水泥基材料超低溫凍融循環試驗研究

葉建雄,陳 越,張 靖,王業江,楊長輝

(1.重慶大學 材料科學與工程學院,重慶 400045;2.重慶市正源水務工程質量檢測技術有限責任公司,重慶 400020)

水泥混凝土是當今世界應用最廣、用量最大的建筑材料,它以其實用性廣、造價低廉、經久耐用等特點成為高層建筑、橋梁、大壩、高速公路、海港工程等現代化標志的首選材料。然而,隨著時間推移,人們發現已建工程并非都有優良的耐久性,很多結構物未達到設計使用年限就出現各種因耐久性不良而引起的破壞,給社會生活和人身安全造成不利影響。

水泥混凝土凍融破壞是一項常見的耐久性問題,其破壞特征一般表現為結構開裂、表面剝蝕、骨料外漏等。水泥混凝土凍融破壞主要由毛細孔水結晶膨脹引起,其發生必須具備2個條件:一是混凝土結構內含有一定數量的可凍水;二是混凝土結構物處于正負溫交替的暴露環境[1]。因此,凍融破壞一般發生在寒冷地區且常與水接觸的混凝土結構物,如大壩、橋墩、涵洞、港口、碼頭等工程。水泥混凝土凍融破壞是國內外研究較早、較全面的課題之一,20世紀40年代后,美國、原蘇聯、歐洲、日本等部分國家和地區均對水泥混凝土凍融破壞開展了深入研究,并取得大量成果[2-13]。然而,由于地理環境和試驗條件的差異,以及試驗周期較長等因素的影響,國內外對水泥混凝土凍融破壞形式及機理尚未得到統一的認識和結論,因此,有必要對水泥混凝土凍融破壞作進一步研究,并探索加速試驗進程的新方法。本試驗在已有研究成果基礎上,利用液態氮氣(實現超低溫,臨界溫度-195℃左右)對普通混凝土和砂漿進行快速凍融循環試驗,觀測凍融循環前后混凝土和砂漿外觀、質量、強度等宏觀性能的變化,采用掃描電子顯微鏡(SEM)分析凍融循環前后混凝土內部微結構變化,并與已有研究對比探討。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

水泥采用重慶騰輝地維水泥有限公司生產的P.O.42.5級和P.O.52.5級水泥。細骨料采用岳陽河砂,細度模數為2.8,表觀密度為2 690 kg/m3。粗骨料采用晏家5～25mm連續級配的石灰石碎石,表觀密度為2 700 kg/m3。外加劑采用重慶遠吉高新建材科技有限公司生產的引氣型復合防水劑,推薦摻量為6%～8%。

1.2 試驗方法

按表1所示材料比例拌制混凝土和砂漿,成型70.7mm×70.7mm×70.7mm立方體試件,24 h后拆模,標準養護至28 d,到養護齡期后,采用不同制度進行超低溫凍融循環試驗,測試循環前后試件質量和強度,分析樣品形貌特征。

表1 試驗配合比和基本性能

凍融循環制度:采用液態氮氣作為凍結原材料。將達到養護齡期的水泥混凝土和砂漿均勻放置于容器中(方形鋼盒,外套保溫層,自制),加蓋(保溫材料制成),留出一小空洞加入液氮,每次凍結加入液氮量約為5 L(分數次加入,加入液氮后立即封閉),整個凍結(加液氮)過程在15～20min完成。試件凍結后再分3種情況融化:1)浸泡于室溫(20±3℃)的水中2.5 h(泡水融化);2)室內放置2.5 h(自然融化);3)先于90℃烘箱中烘干30min,再放置于室內2 h(烘干融化)。試件融化完成后算一個循環(約3 h)。整個試驗過程中密切觀察試件外觀質量變化,如開裂、掉皮等,并作紀錄。

采用自動控溫烘干箱對混凝土試件進行烘干處理,控溫范圍:室溫 +10～300℃。采用捷克TESCAN公司的TescanVEGAⅡLMU型掃描電子顯微鏡(Scanning Electronmicroscope,SEM)觀測凍融試驗前后混凝土的形貌特征,儀器分辨率為3.0 nm/30 kV。

