冻融循环作用对海砂粉煤灰混凝土的损伤研究_侯海龙.pdf

第 40 卷第 5 期2023 年 5 月公路交通科技Journal of Highway and Transportation esearch and DevelopmentVol.40No.5May 2023收稿日期:20210702基金项目:国家自然科学基金项目(51678234，51808213);湖南省教育厅科研项目(18C0324，19A164，20B214);湖南省自然科学基金项目(2019JJ50185)作者简介:侯海龙(1997)，男，湖南郴州人，硕士(1159288691 )*通讯作者:屈锋(1979)，男，河南邓州人，博士(qfkd1015 )doi:10.3969/j.issn.10020268.2023.05.004冻融循环作用对海砂粉煤灰混凝土的损伤研究侯海龙，屈锋*，石卫华，黄志，王功勋(湖南科技大学土木工程学院，湖南湘潭411201)摘要:为了研究冻融循环作用对掺加淡化海砂等原材料含有氯离子的粉煤灰钢筋混凝土结构的损伤规律，通过内掺氯盐的方法模拟海砂混凝土并设计了室内快速冻融循环试验。以海砂钢筋混凝土试件外观变化、质量损失率、损伤层厚度和相对动弹性模量 4 个评价指标探究了不同粉煤灰掺量对海砂钢筋混凝土的影响规律。将内掺盐冻复合作用下与已有研究中的气冻、水冻、外渗盐冻作用下的粉煤灰混凝土评价指标进行了对比分析。结果表明:随着冻融循环次数的增加，海砂粉煤灰混凝土的表层砂浆、细骨料和粗骨料依次脱落，其质量损失率及损伤层厚度增加，相对动弹性模量降低，混凝土抗冻性能有所下降，但其冻融损伤速率出现先增加后减小的趋势;粉煤灰掺入量越多，混凝土质量损失率及损伤层厚度越大，其相对动弹性模量越小，粉煤灰混凝土受到冻融循环损伤的程度越大，因此粉煤灰的加入虽能增加混凝土密实性，但不利于混凝土抗盐冻作用;相较于已有研究中的其他冻融方式，盐冻双重作用加速了混凝土冻融损伤的发展，因外渗盐冻和内掺盐冻造成了混凝土内部氯离子分布差异，外渗盐冻作用对混凝土的影响更集中在外层区域，其中外层损伤的增加速度要快于内掺盐冻作用，但内掺盐冻对混凝土内部结构造成的损伤最大。关键词:道路工程;冻融损伤;快冻法;内掺氯盐混凝土;粉煤灰;耐久性中图分类号:TU528文献标识码:A文章编号:10020268(2023)05002807Study on Damage to Sea Sand Fly Ash Concrete Caused by Freeze-thaw CycleHOU Hai-long，QU Feng*，SHI Wei-hua，HUANG Zhi，WANG Gong-xun(School of Civil Engineering，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan Hunan 411201，China)Abstract:In order to study the damage rule of fly ash reinforced concrete structures mixed with desalinatedsea sand and other raw materials containing chloride ions caused by freeze-thaw cycles，the sea sand concreteis simulated by using the method of internal mixing chloride salt，and the indoor rapid freeze-thaw cycleexperiment is designed.The influence rules of different fly ash contents on sea sand reinforced concrete areexplored by 4 evaluation indicators，including the appearance change，mass loss rate，thickness of damagelayer and relative dynamic elastic modulus of the sea sand reinforced concrete samples.The evaluationindicators of fly ash concrete under the combined action of internal mixing salt freezing are compared andanalyzed with those under the action of air freezing，water freezing and exosmosis salt freezing.The resultshows that(1)With