干燥引起的初始缺陷對混凝土宏觀性能的影響

李曙光， 郝偉男,， 陳改新， 紀國晉， 卿龍邦

(1.中國水利水電科學研究院 流域水循環模擬與調控國家重點實驗室， 北京100038；2.河北工業大學 土木與交通學院， 天津 300401)

中國西部不少地區都存在干旱、大風等氣候特點，如甘肅省玉門市年平均降水量不到70mm，年平均相對濕度低于10%，且風速高、風期長，年平均大風(>8級)日數150d[1].干燥大風環境給現場施工和混凝土養護帶來很大難度和挑戰，如果不注意養護或不采取強化養護措施，混凝土在28d養護期間就會出現微裂紋，形成初始缺陷，即使后期采取覆蓋澆水保濕養護也難以彌補[1].中國嚴酷環境地區的混凝土結構服役壽命遠低于設計壽命[2]，與其由干燥引起的初始缺陷不無關系.

研究表明，干燥環境中的混凝土抗壓強度升高[3,5-6]、彈性模量降低[3-6]、傳輸性能增大[7-8].但上述研究主要針對標養充分的混凝土，一般認為其內部并不存在初始缺陷.侯東偉等[9]把僅標養3d的不同強度的混凝土置于室內自然干燥環境中養護至28d時，發現C30混凝土抗壓強度比標養28d的混凝土降低11%，而C50和C80混凝土的抗壓強度降低并不明顯.劉英等[10]將分別標養1，3，7，14，28d的混凝土置于干燥環境(相對濕度60%)中，28d后發現僅標養1，3d的混凝土干縮比標養28d的混凝土高約40%，比標養7，14d的混凝土高約30%.然而迄今為止，研究人員對干燥初始缺陷的表征以及干燥初始缺陷如何影響混凝土宏觀性能尚不清楚.

本文將混凝土試件分別標養3，7，28d后置于干燥環境(21℃，相對濕度37%)中，在不同齡期下測試混凝土試件的抗壓強度和劈拉強度、抗凍性和抗氯離子滲透性.采用由彈性波波速計算得到的初始損傷度對由干燥引起的混凝土初始缺陷進行定量表征，同時采用掃描電鏡(SEM)、壓汞試驗和微裂紋量化分析技術對混凝土試件表層基體進行微觀分析，以探討混凝土干燥初始缺陷形成機理.

1 試驗

1.1 原材料及配合比

水泥為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；粉煤灰為Ⅰ級粉煤灰；粗骨料采用二級配石灰巖碎石等比例復配成兩級配，粒徑范圍為5～40mm；細骨料為天然河砂，細度模數為2.45；減水劑采用JM-Ⅱ高效減水劑，減水率為18.5%(質量分數，文中涉及的減水率、含量、水灰比等除特別注明外均為質量分數或質量比).新拌混凝土實測含氣量約為1.0%(體積分數)，未摻加引氣劑.混凝土配合比見表1.

制備成型尺寸為100mm×100mm×400mm和100mm×100mm×100mm的2種試件，其中棱柱體試件用于彈性波測試和抗凍試驗，立方體試件用于抗壓強度、劈拉強度與氯離子滲透性試驗.混凝土試件標養3，7，28d后置于21℃，相對濕度37%的干燥環境中，試件編號分別記作SC3，SC7和SC28.

1.2 干燥環境

恒濕干燥環境通過在密閉容器中放入過飽和醋酸鉀溶液自動實現，飽和醋酸鉀溶液上方空氣的平衡相對濕度可保持在恒定值(20～30℃時平衡相對濕度為23.1%)[11].