2 結果與討論

2.1 外觀變化

超低溫凍融循環試驗過程中,試件出現明顯破壞的時間及破壞程度各不相同,M10飽水砂漿試件經12次凍融循環后出現明顯開裂破壞;C30飽水混凝土試件經43次凍融循環后出現明顯開裂現象并伴有棱角脫落;C60飽水混凝土試件經54次凍融循環后出現明顯開裂現象。圖1為試件以泡水融化方式凍融循環75次后的外觀照片(砂漿試件凍融循環12次)。由圖可見,C30混凝土試件棱角大量脫落,表層大面積掉皮、脫落,砂粒外漏,已失去完整性,但試件表面無明顯開裂現象;C60混凝土試件部分棱角嚴重脫落,并伴有裂紋出現,但表層仍堅硬,無掉皮現象;砂漿試件凍融循環12次后各個方向即出現明顯裂縫,并呈貫通趨勢。該結果初步說明砂漿試件抗凍性明顯較混凝土試件差,這可能與粗骨料的牽制作用有關,混凝土試件的抗凍性能隨強度提高而呈增強趨勢。不論砂漿還是混凝土,以泡水融化方式進行循環的試件破壞程度明顯重于以自然融化和烘干融化方式進行循環的試件,而以后2種循環方式進行試驗的試件均無明顯破壞現象。

圖1 試件以泡水融化方式凍融循環后外觀照片

2.2 質量變化

超低溫凍融循環試驗過程中,水泥混凝土和砂漿質量損失主要由試件掉皮、棱角脫落等因素造成。圖2為水泥混凝土試件和砂漿試件超低溫凍融循環前后質量變化情況。由圖可見,不論采取何種融化方式進行循環試驗,超低溫凍融循環后試件質量都有不同程度的損失。與循環試驗前相比,循環后,以自然融化、泡水融化和烘干融化方式進行循環試驗的C30混凝土試件質量損失率分別為0.33%、2.96%、0.27%,C60混凝土試件質量損失率分別為0.27%、0.45%、0.24%,M 10砂漿試件質量損失率分別為0.40%、0.23%、0.33%。從測試結果可以看出,混凝土試件以泡水融化方式進行循環試驗后其質量損失明顯大于以另外2種融化方式進行循環試驗的質量損失,這反映出以泡水融化方式進行循環的混凝土試件破壞程度最為嚴重,且隨混凝土強度提高其質量損失率呈降低趨勢;M 10砂漿試件以泡水融化方式進行循環試驗后質量損失最少,這主要是因為在超低溫凍融循環過程中,泡水融化的砂漿試件僅經歷了12次循環就出現貫通裂縫,隨即停止循環試驗,而此時砂漿試件外觀僅表現出開裂破壞,無掉皮、脫落等現象,故質量損失相對較小,以另外兩種融化方式進行循環試驗的試件,外觀無明顯破損現象,但在試驗過程中,由于磕碰或其他因素使其質量損失相對較大。以泡水融化方式進行循環試驗的試件質量損失率從大到小依次為C30砼＞C60砼＞M 10砂漿,該結果與試件外觀破損變化規律一致。以另外2種融化方式進行循環的試件,各試件質量損失率無太大差別。試件質量損失反映的破損程度與試件外觀變化規律基本一致。

圖2 凍融循環前后試件質量變化

2.3 強度變化

圖3為試件超低溫凍融循環前后抗壓強度的變化情況。由圖可見,不論砂漿試件還是混凝土試件,經凍融循環后其抗壓強度較對應基準樣都有所降低,說明試件經凍融循環后其內部結構受到損傷。凍融循環后,C30混凝土、C60混凝土和M 10砂漿以自然融化方式進行循環試驗的抗壓強度較基準樣分別損失10.0%、12.2%、28.9%,以泡水融化方式進行循環試驗的抗壓強度較基準樣分別損失86.0%、74.0%、49.0%,以烘干融化方式進行循環試驗的抗壓強度較基準樣分別損失7.3%、9.3%、12.7%。由此可知,以自然融化和烘干融化方式進行循環試驗,砂漿試件抗壓強度損失率明顯大于混凝土試件的抗壓強度損失率,2種混凝土試件抗壓強度損失率無太大差別,同時可以看出,烘干融化試件抗壓強度損失率明顯低于對應其他兩種融化方式試件的抗壓強度損失率,說明烘干處理有助于提高水泥基材料在超低溫條件下的抗凍性能。以泡水融化方式進行循環試驗,試件抗壓強度損失率從大到小依次為C30砼＞C60砼＞M 10砂漿,與試件質量損失率變化規律一致。另外,混凝土和砂漿試件以泡水融化方式進行循環試驗的抗壓強度損失率明顯大于對應試件以另外2種融化方式進行循環試驗的損失率,說明泡水融化試件在超低溫循環過程中更容易發生嚴重凍融破壞。

