短期持壓載荷對高強混凝土毛細吸水性能的影響

王立成， 李孟遙

(大連理工大學 海岸和近海工程國家重點實驗室， 遼寧 大連 116024)

在海洋和除冰鹽環境中，侵蝕性介質(如氯離子)的傳輸滲透是引起混凝土膨脹、開裂及鋼筋銹蝕的主要原因.水作為侵蝕性介質遷移進入混凝土內部的主要載體，其傳輸速度對混凝土材料性能的劣化起控制作用[1].實際工程中混凝土大多處于非飽和狀態，水分主要通過孔隙液體表面張力產生的毛細吸附作用侵入混凝土內部[2-3].此外，混凝土結構承受的荷載會導致其內部發生損傷，引起孔隙結構的變化或產生一定程度的開裂，影響混凝土的滲透性能.隨著工程需求的升級，混凝土強度等級也不斷提高，C50～C80混凝土的使用已經非常普遍[4].粒化高爐礦渣(GBFS)是冶煉過程中的副產品，利用率一直較低，但具有一定的潛在水硬性[5].利用GBFS替代水泥，既可以拓寬其利用途徑，又可以減少水泥消耗，降低成本.

荷載對GBFS高強混凝土耐久性的研究，多集中于氯離子滲透傳輸性能.Zhang等[6]研究了在循環荷載作用下GBFS和硅灰對混凝土氯離子遷移速度的影響，發現20%、30%礦渣摻量的混凝土氯離子滲透性比40%礦渣摻量的混凝土低很多.Li等[7]研究了持壓和持拉荷載對摻粉煤灰和GBFS混凝土氯離子擴散系數的影響，發現隨著荷載水平的提高，氯離子擴散系數先減小后增大，并建立了應力水平和氯離子擴散系數之間的關系式.石東升等[8]通過對比試驗研究了不同水膠比、不同代砂率粒化高爐礦渣細骨料混凝土的抗氯離子滲透性能，發現當水膠比較小時，礦渣混凝土的抗氯離子滲透性優于同配合比條件下的普通河砂混凝土，當水膠比較大時，結論則相反.洪雷等[9]研究了單摻礦物摻和料(GBFS、粉煤灰、硅灰)混凝土在單軸持壓荷載作用下的氯離子滲透性，并提出了相應的數學模型.由于試驗裝置的限制，上述試驗研究大多采用干濕循環或自然浸泡法測試氯離子濃度，而關于持壓荷載及GBFS摻量對高強混凝土毛細吸水性能影響的研究還未見報道.

本文根據ASTM C1585—2013《測量水硬水泥混凝土吸水率的標準試驗方法》標準，改進了原有的吸水試驗裝置，實現了荷載和毛細吸水同步耦合下累計吸水量的實時測量，開展了短期持壓荷載作用下高強混凝土的毛細吸水試驗，研究了應力水平及GBFS摻量對高強混凝土毛細吸水性能的影響.

1 試驗

1.1 試件制備及預處理

試驗中高強混凝土采用的原材料包括：P·O 42.5 R普通硅酸鹽水泥；粒徑5～20mm連續級配的天然石灰巖碎石；天然中砂，細度模數為2.7，表觀密度為1560kg/m3；礦物摻和料為S95級GBFS；聚羧酸鹽類高效減水劑；自來水.試驗采用的混凝土配合比按C60強度等級設計，水膠比(1)文中涉及的水膠比、水灰比、摻量等除特別說明外均為質量比或質量分數.為0.35，GBFS摻量按0%、10%、20%等量替代水泥.混凝土配合比見表1.

表1 混凝土配合比Table 1 Mix proportions of concrete kg/m3

按表1配合比制備9個邊長為150mm的立方體試件和39個外徑150mm、內徑65mm、高 150mm 的中空圓柱體試件，其中立方體試件用于測定標準養護28d齡期的混凝土抗壓強度.應力水平為0%～30%時，采用同一個試件進行多次毛細吸水試驗，以減少由于不同試件性能的離散性可能帶來的誤差；應力水平為40%～60%時，取3個試件測定某應力水平下混凝土的毛細吸水率，并取其平均值作為試驗結果.這是因為0%～30%應力水平下混凝土大多處于彈性變形階段，假定卸載后損傷或變形能夠完全恢復，可對同一試件進行多次加載和毛細吸水試驗，而40%～60%應力水平下混凝土試件可能已出現不可恢復的損傷，為減小誤差采用3個試件的平均試驗結果來降低混凝土離散性帶來的影響.