采用3個密閉容器放置混凝土試件，密閉容器內部尺寸為90cm×45cm×70cm.圖1為干燥裝置示意圖和放入混凝土試件前后其內部相對濕度變化曲線.由圖1(a)可見：試件分層擺放，上下層試件之間用厚度為3cm的金屬格柵隔開，每層上試件與試件之間均保持3cm的間隙；采用溫濕度自動監測儀對干燥裝置內相對濕度進行監測，混凝土試件上端與間隙處各布置1個傳感器，相對濕度取這2個傳感器測得數據的平均值，試驗溫度為(21±0.5)℃.由圖1(b)可見：放入混凝土試件前干燥裝置內相對濕度在24h內很快降低并達到穩定值27%左右(考慮到試驗用濕度計相對誤差為3%，該值非常接近理論值23.1%)；放入混凝土試件后，干燥裝置內相對濕度在2d內從60%很快降至40%以下，最終穩定在37%左右.

1.3 試驗方法

到達試驗齡期時，從3個系列試件中各取出1組(3塊)試件，按照SL 352—2006《水工混凝土試驗規程》進行抗壓強度、劈拉強度、抗凍與抗氯離子滲透性試驗.其中抗氯離子滲透性試驗采用電通量法，取6h電通量為標準來評價混凝土抗氯離子滲透性，電通量越大，混凝土抗氯離子滲透性越差.抗氯離子滲透性試件為6個尺寸為100mm×100mm×49mm的長方體試塊，由3個100mm×100mm×100mm的立方體試塊從中間切割得到.混凝土電通量測試裝置兩端的圓形密封墊圈直徑為95mm，故試塊實際有效測試尺寸為φ95×49mm,滿足SL 352—2006的相關要求.

圖1 干燥裝置示意圖和放入混凝土試件前后的內部相對濕度變化曲線Fig.1 Schematic of the drying chamber and the variation of relative humidity inside with/without concrete speciments

采用沖擊回波法[12]來測試混凝土試件的彈性波波速，測量儀器為四川升拓檢測技術責任有限公司開發的混凝土彈性波測試系統.“初始損傷度”定義為含初始缺陷的混凝土試件相對于不含初始缺陷試件的相對動彈性模量的降低值,采用其對混凝土干燥初始缺陷程度進行定量表征.由于混凝土動彈性模量Ed與彈性波波速v的平方成正比[12]，即Ed∝v2，通過類比SL 352—2006規范4.23節中給出的混凝土試件相對動彈性模量計算公式，得到基于彈性波波速求解的混凝土初始損傷度Din，其計算公式如式(1)所示.

(1)

由式(1)可看出，Din取值范圍為0～1，對于標準養護28d的混凝土試件，其Din為0.

分別采用S-4800/EX-350型掃描電子顯微鏡、PoreMasterGT6型壓汞儀對混凝土試件進行微觀測試分析.測試樣品選取試件干燥表面以下約1cm處的砂漿基體.

從立方體混凝土試件中部切出1.5cm厚的切片，再在切片邊緣切出2cm×2cm的區域，用于微裂紋定量分析.切割位置及切片示意圖見圖2.微觀分析樣品經過磨平、40℃下真空烘干、熒光環氧浸漬和二次磨平后采用熒光顯微成像系統進行顯微圖像的獲取，并采用自主開發的微裂紋識別量化分析軟件進行量化分析，詳細處理過程和基于數字圖像處理技術的微裂紋量化分析方法可參閱文獻[15].采用微裂紋密度(單位面積中微裂紋總長度，mm/mm2)對微裂紋結構進行表征.

圖2 混凝土試件切割位置以及切片中微裂紋定量分析區域示意圖Fig.2 Schematic of the slicing location in the concrete speci-men and the microstructural analyzing sample(size:cm)

2 結果及分析

2.1 宏觀試驗結果

2.1.1含干燥初始缺陷混凝土的抗壓強度和劈拉強度SC3，SC7和SC28系列試件28，56，90d齡期的抗壓強度和劈拉強度如圖3所示.各齡期下各組試件抗壓強度和劈拉強度值取該組3個試件的平均值.

