凍融循環與水流沖磨耦合作用下混凝土損傷進程

白銀 葉小盛 劉海祥 呂樂樂 寧逢偉 張豐

摘要：冬季寒冷地區與水流接觸的混凝土，常常會受到凍融循環和水流沖磨的雙重作用，二者耦合后的作用機理及損傷進程尚不明確。研究了混凝土在凍融循環和水流沖磨耦合作用下的損傷進程，從混凝土質量損失、相對動彈性模量出發進行混凝土損傷評價，詳細分析了C40、C50、C55混凝土分別在單獨凍融循環、單獨水流沖磨以及凍融-沖磨耦合作用下的損傷進程。結果表明：耦合作用下混凝土表面剝落嚴重，且質量損失超過了單獨凍融循環和單獨沖磨作用下質量損失之和。同時，凍融-沖磨耦合作用下的相對動彈模下降較多，C40混凝土的相對動彈模低至52%，加快了混凝土的失效過程;凍融循環作用導致混凝土結構疏松，進而促進了水流對混凝土的沖磨作用，使混凝土損傷加劇。

關鍵詞：凍融循環;水流沖磨;凍融-沖磨耦合;混凝土損傷;損傷進程

中圖法分類號：TV431文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.11.013

1 研究背景

凍融破壞是降低混凝土耐久性的重要因素之一，多發生于寒冷地區，尤其是我國東北、華北、西北等地區。在寒冷地區，水工混凝土在使用過程中不僅受到凍融破壞，還會受到水流沖刷的作用，水流沖刷也會使混凝土遭到一定程度的破壞。

目前，關于混凝土凍融循環破壞的研究有很多，也有關于凍融循環與其他因素耦合作用的研究，如凍融循環與氯鹽侵蝕耦合作用[1-2]、凍融循環與外部荷載耦合作用[3-6]以及凍融循環、氯鹽侵蝕和外部荷載3種因素的耦合作用[7-10]等。由于水工混凝土所處環境復雜，研究其在多因素耦合作用下的損傷進程尤為重要。關于混凝土在凍融循環與水流沖磨耦合作用下損傷進程的研究較少，開展此方面的研究具有重要意義。

以混凝土重量損失、相對動彈性模量作為混凝土損傷的評價指標，研究了凍融-沖磨耦合作用對混凝土的損傷進程，通過對比單獨凍融循環、單獨水流沖磨作用對混凝土的損傷，分析了凍融-沖磨耦合作用對混凝土損傷的機理。

2 試驗條件

2.1 原材料

水泥采用海螺P·O42.5普通硅酸鹽水泥，粉煤灰采用云南宣威電廠生產的Ⅰ級粉煤灰，礦粉為濰坊鋼鐵廠S95級粒化高爐礦渣粉，減水劑為南京瑞迪高新技術公司提供的聚羧酸高性能減水劑，砂采用天然河砂，表觀密度為2 690 kg/m3，石為石灰巖碎石，表觀密度為2 670 kg/m3。混凝土配合比采用的是典型橋梁工程用配合比（見表1）。

2.2 試驗方法

抗沖磨試驗參考DL/T 5207-2005《水工建筑物抗沖磨防空蝕混凝土技術規程》附錄A中的水砂磨損機試驗進行，水砂磨損機如圖1所示。試件為圓弧形試件，見圖2。

凍融循環試驗采用單面凍融法，參考GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》。為與沖磨試驗耦合，混凝土試件改為與抗沖磨試驗相同的弧形試件（見圖1），內弧面受凍;凍融介質由原來的NaCl溶液改為自來水，凍融循環8次進行1次測試。

3 三種侵蝕作用下混凝土損傷進程分析

3.1 單獨水流沖磨作用下

抗沖磨試驗是在實驗室的封閉空間內完成的，在沖磨過程中會發熱，因此無法直接用冰塊或冰屑作為沖磨介質。為盡可能地模擬攜帶冰塊、冰屑等懸浮介質的水流對混凝土的沖磨作用，在水流中摻入適量的砂替代冰塊或冰屑。