圖3 試件凍融循環前后抗壓強度變化

2.4 SEM分析

圖4為超低溫凍融循環后C30混凝土與基準混凝土的SEM照片對比。從圖中可以看出,基準混凝土內部結構較為致密,無明顯裂紋存在,結構中零星地分布著一些針棒狀水化產物;以烘干融化和自然融化方式進行凍融循環試驗的混凝土內部結構仍然較為致密,沒有明顯裂紋存在,其中自然融化SEM照片中空洞邊沿沒有出現明顯裂紋,且結構中分布著一定數量的針狀或片狀水化產物;以泡水融化方式進行循環試驗的混凝土結構內存在非常明顯的裂紋,裂紋雜亂地分布于結構中,空洞邊沿明顯開裂,并向外延伸,以致形成貫穿裂縫,毀壞混凝土結構;結構中仍分布著少量針狀水化產物。由此可知,以泡水融化方式進行凍融循環試驗的混凝土結構內已經存在嚴重缺陷,而以另外2種融化方式進行循環試驗的混凝土結構仍較為完整,無明顯缺陷存在,整體密實性較前者好。該結果與混凝土試件的宏觀性能變化規律一致。

圖4 混凝土試件SEM照片

水泥基材料凍融循環破壞主要由孔溶液結冰膨脹引起。在一定飽水情況下,當環境溫度降低到一定值時,水泥基材料結構內孔溶液達到結冰點,冰晶開始生長并填充于孔隙中,當結冰到一定程度時便產生膨脹應力并作用于孔壁,這種應力一旦超過水泥基材料的極限抗拉強度,其結構便開裂破壞。當溫度升高時,結冰體溶解,又會在水泥基材料內產生較大內應力,使其結構受損。如此往復循環,孔隙水凍融引起的微裂紋不斷擴大,直至水泥基材料出現大裂縫或失去完整性,其強度大量喪失。試驗中,試件破損程度不一致便是因試件孔結構飽水程度不同所致,在凍結速度相同的情況下,孔結構飽水程度較高的泡水融化試件破壞程度最重,出現破壞時間越早。

水泥基材料凍融破壞程度與其結構內孔溶液凍結速度、孔隙飽水程度等因素密切相關,通常是孔溶液結冰速度越快,孔隙飽水程度越高,試件破損越嚴重[14]。以液態氮氣作為凍結原材料,由于其臨界溫度很低(-195℃左右),當與試件接觸時,液態氮氣快速氣化,并吸收大量熱量,環境及試件溫度急劇降低,在液氮量控制得當的情況下,可使試件表層氣溫驟降至-100℃,試件表層結構內孔溶液迅速凍結。由靜水壓理論可知,孔溶液凍結速率越快,越容易產生應力集中,造成試件開裂破壞,明顯加快水泥基材料凍融破壞進程。文獻[15]表明,水泥基材料凝膠孔溶液凍結溫度在-78℃左右,而試驗溫度可降低至-100℃,這一溫度足可以讓凝膠孔水凍結,從更細觀層次上破壞水泥基材料,增加了水泥基材料產生微裂紋的可能性,進一步加速了水泥基材料凍融破壞。與水泥基材料常規凍融循環試驗相比(GBJ 82-85《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》中介紹的試驗方法),以液態氮氣作為凍結原材料進行凍融循環試驗,一方面孔溶液凍結速度更快,更容易使試件開裂破壞,在試件破損程度相當的情況下,可以明顯減少試件凍融循環次數;另一方面,完成1次凍融循環試驗的時間相對較短(僅需3 h左右),在完成循環次數相同的情況下,可以明顯減少試驗時間。綜上所述,以液態氮氣作為凍結原材料進行超低溫凍融循環試驗可以明顯減少試驗周期,縮短試驗時間,相對較快的評價出水泥基材料的抗凍性,保證工程進度。因此,以液態氮氣作為凍結原材料進行凍融循環試驗不失為一種加速水泥基材料凍融循環破壞的有效手段。

3 結論

1)在超低溫凍融循環過程中,混凝土的抗凍性能明顯強于砂漿,且隨混凝土強度提高其抗凍性能呈增強趨勢。

2)烘干處理能有效提高水泥基材料在超低溫條件下的抗凍性能。

3)SEM分析結果表明,超低溫凍融循環后泡水融化試件結構內裂紋數量明顯多于自然融化和烘干融化試件。

4)超低溫凍融循環試驗可以加速水泥基材料破壞進程,明顯減少試驗時間,能相對較快的評價出水泥基材料的抗凍性。

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