the increase of freeze-thaw cycle，the surface mortar，fine aggregate and coarseaggregate of sea sand fly ash concrete peel off sequentially.The mass loss rate and damage layer thickness ofsea sand fly ash concrete increase，the relative dynamic elastic modulus decreases，and the frost resistance ofconcrete decreases，but the freeze-thaw damage rate appears the trend of decreasing after increasing.(2)第 5 期侯海龙，等:冻融循环作用对海砂粉煤灰混凝土的损伤研究The more fly ash is added，the greater the concrete mass loss rate and the damage layer thickness，the lessthe relative dynamic elastic modulus，and the greater the extent of fly ash concrete damaged by freeze-thawcycles.Therefore，although the addition of fly ash can increase the compactness of concrete，it is notconducive to the salt freezing resistance of concrete.(3)Compared with other freeze-thaw modes in existingstudies，the dual action of salt-freeze accelerates the development of freeze-thaw damage to concrete.Becauseof the differences in the distribution of chloride ions within the concrete caused by exosmosis salt freezing andinternal mixing salt freezing，the influences of exosmosis salt freezing on concrete are more concentrated in theouter region，where the outer layer damage increases faster than the situation caused by internal mixing saltfreezing，but the internal mixing salt freezing causes the most serious damage to the internal structure of theconcrete.Key words:road engineering;freeze-thaw damage;quick freezing method;concrete mixed with chloridesalt;fly ash;durability0引言在严寒地区，冻融循环作用是影响混凝土结构耐久性降低的主要因素之一15。盐冻对混凝土破坏更为严重，其中冯乃谦等6 对山东沿海钢筋混凝土公路桥进行调查研究发现，该地区公路桥仅投入10 a左右就因盐害、冻害等因素造成了严重的破坏，损失较大。杨钱荣等7 对青岛海湾大桥进行调查研究发现，该桥冬季受盐冻复合作用影响较大，海水和人为抛撒的融雪剂或除冰盐使得混凝土中盐含量增加，大大增大了盐冻融损伤程度。外渗和内掺是氯盐进入钢筋混凝土内不同的两种方式，外渗是因外界环境的影响或除冰盐的使用，使氯离子通过渗透作用进入混凝土;内掺是因掺入受氯盐侵蚀的原材料，使氯离子随原材料的加入进入混凝土。随着河沙等资源的减少，海砂等含氯盐的原材料正在被使用，因此有必要对用该原材料制作的混凝土构件的耐久性进行研究。目前对于氯盐、冻融作用以及氯盐冻融双重作用对粉煤灰混凝土耐久性的研究，主要有左晓宝等8研究发现，粉煤灰的掺入一方面能提高混凝土固化氯离子能力，从而提高了混凝土抗氯盐侵蚀能力，但另一方面粉煤灰的加入会降低钢筋脱钝氯离子阀值，又会对抗氯盐侵蚀产生不利影响。李阳等9研究发现，掺入粉煤灰使得混凝土抗冻能力下降，且随着掺量的增加，抗冻性下降下降得越来越快。王德志等10研究发现，掺15%粉煤灰能增强抗盐冻能力，混凝土质量损失率随着 NaCl 盐溶液浓度的增大而增大，但其浓度在 5%时质量损失率最高。