圖3 干燥環境中SC3，SC7和SC28系列試件不同齡期抗壓強度和劈拉強度Fig.3 Compressive strength/splitting tensile strength of SC3,SC7 and SC28 series of concrete specimens under different trial ages

由圖3可看出：

(1)SC3，SC7和SC28系列試件28d抗壓強度和劈拉強度無明顯差異(分別為26.5，27.4，27.1MPa 和2.08，2.16，2.12MPa)，56，90d齡期時各系列試件之間的力學性能差異比較明顯.56，90d 齡期時，SC7系列試件相比SC28系列試件抗壓強度和劈拉強度分別降低8%，5%和7%，6%；而SC3系列試件56，90d齡期抗壓強度和劈拉強度分別降低11%，13%和13%，10%；SC3系列試件的力學性能明顯低于SC7系列試件.

(2)在干燥環境中SC3，SC7和SC28系列試件的抗壓強度和劈拉強度均隨齡期的增加逐漸增加，該試驗結果與以前的研究結果[3，6]一致，這是由于干燥造成混凝土表層的毛細孔收縮而形成的圍壓效應[13].

由以上分析可知，相比標準養護28d混凝土，含干燥初始缺陷混凝土28d力學性能差異不大，但長期(56，90d)力學性能有明顯降低；混凝土標準養護時間越短、處于干燥環境時間越長，其力學性能降低幅度越大.

2.1.2含干燥初始缺陷混凝土的抗凍性

SC3，SC7和SC28系列試件在28，90d齡期的相對動彈性模量和質量損失率隨凍融循環次數增加的變化曲線見圖4.其中相對動彈性模量和質量損失率取各組3個試件的平均值，每隔20次凍融循環測試1次.

由圖4(a)，(c)可見：(1)無論是28d還是90d齡期，SC3，SC7和SC28系列試件的相對動彈性模量均隨凍融循環次數的增加而降低；在相同凍融循環次數下，SC28系列試件的相對動彈性模量最大，SC7系列試件次之，SC3系列試件最低.(2)在干燥環境中，當齡期從28d增加至90d時，3個系列試件的抗凍性能均有明顯下降，當齡期為28d且凍融循環40次時，SC3，SC7和SC28系列試件的相對動彈性模量分別降至39%，51%和67%；由SL 352—2006中凍融破壞的規定可知，SC28系列試件尚未破壞，SC3和SC7系列試件均已破壞；當齡期為 90d 且凍融循環為40次時，SC3，SC7和SC28系列試件的相對動彈性模量分別降至17%，32%和49%，3個系列試件均已破壞.

由圖4(b)，(d)可見：SC3，SC7和SC28系列試件質量損失率隨凍融循環次數的增加而增大，且隨著干燥齡期的增加而增大；在相同凍融循環次數下，SC3系列試件的質量損失率最大，SC7系列試件次之，SC28系列試件最小.

由以上分析可知，與標準養護28d混凝土相比，含干燥初始缺陷混凝土的抗凍性能降低，且混凝土試件標準養護時間越短、處于干燥環境中的時間越長，其抗凍性能越差.

2.1.3含干燥初始缺陷混凝土的氯離子滲透性

SC3，SC7和SC28系列試件6h電通量如圖5所示.每個系列試件的電通量取該組3個試件的平均值.

由圖5可看出：齡期為28，90d時，SC3，SC7和SC28系列試件6h的總電通量分別是920 C/710 C，830 C/660 C與560 C/450 C；在相同試驗齡期下，SC3和SC7系列試件總電通量明顯大于SC28系列試件，且SC3系列試件總電通量最大，即抗氯離子滲透性最差.

由以上分析可知，含干燥初始缺陷混凝土的抗氯離子滲透性能明顯低于無初始缺陷混凝土；混凝土標養時間越短、處于干燥環境中的時間越長，其抗氯離子滲透性越差.

