高強承壓多孔混凝土的抗凍融性能研究

聶清念，楊永民，劉曉飛，李海波，呂 凱

(1.廣東省水利水電第三工程局，廣東 東莞 523710；2.仲愷農業工程學院，廣東 廣州 510225；3.廣東輝固材料科技有限公司，廣東 廣州 510425)

關鍵字：多孔混凝土；抗凍融性能；抗凍融指數

多孔混凝土是由水泥、粗集料和水拌合而成的無砂混凝土，有一定的強度且具有優異的透水反濾性能[1-5]。透水混凝土可以描述為由被水泥漿包裹的粗骨料緊密堆積而成的骨架，主要承擔多孔混凝土的強度，堆積后沒有被填充的空隙結構，形成了良好的透水通道，故其滲透性能都遠優于普通混凝土[6-8]。

多孔混凝土應用于各類邊坡和承壓反濾結構中，不僅要具有一定的強度和透水性能，因其具有較大的孔隙結構和孔隙率，冬季孔隙中富集水結冰會對多孔混凝土的性能產生較大的影響，所以有關透水混凝土抗凍性研究也需要充分重視。在多孔混凝土的抗凍性方面，萬偉[9]研究指出透水混凝土的凍融破壞與普通混凝土有所區別，除靜水壓力與滲透壓力之外，還需要考慮溫度應力的作用。胡立國[10]研究認為透水混凝土最佳的孔隙率為18%，最佳漿集比為0.55，最佳水灰比為0.31，硅灰、粉煤灰等摻合料對透水混凝土的抗凍性有明顯的提高作用。樊曉紅[11]研究表明5～10 mm 粒徑碎石，采用0.31的水灰比使用普通硅酸鹽水泥可以配制抗壓強度大于20 MPa的無砂透水混凝土，抗凍性能優良，且水灰比確定時，水泥漿量越多，透水混凝土抗凍性能越好。

國內有關多孔混凝土的抗凍性展開了一些研究，但有關多孔混凝土的抗凍性能如何表征，抗凍性如何提高仍有待進一步系統的研究。本文參考普通混凝土的試驗方法，提出了多孔混凝土抗凍性的試驗方法和評價指標，并系統地研究了粉煤灰、礦渣、硅灰、細砂以及抗裂纖維對多孔混凝土的抗凍性能的影響，以期為多孔混凝土尤其是高強承壓多孔混凝土的抗凍性能提升途徑提供研究方向。

1 試驗原材料及試驗方法

1.1 試驗原材料

水泥采用P·II 42.5R水泥，硅灰密度為2.15 g/cm3，比表面積196 000 cm2/g，具體化學成分和物理力學性能見表1、2。粉煤灰為II級，密度2.30 g/cm3，比表面積5 930 cm2/g。采用減水率為20%的FDN-440T緩凝高效減水劑。碎石采用石灰巖10～20 mm的單一粒徑骨料。

表1 水泥及摻合料的化學組成 %

表2 水泥物理力學性能

1.2 試驗方法

參照GB/T 50081—2012測試多孔混凝土的7、28日抗壓強度(試件規格為100 mm×100 mm×100 mm)。采用《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》中的快凍法[12-14]，凍融循環過程中保持水面超過多孔混凝土試件上表面5 mm，見圖1。同時以相對動彈性模量、質量損失率作為抗凍性的評定指標。

圖1 抗凍融試驗過程

1.3 試驗結果計算公式及評定指標

a)相對動彈性模量計算：

(1)

式中P——經n次凍融循環后試件的相對動彈性模量，3個試件的平均值計算，%；fn——n次凍融循環后試件的橫向基頻，Hz；f0——凍融循環試驗前測得的試件橫向基頻初始值，Hz。

b)凍融后的重量損失率計算：

(2)

式中 ΔWn——n次凍融循環后試件的重量損失率，3個試件的平均值計算，%；G0——凍融循環試驗前的試件重量，kg；Gn——n次凍融循環后的試件重量，kg。

c)抗凍融指數計算：

Kn=P×N/300

(3)

式中Kn——多孔混凝土抗凍融指數；N——達到破壞時的凍融循環次數；P——經過n次凍融循環后試件的相對動彈性模量。

2 試驗結果及分析

本試驗通過分別加入不同的礦物摻合料、細砂和纖維，考察其在凍融條件下對植被型多孔混凝土性能的影響。控制多孔混凝土中的工作性能(擴展度)在(80±2)mm，制備的漿體最大包裹層厚度在0.20～0.30 mm，得到大致相同抗壓強度的多孔混凝土，對比不同摻入材料對多孔混凝土抗凍性能的影響[15]。試驗的配合比見表3。