在以往试验研究中，关于在盐冻融条件下评价混凝土损伤规律，大多数直接采用素混凝土1112以及通过外渗氯离子模拟盐冻作用1314，较少研究冻融循环作用对原材料中含有氯离子的钢筋混凝土的损伤影响。因此，本试验以掺加胶凝材料总量 3%的氯盐方式模拟海砂制作配有钢筋混凝土试件，开展盐冻循环作用，通过混凝土外观变化、质量损失率、损伤层厚度以及相对动弹性模量指标，对不同冻融循环次数作用后的粉煤灰混凝土进行评价，并与气冻气融、水冻和外渗氯离子盐冻进行了对比分析，得出其冻融损伤规律及其和其他冻融方式的差异。1试验1.1试验材料及配合比本试验采用某品牌 P.O42.5 水泥，细度 6.2%，3 d和 28 d 的抗压强度分别为 24.5 MPa，49.6 MPa;采用 候 钢 级 粉 煤 灰，密 度 2.63 g/cm3，细 度9.6%，含水量 0.5%，需水量比 93%;细集料采用河沙，细度模数为 2.7;粗骨料采用碎石，压碎值8.1%，粒径 520 mm;钢筋采用 HB400 螺纹钢;NaCl 盐采用纯度大于 96%的工业盐;电解质溶液为饱和 Ca(OH)2溶液。试验共设计了 4 组混凝土，混凝土强度等级为C40，水胶比为 0.48，其中普通混凝土组为 PC 组，掺 10%，20%，30%粉煤灰分别为 FAC1，FAC2，FAC3 组。混凝土配合比及各组试件混凝土 28 d 龄期立方体抗压强度见表 1 所示。1.2试验方法混凝土抗压试验采用 100 mm100 mm100 mm试块，冻融循环试验采用 100 mm100 mm400 mm棱柱体的试件，构件中心埋入一根直径 16 mm，长350 mm 的螺纹钢筋，如图 1 所示。92公路交通科技第 40 卷表 1混凝土配合比Tab.1Mix proportion of concrete编号材料用量/(kgm3)水水泥细骨料 粗骨料 粉煤灰NaClfc/MPaPC1753576421 24601148.0FAC11753216421 246361146.3FAC21752856421 246721145.5FAC31752496421 2461081144.2图 1试件示意图(单位:mm)Fig.1Schematic diagram of specimen(unit:mm)冻融循环试验依据 GB/T 500822009 规范采用快冻法，运用冻融设备，对 PC 组试件进行共 100 次冻融循环，其余组进行共 75 次冻融循环，每经 25次冻融循环作用后通过试件外观变化及质量损失率、损伤层厚度、相对动弹性模量评价指标对试件冻融损伤进行判断，得出冻融损伤规律。1.3试验评价指标1.3.1质量损失率W=M0 MnM0 100%，(1)式中，W 为质量损失率;M0为冻融循环前试件初始质量;Mn为经过 n 次冻融循环后试件的质量。1.3.2冻融损伤层厚度冻融损伤层厚度的测量依据 超声法检测混凝土缺陷技术规程(CECS 21:2000)使用非金属超声检测仪，采用平测法对每经 25 次冻融循环作用的试件进行一次检测。以发射装置为原点，将接收装置初始 端 测 间 距 选 择 25 mm，定 为 50，75 mm 和100 mm，后端测间距为 50 mm，定为 150，200 mm 和250 mm 如图 2 所示。损伤层厚度按式(2)计算:hf=l02v1 v2v1+v2，(2)式中，hf为损伤层厚度;v1，v2为混凝土中未损伤、图 2平测法布置示意图(单位:mm)Fig.2Schematic diagram of horizontal measurementarrangement(unit:mm)损伤层超声波速;l0为声速突变时发射装置与接收装置间的距离。根据平测法测量过程中所得到的声时与声距之间的关系如图 3 所示。图 3声时与声距关系图Fig.3elationships between sound time and sound distance若假设损伤层中的声时与声距的关系如式(3)所示:ls=a1+b1ts，(3)式中，ls为损伤层区域内的声距;ts为损伤层区域内的声时;a1，b1为线性回归系数。未损伤层中的声时与声距的关系如式(4)所示:lws=a2+b2tws，(4)式中，lws为未损伤层区域内的声距;tws为未损伤层区域内的声时;a2，b2为线性回归系数。则根据式(3)(4)可以计算得到声速突变时装置间的距离 l0，如式(5)所示:l0=a1b2 a2b1b2 b1。(5)1.3.3相对动弹性模量相对动弹性模量的测量依据 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准(GB/T 500822009)规范，通过使用非金属超声检测仪，采用对03第 5 期侯海龙，等:冻融循环作用对海砂粉煤灰混凝土的损伤研究测法对每经 25 次冻融循环作用的试件进行一次试验，为保持试件前后状态的一致性，试件在干燥状态下检测，试验得到混凝土波速和声时后，通过式(6)计算得到其混凝土的相对动弹性模量。