立方體試件采用標準立方體試模制備，中空圓柱體試件采用φ150×150mm的綠色ABS試模.澆筑前將內徑65mm的塑料密封瓶用502膠固定在試模底板，圓心對中，密封瓶注水增加穩定性；澆筑時測量漿體坍落度，24h后拆模，并將試件放置在23℃、相對濕度95%的標準養護室養護28d，然后打磨試件上下表面；用澄清石灰水浸泡試件1個月，此時的中空圓柱體試件可認為處于自然飽水狀態，隨用隨取，目的是防止碳化并促進試件完全水化.

試件加載測試前，取不同GBFS摻量的中空圓柱體試件各3個，在105℃下進行恒溫干燥處理，直至質量恒定(質量改變量不超過0.1%)，試件的相對含水量計算公式為：

(1)

式中：θ為試件的相對含水量；mi為一定烘干時間后試件的質量，g；ms為擦干表面水后自然飽水狀態下試件的質量，g；md為完全干燥狀態下試件的質量，g.

測定不同干燥時間下中空圓柱體試件的質量，計算相對含水量并繪制等溫干燥曲線，如圖1所示.當混凝土試件的相對含水量在10%以下時，試件質量隨時間變化緩慢.因此認為試件的相對含水量在10%以下即為完全干燥，由此估算其烘干時間為 78h ，在后續試驗中認為試件烘干78h即到達完全干燥狀態并可開展毛細吸水試驗.

圖1 中空圓柱體試件的等溫干燥曲線Fig.1 Isothermal drying curves of hollow cylindrical specimens

1.2 持壓加載下的毛細吸水試驗

由于機械千斤頂比液壓千斤頂持載過程更穩定，本文采用50t機械千斤頂進行加載，其與反力梁、螺桿共同組成反力系統.通過千斤頂反作用傳遞壓荷載，施加荷載后需實時監測和定期補載以保證荷載值穩定，荷載大小由拉壓傳感器實時測量，試驗裝置如圖2所示.定義應力水平λc為實際施加應力值σc與混凝土極限抗壓強度平均值fc的比值，試驗設定λc為10%、20%、30%、40%、50%、60%.

圖2 試驗裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of test setup

混凝土毛細吸水系統基于連通器原理：試件底部帶預制孔道的白鋼墊板連接注水管加水；上部白鋼墊板鉆孔處通過橡膠管連接觀測管(外徑為 8mm，內徑為6mm)；白鋼墊板和試件之間加環形橡膠墊密封，無荷載狀態下將玻璃膠涂抹在橡膠墊上下表面，粘合試件和白鋼墊板以保證裝置密封性，加載狀態下通過壓力壓實橡膠墊防止裝置滲水；觀測管采用亞克力玻璃管，將其向上熱彎一定長度，并將透明刻度紙粘貼在亞克力管上，刻度紙測試精度為1mm，混凝土試件吸水量由觀測管的刻度變化實時記錄.毛細吸水試驗前，加載至預估應力水平并持載穩定0.5h后，打開進水閥門，通過白鋼墊板預制孔道向混凝土試件中空部分快速注滿水，直至觀測管內充滿水后停止加水，開始記時，按照一定時間間隔讀取觀測管內水柱位置刻度值.毛細吸水試驗持續32h.

1.3 混凝土毛細吸水性能的相關理論

一般非飽和混凝土單位橫截面積上由毛細作用引起的累計吸水量i(mm)可表示為：

(2)

式中：Δm為某一時刻試件的累計吸水質量，g；ρw為水的密度，g/mm3；Ac為試件吸水面積，mm2；S為吸水率，mm/min1/2；t為累計時間，min；b為縱軸截距，mm.

考慮中空圓柱體試件吸水過程中，水分沿徑向運動截面面積的動態變化，文獻[10]定義了與徑向半徑r相關的截面面積修正系數β：

(3)

Δm=pπ(r2-0.25d2)hρw

(4)

(5)

式中：Δms為調整后的累計吸水質量，g；r為某時刻的等效半徑，mm；Vc為混凝土試件的體積，mm3；d為中空圓柱體的內徑，d=65mm；d0為觀測管的內徑，d0=6mm；p為荷載作用下試件的有效孔隙率；Δl為相對于起始時刻觀測管水柱的變化，mm；h為試件高度，h=150mm.

