混凝土抗水凍融和抗鹽凍融循環作用的相關性

徐 港， 龔 朝， 劉 俊， 高德軍， 曾 臻

(1.三峽大學 防災減災湖北省重點實驗室， 湖北 宜昌 443002； 2.三峽大學 土木與建筑學院， 湖北 宜昌 443002)

國內外學者圍繞混凝土凍融損傷做了大量的研究[1-3]，取得了豐富的成果，但對混凝土抗水凍融和抗鹽凍融相關性的研究僅少量文獻[4-5]有所提及.隨著天然砂資源日趨匱乏和人們環保意識加強，人工砂混凝土的應用已非常普遍，而對高石粉含量人工砂混凝土抗水凍融和抗鹽凍融循環作用相關性的研究鮮見報道.考慮到目前混凝土抗凍性能測試方法較多，評價指標多樣，試驗工作量較大，本文擬基于試驗研究和理論分析來探究普通混凝土抗水凍融和抗鹽凍融循環作用的相關性及其對砂類型、混凝土強度等因素的敏感性，以期為不同凍融環境下混凝土抗凍性能的評價提供參考.

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

以某水電站建筑工地二級配泵送混凝土(抗凍等級F100，人工砂石粉(SP)含量(1)文中涉及的含量、水灰比等除特別說明外均為質量分數或質量比.為15%)為基準進行試件配合比設計，見表1.其中水泥采用華新P.MH 42.5中熱硅酸鹽水泥；粉煤灰為曲靖F類Ⅰ級粉煤灰；粗骨料為烏東德水電站砂石加工系統生產，其中5～20mm骨料稱為小石(small-size stone)，20～40mm骨料稱為中石(mid-size stone)；水采用自來水，其水質滿足DL/T 5152—2001《水工混凝土水質分析試驗規程》對拌和用水的要求；減水劑采用江蘇蘇博特PCA-1緩凝型聚羧酸高性能減水劑；引氣劑采用江蘇蘇博特GYQ Ⅰ引氣劑；人工砂為烏東德水電站砂石加工系統生產，細度模數為3.1.不同石粉含量(wSP)下混凝土坍落度以及含氣量分別見表2、3.

表1 混凝土配合比Table 1 Mix proportion of concretes

表2 不同石粉含量下混凝土的坍落度Table 2 Slump of concretes with different stone powder contents

表3 不同石粉含量下混凝土的含氣量Table 3 Gas content of concretes with different stone powder contents

1.2 試驗方法

依據JGJ/T 241—2011《人工砂混凝土應用技術規程》中關于人工砂混凝土的性能要求進行材料性能試驗.同類試件分2組，分別浸泡于水和質量分數為3.5%的NaCl溶液中進行快速凍融試驗.混凝土的凍融試驗參考SL352—2006《水工混凝土試驗規程》中的快凍法進行，考慮到取出試件會影響凍融箱內防凍液的液面高度，可能帶來試驗誤差，故待所有試件相對動彈性模量(Ed，r)均下降到60%時，集中取出試件結束試驗.各試件相對動彈性模量與凍融循環次數(N)的關系見圖1.因SL352—2006規程和JTJ 270—1998《水運工程混凝土試驗規程》評定混凝土抗凍性能時所規定的相對動彈性模量取值不同，分別為60%和75%，故本文按此2種取值進行分析.

2 結果與討論

2.1 混凝土抗水凍融循環次數與抗鹽凍融循環次數的相關性分析

根據圖1，對相同石粉含量，不同強度等級混凝土試件的抗水凍融循環次數Nw和抗鹽凍融循環次數Ns進行數據分析，得到兩者關系如圖2所示.由

圖1 各試件相對動彈性模量與凍融循環次數的關系Fig.1 Relationship between relative dynamic elastic modulus and number of freeze-thaw cycles of specimens

圖2 相同石粉含量，不同強度等級混凝土試件抗水凍融循環次數與抗鹽凍融循環次數的關系Fig.2 Relationship between number of water freeze-thaw cycles and number of salt freeze-thaw cycles of concrete specimens with the same stone powder content and different strength grades

圖2可見，各石粉含量下混凝土試件的抗水凍融循環次數和抗鹽凍融循環次數之間均為線性相關，且比例系數十分接近，約為2.8，說明這種線性相關性幾乎不受石粉含量的影響.

進一步對圖1中2種強度等級的混凝土試件進行分析發現，不同強度等級下試件的抗水凍融循環次數和抗鹽凍融循環次數之間也是線性相關的，且比例系數也約為2.8，說明該線性相關性幾乎不受混凝土強度等級的影響.

根據圖1，對相對動彈性模量下降至60%和75%的試件分別進行分析發現，2種相對動彈性模量下，試件抗水凍融循環次數和抗鹽凍融循環次數之間仍呈線性相關且比例系數相近，說明無論參照SL352—2006規程還是參照JTJ270—1998規程進行評定，這種線性相關性均不變.