Erd=EdnEd0=V2nV20=T2nT20，(6)式中，Erd为相对动弹性模量;Ed0为初始动弹性模量;Edn为经过 n 次冻融循环后动弹性模量;V0为初始超声波速;Vn为经过 n 次冻融循环后超声波速;T0为初始超声声时;Tn为经过 n 次冻融循环后超声声时。2结果与分析2.1内掺和外渗盐冻中混凝土内部氯离子分布对比为分析两种盐冻对混凝土的不同损伤，首先对比了内掺和外渗盐冻15 中混凝土内部氯离子分布差异。从图 4 可以看出，内掺 PC 组混凝土中氯离子均匀分布在不同深度中，而外渗组混凝土在3%NaCl 溶液中经冻融循环 100 次后，再放入 NaCl 溶液中浸泡3 d，其氯离子含量随深度的增加而减少，大部分氯离子集中在距混凝土表层，其内部距表面较远位置氯离子含量较低。放置在 NaCl 溶液中的混凝土虽然能吸收溶液，但只有水能渗透进更深处，氯离子会被硬化水泥浆体的纳米孔阻止而聚集在表面附近，当表面与内部氯离子浓度差过大，才会缓慢向里扩散。而冻融循环作用会破坏混凝土孔隙结构，因此对氯离子扩散起到加速作用。图 4不同冻融方式的氯离子分布差异Fig.4Differences of chloride ion distributions in differentfreeze-thaw modes2.2外观变化在冻融循环作用下，试件外观变化直观反映了混凝土试件冻融损伤的程度。试验每进行 25 次冻融循环，将试件表面清理干净后进行表观观察。总体上，随冻融次数增加，各组混凝土表观损伤逐渐加剧。以 FAC3 组为例，经冻融循环 25 次，表面砂浆已全部脱落，部分粗骨料显露;随着冻融循环到50 次时，表层损伤进一步加剧，表面细骨料基本已经完全脱落;经 75 次冻融循环作用后，冻融损伤较大，其中粒径较小的粗骨料已经剥落而粒径较大的粗骨料即将剥落。随着粉煤灰掺量的增加，相同冻融循环次数下混凝土表观损伤呈增大趋势。同时经冻融循环 25 次时，随着粉煤灰掺量的增加，各组均处于表面砂浆脱落，但脱落程度呈增大趋势;经 75次冻融时，PC 组表面细骨料部分脱落，FAC1 组表面细骨料基本已经全部脱落，而 FAC2 组表面粗骨料已经全部暴露，FAC3 组表面粒径较小的粗骨料已经剥落而粒径较大的粗骨料即将剥落。因此，对于内掺氯盐粉煤灰混凝土，冻融作用次数的增加以及粉煤灰掺量的增加都加重了混凝土表层剥蚀脱落现象。2.3质量损失率图 5(a)表示不同粉煤灰掺量混凝土质量损失率变化。由图 5(a)可知，随着冻融循环作用次数的增加，其质量损失率随粉煤灰掺量的增加而增大。FAC1 和 FAC2 组经 75 次冻融循环作用后，质量损失率分别达到了 3.1%和 3.7%，FAC3 组经 75 次冻融循环作用后质量损失率达到了 4.81%，接近5%，而 PC 组经 75 次冻融循环作用后质量损失率仅达到 FAC3 组值的一半左右，约为 2.28%。内掺氯盐混凝土盐冻循环作用呈现出早期损伤速率较高，其中 PC 组在冻融循环 2550 次质量损失增长率最高，但掺入粉煤灰组在经冻融循环 025 次时质量损失增长率最高，特别是 FAC2 和 FAC3 组，这与以往通过外渗氯离子盐冻研究结果16 一致。本试验为内掺氯盐进行的粉煤灰混凝土冻融循环试验研究，为比较氯离子引入方式及冻融介质对混凝土产生的差异，结合已有研究进行分析。图 5(b)表示本试验结果与已有研究气冻气融17、水冻18 产生的趋势差异。由图 5(b)不同冻融方式粉煤灰混凝土质量损失率中可以看出，盐、冻共同作用使得粉煤灰混凝土冻融损伤加剧，其中粉煤灰混凝土内掺盐冻的质量损失率相对于水冻和气冻迅速增加。经水冻 50 次后，质量损失率才开始缓慢增加;而经气冻气融后，质量反而增加，其原因为冻融次数较少，混凝土试件未出现浆体和骨料剥落，13公路交通科技第 40 卷图 5不同影响下粉煤灰混凝土质量损失率变化Fig.5Changes of mass loss rate of fly ash concrete underdifferent influences但混凝土内部产生了微裂缝，微裂缝吸水使其质量增加。内掺盐冻相较于气冻和水冻，其质量损失率增长速度快的原因主要为氯盐增大了混凝土保水程度，使其内部可冻水含量增加，加剧了混凝土内部冻融损伤程度。2.4损伤层厚度评价图 6(a)表示不同粉煤灰掺量混凝土损伤层厚度变化。由图 6(a)可知，随冻融循环作用次数增加，粉煤灰掺量越大其损伤层厚度越大，其结果与质量损失率变化图结果一致，但在经冻融循环 025次时，各组损伤层厚度增长速率最快。经 75 次冻融循环作用后 PC 组损伤层厚度为 11.5 mm，FAC1，FAC 2 和 FAC 3 组 损 伤 层 厚 度 分 别 为 14.2，16.8 mm 和 19.6 mm。