表3 多孔混凝土抗凍試件配合比

2.1抗壓強度

各系列的多孔混凝土抗壓強度7日強度為25.7～32.8 MPa，28日強度為30.2～35.6 MPa(圖2、3)。對于7日抗壓強度，摻入各類摻合料或纖維，多孔混凝土抗壓強度均降低，28日強度中，除摻入10%硅灰抗壓強度超過純水泥多孔混凝土外，其他系列的混凝土均低于純水泥多孔混凝土。在摻入多孔混凝土中的各類材料中，粉煤灰、礦渣及硅灰具有火山灰活性，細砂和纖維基本不參與水化反應。在水泥水化的堿性環境下，會發生火山灰活性反應，具有一定的強度，在早期水化程度微弱，后期隨著水化進程的發展，使得混凝土強度得到提高，尤其是硅灰，含有較多含量的活性二氧化硅和氧化鋁，具有較高的火山灰活性。故在7日齡期，多孔混凝土的強度普遍降低，28日齡期強度有所提升。

圖2 多孔混凝土7日抗壓強度

圖3 多孔混凝土28日抗壓強度

2.2 橫向基頻和相對動彈性模量

混凝土的相對動彈性模量損失率用來反映混凝土內部的總體缺陷發展。多孔混凝土的橫向基頻和相對動彈性模量見圖4、5。由圖可知，橫向基頻和相對凍彈模量均呈下降趨勢，這可能是因為隨著凍融循環次數的增加，多孔混凝土的內部會逐漸產生微細裂縫，缺陷逐漸增加所造成的。從圖4可看出，經過30次循環后，單摻粉煤灰試件2、細砂試件5和纖維試件6的動彈性模量分別只有67.50%、60.52%和67.18%，都已經接近凍融破壞的臨界值60%，而空白樣試件1和單摻硅灰的試件2動彈性模量仍有77.36%和77.19%。當凍融循環達到45次時，單摻粉煤灰試件2、礦渣試件3、細砂試件5和摻入纖維試件6的相對動彈性模量都已經在60%下，試件遭受凍融破壞。與此同時，純水泥試件1和摻入硅灰試件4的抗凍融性能一直很好，當循環次數達到60次的時候，試件1、4的相對動彈性模量分別為63.42%和65.21%。因此，這兩組試件的抗凍耐久性均在60次循環以上。

圖4 多孔混凝土的凍融循環次數-橫向基頻

圖5 多孔混凝土的凍融循環次數-相對動彈性模量

2.3 質量和質量損失率

多孔混凝土在不同凍融循環次數下的質量及其質量損失率見圖6、7。由圖6可以看出，當多孔混凝土的凍融循環進行到15次的時候，各個編號的混凝土試件重量均有不同程度的增加。這可能是因為，多孔混凝土試件在凍融過程中，一方面可能由于孔隙的孔徑會相應增大，孔隙率隨之增大，提高了吸水率，吸收外界水分而使質量增加，另一方面由于凍融循環使其表面膠結材漿體逐漸從粗骨料上剝離，試件質量減小，這兩者的綜合結果體現出試件質量損失的變化。多孔混凝土的有效孔隙率均在27%左右，凍融初期，多孔混凝土里面尚未產生大范圍的剝蝕，并且還能繼續吸入水量，因此其重量并未發生損失反而增加了。當循環次數達到30次時，此時試件1、3、5都出現不同程度的表層剝落，試件3的表層已經有損害發生，少許漿體和骨料剝落(圖8)，試件5的邊角有掉料現象，因此其質量損失率最大，達到4.91%。而試件2、4、6由于其剝蝕程度不嚴重，因此質量損失率還為負值，試件6的總體狀態很好(圖9)。當經過45次循環后，試件5表面已經出現了明顯的裂縫，質量損失率已經達到9.36%，超出了標準規定的5%的范圍，試件遭受凍融破壞，一取出來隨即斷裂開來(圖10)。試件6的質量損失率也達到了5.35%，遭受凍融破壞，其表面有骨料脫落，手用力一碰即裂開，強度很低。當經過60次循環后，試件2粉煤灰(圖11)和試件3礦渣也高于抗凍融質量損失值5%，分別達到5.82%和6.12%。試件4硅灰的質量損失率最小，僅為0.28%(圖12)，試件1水泥次之(圖13)，為3.18%。

圖6 多孔混凝土凍融循環次數-質量

圖7 多孔混凝土凍融循環次數-質量損失率

圖8 編號3試件30個循環后情形

圖9 編號6試件30個循環后情形

圖10 編號5試件45個循環后情形

圖11 編號2試件60個循環后情形

圖12 編號1試件60個循環后未被凍壞

圖13 編號4試件60個循環后未被凍壞

從圖7可以看出，當多孔混凝土試件2、4和5的質量損失率超過5%(破壞標準)的時候，其對應的相對動彈性模量基本都在60%左右。由于動彈性模量損失率是在無損測試狀態下反映多孔混凝土內部的總體缺陷發展，質量損失率反映的是多孔混凝土在破壞過程中的剝落狀況，因此說明多孔混凝土動彈性模量的下降和質量損失率的發展保持在相同的程度，即質量損失率所呈現的剝落狀況與動彈性模量所反映的混凝土內部劣化程度基本是一致的。