將混凝土簡化為無孔固相和多尺度孔隙組成的兩相材料，當前孔隙率的主要影響因素為彈性模量、泊松比、初始孔隙率及外部等效荷載等[11].假定持壓荷載即為外部等效荷載，則荷載作用下試件的有效孔隙率為：

(6)

式中：p0為初始孔隙率；Eb為混凝土彈性模量，Eb=30.1GPa；vb為泊松比，v0=0.28；qb為外部等效應力(假定等同于所施加的應力)，N/mm2.

初始孔隙率可根據1.1節的飽水干燥試驗結果由下式計算得到：

(7)

綜合以上內容，可得修正后的累計吸水量公式為：

(8)

2 結果與討論

2.1 累計吸水量與應力水平的關系

圖3為不同應力水平下混凝土試件的累計吸水量曲線.由圖3可見：當應力水平小于40%時，試件的累計吸水量隨應力水平增大而減小；當應力水平超過40%時，試件的累計吸水量隨應力水平增大而增大.這是因為：當應力水平較低時，荷載的泊松比效應對混凝土產生壓合作用，混凝土內部孔隙結構受到壓縮，孔隙和微裂縫部分閉合，導致混凝土累計吸水量減少；當應力水平較高時，荷載對混凝土內部造成結構損傷，表現為內部原生裂縫的發展、貫通，同時新的微裂縫也不斷萌生擴展，提供了更多的水分傳輸通道，此時微裂縫效應對混凝土抗滲透性的劣化作用大于泊松比效應對混凝土的壓合作用，表現為混凝土累計吸水量在較高應力水平下呈現逐漸增大的趨勢.

圖3 不同應力水平下混凝土試件的累計吸水量曲線Fig.3 Cumulative water absorption curves of concrete specimens under different stress levels

Li等[7]發現，在壓荷載較小時，孔隙通道、微裂縫會部分閉合，降低了混凝土的孔隙率和連通性，混凝土吸水速度降低；當壓荷載較大時，骨料和水泥砂漿間的界面過渡區會出現微裂縫，因此混凝土的吸水速度提高.由圖3還可以發現，混凝土在持壓荷載作用下的毛細吸水曲線呈現雙線性規律，即初始階段快速吸水，曲線呈線性增長，后期吸水速度降低，曲線增長較為平緩.這是由于試驗早期水分在毛細作用下快速進入混凝土內部，后期隨著混凝土內部相對濕度逐漸提高，孔隙逐漸趨于飽和，吸附能力減弱，曲線趨于平緩.

2.2 吸水率與GBFS摻量、應力水平的關系

圖3的雙線性累計吸水量曲線對應毛細吸水的2個階段：初始階段表面區域的快速毛細吸水及后期階段材料內部的緩慢吸附.根據公式(2)對不同應力水平下的累計吸水量曲線進行雙線性擬合，確定初始階段和后期階段的時間分界點約為360min(即曲線拐點)，計算得到不同應力水平下混凝土的初始吸水率S1和后期吸水率S2，并計算兩階段吸水率的算術平均值即平均吸水率S，用于評價整個毛細吸水過程混凝土的吸水速率，計算結果如圖4所示.由圖4可見：不同GBFS摻量高強混凝土的平均吸水率隨應力水平增大呈現相同的變化趨勢；當應力水平小于40%時，混凝土的平均吸水率隨著應力水平的增大逐漸減小；當應力水平超過40%時，隨著應力水平的增大，混凝土的平均吸水率逐漸增大.這與混凝土試件的累計吸水量隨應力水平變化的規律相一致.

圖4 不同應力水平下混凝土試件的吸水率Fig.4 Absorption rate of concrete specimen under different stress levels

一般來說，材料內部粒子的擴散路徑有3種[12-14]：通過表面進行的擴散，如固-氣界面、固-液界面和氣-液界面；通過界面進行的擴散，即晶體結構和組成成分相同，但取向不同的兩部分晶體的界面；通過材料本體的擴散.前兩種擴散被稱為短路擴散，要比第3種快得多.對于混凝土，可認為是通過骨料-砂漿界面進行的擴散.試驗中混凝土的毛細吸水過程，其初始階段主要是通過混凝土表面的毛細吸水及界面擴散.圖4中混凝土初始吸水率S1與平均吸水率S隨應力水平的變化規律一致.這說明持壓荷載作用下，混凝土的累計吸水量主要由早期決定，荷載變化會引起內部孔隙結構的改變，而初始階段的主導作用——毛細吸力受混凝土內部孔隙結構影響較大，因此荷載變化對混凝土吸水性能的影響主要體現在初始階段，初始吸水率S1隨應力水平的增大先減小后增大.混凝土毛細吸水過程的后期階段主要是通過混凝土材料本體的擴散，主導作用為材料內部的吸附作用，與混凝土材料性質密切相關，是否摻加GBFS及摻量變化都會影響混凝土材料的性質，因此，GBFS摻量對混凝土吸水率的影響主要體現在后期階段.除應力水平50%外，相同應力水平下混凝土平均吸水率S與后期吸水率S2隨GBFS摻量的變化規律一致，均為GBFS-10>GBFS-0>GBFS-20.