少量的冻融循环次数就对含氯盐粉煤灰混凝土产生了较大的损伤，因此，对于寒冷地区使用含氯盐的粉煤灰混凝土时，需适当增加其保护层厚度，且要严格控制原材料的含氯量。图 6(b)表示不同冻融方式粉煤灰混凝土损伤层厚度变化。由图 6(b)可知，外渗盐冻损伤层厚度增加速度要高于内掺盐冻。其原因为外渗盐冻试图 6不同影响下粉煤灰混凝土损伤层厚度变化Fig.6Changes of damage layer thickness of fly ash concreteunder different influences验使得混凝土试件外部盐溶液浓度要高于内部，冻融作用使其表面部分内外氯离子浓度差增大，混凝土内部自由水会向外部迁移，产生渗透压，加剧了混凝土表层损伤19，这就导致外渗盐冻表层损伤层厚度比内掺盐冻大。2.5相对动弹性模量评价图 7(a)表示不同粉煤灰掺量混凝土相对动弹性模量变化。由图 7(a)可知，在不同冻融循环次数下，FAC3 组混凝土相对动弹性模量始终低于其他组，且 FAC2 组低于 FAC1 组，PC 组最高。经75 次冻融循环时 FAC1，FAC2 组相对动弹性模量接近 60%，试件即将破坏，而 FAC3 组相对动弹性模量值仅只有 57.23%，试件已经失效。PC 组相对动弹性模量的变化率同样出现先增后减的趋势，经2550 次冻融循环过程中相对动弹性模量由 94.34%迅速下降到 80.81%。混凝土冻融破坏主要是由于混凝土内部结构密实程度降低，内部孔隙、裂缝的增加导致的。粉煤灰的掺入虽然能增强混凝土的密实性，但掺粉煤灰混凝土在开始盐冻直到混凝土破坏的过程中，冻融23第 5 期侯海龙，等:冻融循环作用对海砂粉煤灰混凝土的损伤研究图 7不同影响下粉煤灰混凝土相对动弹性模量变化Fig.7Changes of relative dynamic elastic modulus offly ash concrete under different influences损伤程度一直高于未掺粉煤灰混凝土，因此粉煤灰的掺入对混凝土抗盐冻性能具有不利影响，且掺入量越大，抗盐冻性能越差，混凝土冻融损伤程度越高。图 7(b)表示不同冻融方式粉煤灰混凝土相对动弹性模量变化。由图 7(b)可知，内掺氯盐粉煤灰混凝土经冻融作用后，虽然其损伤层厚度的增加速率低于外渗盐冻，但其相对动弹性模量降低的速度要高于外渗盐冻。经冻融循环 40 次时，FAC3、FAC1、外渗盐冻、气冻以及水冻的相对动弹性模量 依 次 为 77.27%，81.22%，87.41%，89.92%，97.85%。而相对动弹性模量往往是混凝土内部结构密实程度的评价指标之一，因此内掺盐冻对粉煤灰混凝土内部造成的损伤最大，其原因主要为氯离子内掺使得混凝土内部均匀地含有氯离子，且其氯离子含量在混凝土内部高于外渗盐冻，在混凝土表面区域却低于外渗盐冻，而氯离子的存在会增大了混凝土内部孔隙饱水度，当温度降低时，盐结晶和水冻结产生的膨胀应力对混凝土内部结构产生了不同程度的损伤。综上所述，结合各评价指标分析可知混凝土的抗冻性能随着粉煤灰掺量的增加有所下降，但其冻融损伤速率均出现先增加后减小的趋势。各评价指标变化曲线大致相同，均能够有效表示出混凝土冻融损伤的规律，其中相对动弹性模量最先达到规定限制混凝土冻融损伤破坏的指标值。3结论(1)混凝土的抗冻性能，随着冻融循环次数以及粉煤灰掺量的增加有所下降，但其冻融损伤速率出现先增加后减小的趋势。(2)海砂粉煤灰混凝土在经少量的冻融循环次数作用时，就对混凝土产生了较大的损伤，建议适当增加其保护层厚度以及严格控制原材料中氯盐的含量。(3)对比其他 3 种冻融方式可发现，盐冻双重作用对混凝土损伤程度要远高于水冻和气冻，且外渗盐冻对混凝土表层的损伤要比内掺盐冻大，但内掺盐冻对混凝土内部损伤最大。参考文献:eferences:1SHANG H S，YI T H Freeze-thaw Durability of Air-entrained Concrete J The Scientific World Journal，2013，2013:650791 2葛勇，袁杰，杨文萃，等 冻融作用对引气混凝土钢筋握裹力、碳化与氯离子扩散系数的影响 J 公路交通科技，2010，27(增 1):103105GE Yong，YUAN Jie，YANG Wen-cui，et al Influence ofFreeze-thaw on Gripping Force，Carbonation and ChlorideDiffusion CoefficientofAir-entrainedConcrete J Journal of Highway and Transportation esearch andDevelopment，2010，27(S1):103105 3ZHANG W H，PI Y L，KONG W 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