抗沖磨試驗結果見圖3。由圖3可知，C40、C50、C55混凝土在水流沖磨作用下的質量損失比較接近，差異在15%以內。對于不同強度等級的混凝土，膠凝材料用量隨著強度等級提高而增加，易被磨掉的部分增加;水泥石自身的強度隨著強度等級提高而提高，不易被磨掉。因此，C40、C50、C55混凝土被沖磨掉的質量非常接近。

從混凝土質量損失的歷程來看，前3 h混凝土的磨損速率明顯較快，大于3 h以后的磨損速率。這說明最初混凝土表面的漿體比例較大，沖磨時的剝落量較大;一旦表面漿體剝落后，混凝土骨料大面積暴露，而骨料的耐磨性大于漿體的耐磨性，因此沖磨導致的質量損失降低。從量值上觀察，經過5 h的沖磨，混凝土質量損失均在200～230 g，平均磨損40～46 g/h。

沖磨作用的過程主要體現在沖磨介質逐步剝削混凝土表面的砂漿，骨料逐漸外露，沖磨至一定程度后，出現骨料脫落的現象，如圖4所示。經多次沖磨后，混凝土表面的砂漿已經剝落，粗骨料大量外露。

3.2 凍融循環作用下

凍融循環作用下，混凝土的破壞主要表現為表皮脫落和結構疏松，這點與水流沖磨不同。因為水流沖磨只能沖磨混凝土表面，對混凝土內部沒有影響，而凍融循環過程中，混凝土整體溫度均會降低和升高，所有孔隙內部的水都會結冰膨脹，但由于混凝土的傳熱較慢，內外略有細微差別。

凍融循環作用下混凝土的質量損失和質量損失率如圖5所示。從圖5可以看出，在凍融循環作用下，C40混凝土的剝落量一直增加，經80次凍融循環累積損失324 g，質量損失率達到3.9%，然而經過同樣的凍融循環后，C50、C55混凝土質量損失僅約40 g，抗凍融循環能力明顯高于C40混凝土。

凍融循環作用下混凝土的相對動彈性模量如圖6所示。從圖6可以看出，C40、C50、C55混凝土凍融循環80次后的相對動彈性模量均高于60%（相對動彈性模量判據），其中C40混凝土的相對動彈性模量最低（74%），說明在含氣量相當的前提下，提高混凝土的強度等級對改善混凝土的抗凍性效果明顯。

從量值上觀察，經過80次凍融循環，C40混凝土質量損失324g，C50、C55混凝土質量損失約40g;質量損失率都小于5%，C40混凝土質量損失率最大為3.9%;相對動彈模均大于60%，C40混凝土相對動彈模最低為74%。

凍融循環作用下混凝土的表面狀態如圖7所示。從圖7可以看出，經凍融循環作用后，C40混凝土骨料大面積暴露，而C50和C55混凝土骨料暴露面積較小，這與混凝土質量損失情況一致。

3.3 凍融循環與水流沖磨耦合作用下

按照“沖磨0.5 h+凍融8次”，即先將試樣沖磨0.5 h，再凍融8次進行凍融-沖磨耦合作用試驗，凍融循環與水流沖磨耦合作用下，混凝土的質量損失見圖8。由圖8可知，經過10次耦合作用，C40混凝土累計進行了5 h沖磨和80次凍融循環，表面剝落質量達到740 g，而經歷同樣歷程的C50和C55混凝土剝落質量均約370 g，質量損失量值均遠大于單獨沖磨或者單獨凍融循環時的值。