文獻[6-7]的研究也表明相同條件下抗水凍融循環次數與抗鹽凍融循環次數之間具有線性關系，且抗水凍融循環次數約為抗鹽凍融循環次數的2.5倍，與本文結果略有差異，這可能是由于砂類型、配合比以及試驗條件等不同而造成的.

借助數據處理軟件將文獻[8-9]中天然砂混凝土凍融循環的數據進行整理，結合本文人工砂混凝土試驗數據，進行匯總分析，結果見圖3.由圖3可見，無論是天然砂混凝土還是人工砂混凝土，其抗水凍融循環次數約為抗鹽凍融循環次數的2.8倍，進一步驗證了混凝土抗水凍融和抗鹽凍融循環次數之間都是線性相關的.

2.2 機理分析

混凝土抗水凍融循環次數與抗鹽凍融循環次數之間的線性關系與混凝土凍融破壞機理密不可分.楊全兵等[10-13]基于系列試驗研究表明，只有混凝土內飽水度超過一定值后，水溶液結冰才能形成結冰壓，且結冰壓隨飽水度增大而增大.混凝土內飽水度的大小及其增長速率取決于鹽濃度，以及鹽對冷凍過程中溶液收縮和結冰特性的影響，因此相同條件下鹽溶液較水產生的結冰壓更大，對混凝土的損傷更嚴重.近年來，Yu等[14-16]采用自主發明的設備對多種凍融介質作用下混凝土的抗凍性能進行了研究，從滲透壓理論[17]、孔結構理論[18]以及結冰壓隨時間累積效應[19]等方面闡釋了不同介質凍融損傷的相關性.

圖3 天然砂混凝土和人工砂混凝土抗水凍融循環次數與抗鹽凍融循環次數的相關性Fig.3 Relationship between number of water freeze-thawcycles and number of salt freeze-thaw cycles ofconcretes with natural sand and artificial sand

混凝土的凍融破壞機理非常復雜，至今尚無公認的、適用于解釋所有凍融破壞機理的理論，因此很難從理論上定量解釋水凍融與鹽溶液凍融之間線性相關的必然性.為此，本文參考文獻[5]依據滲透壓理論，試做如下半定量推論.

混凝土內滲透壓力差可由下式計算[20]：

(1)

式中：ΔP為滲透壓力差，Pa；V為溶液的摩爾體積，L/mol；R為氣體常數，R=8.31×103L· Pa/K·mol；T為熱力學溫度，K；Pw為凝膠孔中水的蒸氣壓，Pa；Pi為毛細孔內冰的蒸氣壓，Pa.

Washburn提出了1個蒸氣壓與水的結冰點在平衡時的半經驗關系方程[20]：

+9.084×10-8t3

(2)

式中：t為溶液結冰點，℃；Pwo為溶液的蒸氣壓，Pa；Pio為溶液結冰的蒸氣壓，Pa.

將式(2)代入式(1)，可得：

(3)

考慮到鹽溶液的摩爾體積受鹽溶液濃度的影響較小，為方便計算，V近似取為水的摩爾體積 0.018L/mol.

由式(3)可知，滲透壓力差與溫度近似成正比關系，混凝土在鹽凍融和水凍融條件下的滲透壓力差ΔP僅與V和t有關，而V與t的值取決于溶液的濃度和種類，說明同種溶液下ΔP是定值.根據滲透壓理論，混凝土凍融破壞產生的原因主要是：在凍融過程中滲透壓力差逐漸積累，導致混凝土內部裂紋不斷增加，當滲透壓力差累積到混凝土的破壞強度時，混凝土就會被破壞.由于混凝土中的自由水含有鉀、鈣、鈉離子等，導致其飽和蒸氣壓比普通水要低，在混凝土中自由水的冰點約為-1.0～-1.5℃，當溫度為 -12.0℃ 時，毛細孔內的水完全結冰[18]；因3.5%NaCl溶液的冰點較自由水低2.0℃[21]，故受鹽凍融混凝土中3.5%NaCl溶液的冰點在-3.0～-3.5℃之間，當溫度降至-14.0℃時，受鹽凍融試件毛細孔內的水完全結冰.由式(3)推算：當混凝土內自由水結冰時，鹽溶液和自由水的滲透壓力差之比為2.3～3.0；當毛細孔內的水完全結冰時，該比值為1.2.因此，忽略其他因素影響，可認為上述試驗結果具有一定的必然性.

3 結論

(1)混凝土在3.5%NaCl溶液中的抗凍融循環次數與其在水中的抗凍融循環次數具有線性相關性，該相關性與混凝土強度等級無關，也與石粉含量以及臨近破壞時的相對動彈性模量無關.

(2)對普通混凝土而言，混凝土抗水凍融循環次數約為其抗鹽凍融循環次數的2.8倍.

(3)值得說明的是，本文結論僅依據全浸泡快速凍融試驗方法得到，而混凝土凍融試驗方法有多種，試驗方法對混凝土抗水凍融和抗鹽凍融相關性的影響尚待進一步研究.