王成啟等[14]研究發現：隨著水灰比的降低，普通混凝土的抗氯離子滲透性能不斷增強；水膠比0.35的大摻量GBFS高性能混凝土具有更好的抗氯離子滲透性能，粒化高爐礦渣的適宜摻量為70%左右.本文出現不同結論的原因可能為：(1)GBFS等質量替代水泥，3種混凝土水膠比相同但水灰比不同，低水灰比使混凝土孔隙率較低，在一定程度上阻礙了混凝土內部的水分傳輸；(2)GBFS與水泥相比，形貌和物理性質相差較大，其多孔且吸水性強，使周圍水泥漿的水膠比降低，水泥漿更加密實； (3)GBFS 化學性質與水泥相似，具有潛在活性，隨著養護時間的延長，其微填充和二次水化效應逐漸發揮作用，生成致密的C-S-H凝膠，改善界面區結構，強化集料界面的黏結性能，從而改善了混凝土的吸水性能.因此GBFS-20能更好地阻礙水分的傳輸.摻加GBFS的混凝土與普通混凝土的水化反應存在顯著不同：GBFS急冷狀態后具有較高的水硬活性，并取決于玻璃體中[SO4]4-四面體的聚集狀態及含量；[SO4]4-四面體常以低聚合態存在，因此GBFS單獨與水的反應非常緩慢，但當加入到硅酸鹽水泥熟料中時，水泥快速水化產生的Ca2+激發了玻璃體，使[SO4]4-四面體聚合體中聚合的Si—O—Si鍵解離，生成的硅酸鹽陰離子與水化生成的Ca2+及GBFS中原有的Al3+、[AlO4]5-反應，生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣及鈣礬石等，這些產物填充于混凝土孔隙中，改善了混凝土的抗氯離子滲透性能.10%GBFS摻量混凝土吸水率高于另外2種混凝土這一反常現象有待進一步研究.

2.3 吸水率與混凝土性能的關系

不同應力水平下C40普通混凝土與C60高強混凝土的平均吸水率變化曲線如圖5(a)所示.由 圖5(a) 可見：短期持壓荷載作用下C60混凝土的平均吸水率最小值出現在40%應力水平左右，高于C40混凝土對應的應力水平(10%左右)[14]；較高應力水平下，C40混凝土的吸水率遠大于C60混凝土.以40%應力水平下的吸水率為例，GBFS-0的C60高強混凝土平均吸水率為0.0253，為C40普通混凝土在同一應力水平下平均吸水率的1/2.6倍.其原因可歸結于以下三點：(1)C60高強混凝土水灰比較低，內部結構更密實，孔隙較少且連通性較差，水分在其中傳輸受到的阻礙較大，而C40普通混凝土內部密實性差，孔隙較多且連通性較好，水分在其內部傳輸更容易；(2)C60高強混凝土抗壓強度較高，彈性階段強度的提高使高強混凝土在較高荷載水平下仍處于受壓密實狀態，吸水率更低，而C40普通混凝土在荷載作用下過早出現損傷，裂縫擴展貫通，為水分傳輸提供更多的通道；(3)C60高強混凝土水灰比較低，存在大量未水化的Ca(OH)2,即使在荷載作用下出現裂縫,混凝土露出的新鮮漿體在水分傳輸過程中還會發生二次水化反應，產生新的水化產物填充微裂縫，阻礙水分傳輸.綜上所述，與C40普通混凝土相比，C60高強混凝土能在較高的應力水平范圍內更好地阻礙水分傳輸，保持較低的毛細吸水率，表現為能在更高的應力水平范圍內保持較好的耐久性能.

