数增加，混凝土的相对动弹眭模量和强 度逐渐降低，质量会逐渐下降，力学性能损伤增大； 2 倍海水冻融后，混凝土的孔径参数增幅明显大于淡 水冻融；随养护时间增加，混凝土的孔径参数不断降 低。建议从加入引气剂、关注浆体质量、改善界面过 渡区三方面来降低冻融循环对混凝土的性能损伤。 参考文献 1 李浩 ， 施养杭 混凝土碳化深度预测模型的比对与分析 J 华侨 大学学报 ( 自然科学版 ) ，2 0 0 7 ， ( 2 ) 【 2 】 张金喜 ， 张建华 ， 邬长森 再生混凝士I生 能和孔结构的研究 J _ 建 筑材料学报，2 0 0 6 ( 2 ) 3 】 陈健 ， 徐伟 清水混凝土耐久性的内部结构微观分析 J 建筑施 工 2 0 0 5 ( 1 0 ) 4 慕儒 ， 田稳苓 ， 周明杰 冻融循环条件下混凝土中的水分迁移 J 】 硅酸盐学报 ， 2 0 1 0 ( 9 ) 【 5 曾强 ， 李克非 冻融情况下降温速率对水泥基材料变形和损伤的 影响 【 J 清华大学学报 ( 自然科学版 ) ， 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