在雙重侵蝕作用下，混凝土表面剝落明顯，如圖9所示。混凝土表面大量的砂漿體在凍融-沖刷耦合作用下被剝落，石子裸露，質量損失嚴重。這與混凝土質量損失結果一致。

值得注意的是，凍融-沖磨耦合作用下混凝土的質量損失并不等于單獨沖磨與單獨凍融作用的相加，如圖10所示。由圖10（a）可知，C40混凝土在凍融-沖磨耦合作用下的質量損失達到740 g，而單獨沖磨作用（223 g）與單獨凍融作用（325 g）相加是548 g，高出35%;圖10（b）中C50混凝土在耦合作用下質量損失為353 g，比二者單獨作用相加（247 g）高出43%;同樣，圖10（c）中C55混凝土在耦合作用下質量損失為383 g，比二者單獨作用相加（252 g）高出52%。凍融-沖磨耦合作用下的質量損失超過了單獨凍融和單獨沖磨作用之和。

凍融-沖磨耦合作用下的質量損失率和相對動彈模見圖11。由圖11可知，C40混凝土的質量損失率已經超過凍融循環判據5%，高至9%，相對動彈模低于判據60%，低至52%;C50和C55混凝土的質量損失率都達到了4%，相對動彈模降至68%和75%，比單獨凍融循環時的數值下降較多。

3.4 混凝土表面微觀結構

采用500倍的顯微鏡觀測混凝土表面微觀結構，單獨沖磨作用、單獨凍融循環作用及凍融-沖磨耦合作用下的混凝土表面微觀結構如圖12～14所示。

由圖12可知，混凝土骨料周邊與水泥石（水泥漿體硬化體）的粘結界面完好，水泥石部分剝落，骨料裸露，骨料表面磨損后呈較光滑的狀態。由圖13可以看出，混凝土骨料周邊與水泥石的粘結界面間隙較大，表面整體有較明顯的結冰痕跡，部分水泥石剝落，骨料裸露，骨料表面保持原始的骨料外形，未見磨損光滑的現象。由圖14可知，混凝土骨料周邊與水泥石的粘結界面間隙變大，有明顯的結冰痕跡，部分水泥石剝落，骨料裸露，骨料表面呈磨損后的光滑狀態。凍融-沖磨耦合作用中的兩種侵蝕作用相互促進，混凝土在凍融環境中，微結構在結冰壓力的直接作用下變疏松，而沖磨作用將疏松的漿體沖掉。

4 凍融-沖磨耦合作用機理

混凝土單獨沖磨0.5 h和混凝土凍融后沖磨0.5 h的平均質量損失，見圖15。由圖15可知，僅進行單獨沖磨作用的混凝土的平均質量損失在20 g左右，而經受凍融后，再沖磨0.5 h的混凝土平均質量損失增加，C55混凝土的平均質量損失高達38.9 g，C40混凝土的平均質量損失最低，達到32.8 g，增加幅度明顯。表明混凝土經過凍融循環后，在結冰壓力的作用下，結構變疏松，在沖磨作用下更易剝落，即凍融對沖磨破壞起到了顯著的促進作用。

混凝土單獨凍融8個循環和混凝土沖磨后再凍融8個循環的平均質量損失，見圖16。由圖16可知，單獨凍融循環和沖磨后再凍融的混凝土的平均質量損失相差不大，表明沖磨作用只能作用在混凝土的表面，除了磨掉的部分，其余混凝土仍然質地堅硬密實，再繼續凍融時，并無明顯加劇混凝土剝落的現象。

因此，混凝土在凍融-沖磨耦合作用下損傷加劇的主要原因是凍融作用促進了沖磨作用，凍融導致的結構疏松，使混凝土表面在沖磨作用下更易剝落。

5 結 論

（1）在凍融-沖磨耦合作用下，C40混凝土剝落嚴重，其質量損失率和相對動彈模快速衰減至失效，C50和C55混凝土性能接近，抵抗凍融-沖磨耦合作用的能力均高于C40混凝土;

（2）凍融-沖磨耦合作用下，混凝土損傷大幅增加，超過了單獨凍融循環和單獨沖磨作用之和，發生了1+1>2的效應;

（3）凍融-沖磨耦合作用機理為凍融循環作用促進了沖磨作用，凍融循環使得混凝土內部結構疏松，在沖磨作用下更易剝落。

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（編輯：唐湘茜）