圖5 不同應力水平下C40普通混凝土與C60高強混凝土吸水率對比Fig.5 Comparison of absorption rate between C40 ordinary concrete and C60 high strength concrete under different stress levels

圖5(b)為不同應力水平下C40普通混凝土與C60高強混凝土相對吸水率對比曲線，其中S0為應力水平為0時的平均吸水率.由圖5(b)可見：對于高強混凝土，當應力水平為40%時，其相對吸水率在0.5上下，即40%應力水平下混凝土的吸水率比無荷載下的吸水率降低了一倍，此時壓荷載的泊松效應占絕對優勢；當應力水平為60%時，C60高強混凝土的相對吸水率為0.946，表明此時混凝土的吸水率與無荷載時的吸水率十分接近，荷載對混凝土的壓密效應和微裂縫效應處于平衡狀態，二者相互抵消；對于C40普通混凝土，當應力水平為30%時，混凝土的相對吸水率約為1.078[15]，超過30%應力水平后，相對吸水率逐漸增大，50%應力水平下的相對吸水率為1.338[15]，混凝土的微裂縫效應大于荷載的壓密效應.高強混凝土的相對吸水率值在50%應力水平內均小于1，這表明持壓荷載在50%應力水平范圍內對阻礙高強混凝土內部的水分傳輸是有利的.

由圖5(b)還可以發現，在應力水平閾值(40%應力水平)前后范圍內，高強混凝土的相對吸水率S/S0與壓應力水平之間都呈現較好的線性規律.根據試驗數據，建立高強混凝土相對吸水率與壓應力水平之間的關系式如下：

(9)

2.4 GBFS摻量對混凝土強度的影響

表2給出了混凝土試件的抗壓強度、坍落度和初始孔隙率.由表2可見，在水膠比相同的情況下，隨著GBFS摻量的增加，混凝土的抗壓強度大致相同，20%摻量的混凝土強度略低.范克增等[16]研究對比了粉煤灰與GBFS按照不同比例替代水泥對混凝土強度的影響規律，發現GBFS摻量小于35%時，其3、7、28d的強度略有上升，而摻量超過35%后，隨著摻量增多其強度下降.王紀曾[17]通過研究不同GBFS摻量的混凝土抗壓強度發現，GBFS摻量為20%和40%時，其強度仍比未摻礦渣的混凝土要高.上述研究結果與本試驗結果有一定差異，原因是早期GBFS沒有完全水化，導致摻GBFS的高強混凝土28d抗壓強度要略低于無摻和料的高強混凝土，但相差不多.在水膠比相同的情況下，摻GBFS的混凝土初始孔隙率大于普通混凝土的孔隙率，原因可能是：(1)用GBFS等質量替代水泥后，水膠比不變但水灰比變大，高水灰比混凝土整體性能下降，宏觀表現為強度降低； (2)GBFS 是煉鐵高爐中的熔融礦渣經水淬急冷而形成的疏松顆粒，其內部結構存在缺陷，表面孔隙較多且顆粒形狀不規則，其物理缺陷導致早期火山灰效應發揮不完全，因此其初始孔隙率較高，強度降低.

表2 混凝土試件的強度、坍落度及初始孔隙率Table 2 Compressive strength, slump and initial porosity of concrete specimens

3 結論

(1)在0%～60%應力水平下，由于泊松比效應、微裂縫效應的綜合影響，C60高強混凝土的累計吸水量隨著應力水平的提高先減小后增大.混凝土的毛細吸水曲線呈現明顯的雙線性變化規律，平均吸水率隨應力水平的變化規律與累計吸水量隨應力水平的變化規律一致.

(2)在短期持壓作用下，混凝土的吸水率主要由初始階段的毛細吸水決定，荷載對混凝土吸水性能的影響在初始階段更加明顯；GBFS摻量引起混凝土吸水率的變化在后期更為顯著.

(3)短期持壓荷載作用下，C60高強混凝土吸水率變化的應力水平閥值在40%左右，高于C40普通混凝土對應的應力水平閥值(10%左右)，且持壓荷載下C40普通混凝土的吸水率遠高于C60高強混凝土的吸水率.與普通混凝土相比，高強混凝土能在更高的應力水平范圍內保持較低的吸水率.高強混凝土相對吸水率S/S0與應力水平λc之間呈雙線性變化規律，對試驗數據回歸分析建立了二者之間的經驗公式.

(4)無論有無荷載作用，C60高強混凝土均有較好的抗滲性能，摻加GBFS能改善高強混凝土的水分傳輸性能，不同GBFS摻量下混凝土毛細吸水率關系為：GBFS-10>GBFS-0>GBFS-20.