圖4 不同齡期混凝土相對動彈性模量和質量損失率隨凍融循環次數變化曲線Fig.4 Variation of relative dynamic modulus of elasticity and mass loss rate of concrete specimens with freezing-thawing cycles at different trial ages

圖5 SC3，SC7和SC28系列試件的電通量Fig.5 Total charge of SC3,SC7 and SC28 series of concrete specimens

2.1.4初始損傷度

以28d齡期SC28系列3個試件彈性波波速的均值為基準值，根據式(1)計算28d齡期SC3和SC7系列試件的初始損傷度，如圖6所示.其中每個系列試件的初始損傷度為3個試件的平均值.

由圖6可看出，SC3和SC7系列試件的初始損傷度分別為0.10和0.07，前者為后者的1.4倍.初始損傷度數值可以表征混凝土干燥初始缺陷程度的高低，初始損傷度數值越大，表明其干燥初始缺陷程度越高，反之亦然.由此也可看出混凝土干燥初始缺陷的程度與其標準養護時間、處于干燥環境中的時間有關：混凝土標準養護時間越短、處于干燥環境中的時間越長，其干燥初始缺陷的程度越高，相應的初始損傷度越大.

圖6 SC3與SC7系列混凝土初始損傷度Fig.6 Initial damage extent of SC3 and SC7 series of concrete specimens

綜合以上宏觀性能測試結果可知，雖然干燥初始缺陷對28d混凝土的力學性能影響不明顯，但含干燥初始缺陷混凝土(SC3和SC7系列試件)的長期力學性能、抗凍性能和抗氯離子滲透性能明顯低于標準養護28d混凝土(SC28系列試件)；SC3和SC7系列試件基于彈性波波速計算得到的初始損傷度也明顯大于SC28系列試件；標準養護時間越短、處于干燥環境中的時間越長，混凝土干燥初始損傷度越大，混凝土的宏觀性能降低越明顯.

2.2 微觀試驗結果

2.2.1掃描電鏡圖像

試驗齡期為28d時，取SC3，SC7和SC28系列試件微觀分析樣品置于無水酒精中止水化3d，真空干燥后獲取其掃描電鏡照片，如圖7所示.

由圖7(a)～(c)可見，SC28樣品中基體最密實、SC7次之，SC3密實度最差，其基體呈松散顆粒狀.由圖7(d)～(f)可見，相比SC28系列試件，SC3和SC7系列試件受干燥影響，基體花瓣狀水化產物較少.由此可知，標準養護時間短、過早暴露于干燥環境中的混凝土受干燥影響，區域內基體密實度降低，初步猜測是由于干燥環境中混凝土水分向外散失導致內部水泥水化不充分所致.

2.2.2壓汞試驗結果

由壓汞試驗結果可知，28d齡期時SC3,SC7和SC28系列混凝土樣品的孔隙率分別為21.7%，22.0%和21.6%，無明顯區別.

根據孔徑范圍，混凝土內部孔隙可分為3類：無害孔(孔徑<0.02μm)、少害孔(孔徑為0.02～0.05μm)、有害多害孔(孔徑>0.05μm)[14].根據壓汞試驗結果得到28d齡期時3個系列混凝土樣品內不同類型孔隙的百分含量(體積分數，下同)，如圖8所示.由圖8可見，3個系列混凝土樣品受干燥影響，區域基體內部孔徑分布區別明顯——與SC28系列混凝土樣品相比，SC7和SC3系列混凝土樣品基體有害多害孔含量由29%增加到32%,38%，無害孔含量由40%降低到37%，32%；SC3系列混凝土樣品有害多害孔含量最高.

圖7 SC3，SC7和SC28系列混凝土試樣掃描電鏡照片Fig.7 SEM photos of SC3,SC7 and SC28 series of concrete samples

圖8 SC3，SC7和SC28系列混凝土樣品中不同種類孔隙分布Fig.8 Pore distribution of SC3,SC7 and SC28 series of concrete samples

由以上分析可知，雖然SC3和SC7系列混凝土樣品區域基體內部孔隙率與SC28系列無明顯區別，但其基體內部有害多害孔含量較多、無害孔較少，孔結構變差，且SC3系列混凝土樣品相比SC7系列混凝土樣品孔結構更差.