2.4 抗凍融指數

表4顯示的是不同凍融循環次數下不同編號的多孔混凝土的抗凍融指數。經分析可知，摻入不同摻合料或纖維的多孔混凝土其抗凍融指數都隨著凍融循環次數的增加而增加。當到了第45次循環后，抗凍融指數的大小按編號依次為：2<5<3<6<1<4。這說明摻加粉煤灰后多孔混凝土的抗凍性能是最差的，其次是細砂，而對提高抗凍性能有幫助的是摻加硅灰。

表4 多孔混凝土不同凍融循環次數下的抗凍融指數

2.5 抗凍融機理分析

根據T.C Powers的膨脹壓和滲透壓理論，由于表面張力作用，混凝土中毛細孔的冰點隨著孔徑的減少而降低，因而在粗孔中的水結冰后，由冰與過冷水的飽和蒸汽氣壓差和過冷水之間鹽分濃度差引起水分遷移而形成滲透壓[15]。當混凝土中的毛細孔在某負溫下發生物態變化，由水轉化成冰時體積膨脹9%，因受毛細孔的約束產生拉應力。雖然多孔混凝土含有較多的連通孔隙，部分毛細孔中的水在受凍膨脹過程中會向這些大孔隙中擠壓，但總有部分水向相鄰的毛細孔移動，從而產生較大的膨脹壓力及滲透壓力，連續的凍融循環使多孔混凝土內部的損傷(已有的和新發展的)不斷擴展，逐漸形成裂縫，導致結構表面開裂脫落，性能降低失效[16-18]。在觀察凍融循環作用下多孔混凝土部分試件中粗骨料與漿體脫黏的情況發現，隨著凍融循環次數的增加，試件四角脫黏現象比較明顯，并且包裹粗骨料的膠結材漿體出現許多微細裂縫，而且隨著凍融循環逐漸發展。這可能是由于多孔混凝土的膠結材用量比一般混凝土少，因此骨料間相互黏結力比普通混凝土小。當遭受凍融循環時，膨脹力和滲透壓力會最先出現在多孔混凝土骨料之間漿體黏結處特別是試件4個角落的骨料漿體黏結處[19-20]。因此，提高多孔混凝土的抗凍融性能，在骨料品質一定的情況下，最主要的就是要解決包裹粗骨料的漿體如何克服其膨脹和滲透壓力。

硅灰能夠提高多孔混凝土漿體的抗凍性能，作為一種活性很高的火山灰質摻合料，硅灰的摻入提高了漿體的黏稠度，減少了材料的離析，使包裹骨料漿體密實度增加，凍融循環時產生液體壓力就比較難；同時，水泥石中的凝膠孔孔徑很小，凝膠孔中水冰點很低，并不結冰，硅灰的摻入增加了C-S-H凝膠的數量，提高了界面之間的黏結力，強化界面，改善了混凝土的抗凍性，起到阻裂增強增韌的作用。因此硅灰改善了混凝土的內部結構，起到了提高抗凍能力的效果。摻加細砂、礦渣或者纖維的多孔混凝土其抗凍融指數基本與未摻空白樣的持平，而摻加粉煤灰后的多孔混凝土其抗凍融指數最低，粉煤灰活性效應遠不如硅灰，發生二次水化反應速度很慢，生成水化產物的數量和結構較少。

3 結論

a)單摻粉煤灰、細砂和纖維的多孔混凝土凍融循環后動彈性模量相對較低，純水泥和摻入硅灰的多孔混凝土凍融循環后動彈性模量相對較高，當循環次數達到60次的時候，分別為63.42%和66.80%，均在60次循環以上；單摻硅灰和純水泥的質量損失率最小，分別為0.35%和3.18%；摻加粉煤灰后多孔混凝土的抗凍性能是最差的，其次是細砂，而對提高抗凍性能有幫助的是摻加硅灰。

b)多孔混凝土含有較多的連通孔隙，但仍然有可能遭受水結冰后產生體積膨脹的損害。提高多孔混凝土的抗凍融性能，在骨料品質一定的情況下，最主要的就是要解決包裹粗骨料的漿體如何克服其膨脹和滲透壓力。硅灰的摻入增加了C-S-H凝膠的數量，提高了界面之間的黏結力，強化界面，改善了混凝土的抗凍性。