2.2.3微裂紋定量分析

28d齡期時，SC3,SC7和SC28系列試件切片的顯微圖像如圖9所示.圖9中左圖切片尺寸為 20mm×20mm，微裂紋處用加粗線條顯示，右圖為白色方框區域的放大圖像.由圖9可直觀看出，相同面積的區域內，SC3和SC7系列試件切片所含的微裂紋數量明顯多于SC28系列試件.

圖9 SC3，SC7和SC28系列試件切片的典型顯微圖像Fig.9 Typical microscopic images of slices cut from SC28,SC7 and SC3 series of concrete samples

SC3,SC7和SC28系列試件微觀分析切片的微裂紋密度分析結果見圖10，其中每個系列的微裂紋密度為2個切片微裂紋密度的平均值.

圖10 SC3，SC7和SC28系列試件切片的28d齡期受干燥影響區域微裂紋密度Fig.10 Microcrack density of the microstructural analyzing sample in the outer layer of SC3,SC7 and SC28 series of concrete samples

由圖10可以看出，SC28系列試件切片表層微裂紋密度最低,為0.008mm/mm2，SC3和SC7系列試件切片微裂紋密度均明顯高于SC28系列試件，分別為0.063,0.085mm/mm2.由此可知：微裂紋也是由干燥引起的初始缺陷的一種表現形式；混凝土標準養護時間越短、暴露于干燥環境中的時間越長，受干燥影響區域的微裂紋密度越大.

由以上微觀分析結果可知：干燥引起的混凝土初始缺陷的形成與混凝土微結構的致密程度相關；其表現形式有2種，一是基體孔結構中有害多害孔含量升高，二是受干燥影響區域微裂紋密度明顯增大.

綜合含干燥初始缺陷混凝土的宏觀性能與微觀分析結果可知：在干燥環境中混凝土若養護時間不足，混凝土表層會形成初始缺陷；初始缺陷可以用孔結構中有害多害孔(無害孔)的含量、微裂紋密度來定量表征；混凝土表層孔結構、表層微裂紋的密度與混凝土宏觀性能如力學性能、抗凍性能、傳輸性能和彈性波波速等密切相關：有害多害孔含量越高、微裂紋密度越大，混凝土的初始損傷度越大，相應的宏觀性能降低越明顯.

3 結論

(1)基于彈性波波速計算得到的初始損傷度定量表征了混凝土干燥初始缺陷程度，標準養護時間越短、處于干燥環境中時間越長，其內部初始缺陷程度越高，相應的初始損傷度越大.標養3，7d時混凝土干燥初始損傷度分別為0.10和0.07.

(2)干燥初始損傷度越大，混凝土的長齡期力學性能、抗凍性能和抗氯離子滲透性能降低越明顯.SC3和SC7系列試件的28d抗壓強度和劈拉強度與SC28系列試件相近，但SC3系列試件比SC28系列試件降低11%和13%，SC7系列試件90d抗壓強度和劈拉強度比SC28系列試件降低7%和6%；相同凍融循環次數下，SC3和SC7系列試件的相對動彈性模量僅為SC28系列試件的35%和65%；SC3和SC7系列試件6h電通量分別為SC28系列試件的1.6和1.5倍.

(3)混凝土的干燥初始缺陷可以用表層基體的孔結構和微裂紋密度定量表征：SC3和SC7系列試件表層基體有害多害孔含量高于SC28系列試件、無害孔含量低于SC28系列試件；SC3和SC7系列試件表層微裂紋密度明顯高于SC28系列試件且SC3系列試件最高.

(4)為了對干旱大風地區建筑物中混凝土的健康狀態進行合理檢測評估，除了常規的芯樣力學性能測試外，建議增加抗凍性能測試、抗氯離子滲透試驗、彈性波測試以及芯樣的微裂紋定量分析、孔結構分析等微觀分析.