干濕循環作用下混凝土力學性能及微觀結構研究

邵化建，李宗利,2，肖帥鵬，姚希望，張 寧

(1.西北農林科技大學水利與建筑工程學院，楊凌 712100； 2.西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室，楊凌 712100)

0 引 言

混凝土的耐久性受其運行的環境影響，國內外專家已對其進行了大量研究[1-2]。對于在水環境中服役的混凝土而言，干濕循環作用對其性能的影響尤為顯著。Li等[3]通過理論推導和數值分析，探究得到了干濕循環條件下混凝土表面水分遷移的主要機制。Zhang等[4]針對干濕循環作用下混凝土干縮濕脹特性進行了實驗研究和理論模擬，得出混凝土內部相對濕度在干濕循環過程中發生周期性變化的結論。劉鵬等[5]通過模擬干濕環境，探究得到了干濕循環對混凝土內水分深度影響和混凝土平衡時間的影響。Chen等[6]的研究結果表明，經干濕循環作用后，混凝土動態彈性模量不斷減小并趨于穩定，混凝土失重率不斷增加并逐漸變緩。Song等[7]研究了混凝土在干濕循環作用下的收縮與徐變特性。

混凝土性能的演變規律，取決于其微觀結構的變化[8-9]。上述研究探究了干濕循環條件下的混凝土宏觀性能的演變規律，缺乏從微觀結構解釋混凝土在獨立干濕循環條件下的性能變化機理。國內外研究中，干濕循環作用往往伴隨在有害鹽分的侵蝕作用機理研究中，多位研究人員[10-14]通過試驗研究了干濕循環與侵蝕性介質耦合作用下混凝土的劣化機理。結果表明，鹽蝕對混凝土的劣化影響顯著，但水除作為運輸介質外，水分從混凝土內逸出或吸水過程存在毛細管張力的循環變化，勢必引起混凝土微觀結構變化，水的循環作用是否對混凝土的劣化起到一定作用沒有得到進一步的研究。已有研究表明，濕度含量本身對混凝土力學性能和變形性能有影響[15-16]。綜上，對干濕交替環境下的混凝土劣化規律展開研究，并應用微觀檢測結果解釋其變化機理重要且必要。

因此，本文開展混凝土在干濕交替環境下的試驗研究，研究干濕循環作用對混凝土物理力學性能的影響，分析不同強度等級混凝土在干濕循環不同階段的強度變化規律，通過壓汞法測定孔隙率和孔隙結構，利用非金屬超聲檢測儀檢測超聲波速變化規律，以探討混凝土干濕循環的劣化機理，為水工混凝土薄壁結構精細分析、安全度評價提供理論支撐。

1 實 驗

1.1 原材料

水泥采用陜西冀東水泥廠產“盾石”牌P·O 42.5R級普通硅酸鹽水泥，標準稠度用水量28.78%(質量分數)，其化學組成(質量分數，下同)和基本特性見表1。細骨料為陜西渭河砂場的天然中砂，表觀密度2.56 g/cm3，級配良好，細度模數2.75，含泥量1.2%(質量分數)；粗骨料為陜西渭河卵石，粒徑5～20 mm，含泥量0.33%，表觀密度2.62 g/cm3，粗、細骨料有害物質含量都符合規范要求。粉煤灰采用河南藍科Ⅱ級粉煤灰，其化學組成和基本特性見表2。拌和用水選用自來水，滿足規范對混凝土試驗用水的要求；減水劑采用青島虹夏聚羧酸高效減水劑。

表1 水泥化學組成與基本特性Table 1 Chemical composition and basic physical properties of cement

表2 粉煤灰化學組成與基本特性Table 2 Chemical composition and basic physical properties of fly ash

1.2 試驗儀器及試件制備

電熱恒溫鼓風干燥箱用于干燥混凝土試件，溫度分辨率為1 ℃。電子天平用于測定干濕循環過程中混凝土試件的質量變化，精度為0.01 g。采用北京康科瑞公司生產的NM-4A非金屬超聲檢測分析儀測定干濕循環前后的超聲波速、波幅變化。采用美國Quantachrome公司生產的PoreMaster GT型(33/60)型壓汞儀測定干濕循環前后的孔隙率及孔隙結構，可測孔徑范圍為7 nm～1 000 μm。

制備70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體混凝土試件，該尺寸雖不是混凝土標準試驗推薦尺寸，會產生一定的尺寸效應，但不影響研究的規律，這主要考慮到在試驗中盡可能降低溫度梯度以及便于與后續的水泥砂漿試驗作對比。粗骨料最大粒徑為20 mm，試樣尺寸大于最大骨料粒徑的3倍，滿足尺寸要求。拌和過程按《水工混凝土試驗規程》SL352—2006進行，試件澆筑成型后立即用塑料薄膜覆蓋以防硬化期間水分蒸發，24 h后拆模并移至標準養護室(溫度(20±2) ℃，相對濕度>95%)養護至28 d。混凝土強度等級分別為C20、C30、C40、C50，配合比及主要參數見表3。

表3 不同強度等級混凝土的配合比及主要參數Table 3 Mix proportion and major parameters of concrete with different strength grades

1.3 試驗設計與方法

由于試驗需求不同，各學者采用的干濕循環制度不盡相同[10-14,17]。綜合考慮試驗的可操作性、并便于試驗結果之間的對比，試驗制度定為6 d完成一次干濕循環，將養護好的試件放入溫度為40 ℃(實際產生20 ℃溫差變化)的烘箱中60 h，取出后室溫冷卻12 h，再放入常溫的水中浸泡12 h，最后取出擦干表面水分，用保鮮膜包裹后靜置60 h，以上試驗為一個循環周期，進行循環試驗。譚聰等[18]的試驗結果表明，混凝土立方體試塊在水中浸泡12 h，吸水量基本達到飽和，再通過60 h的靜置，使其水分均勻。Zhang等[15]、韓進生等[19]開展的混凝土的最佳干燥機制試驗研究表明，混凝土在80 ℃以下僅脫去自由水，不會對混凝土微觀結構產生顯著影響。另外，在我國的西部地域，夏季的混凝土建筑物日溫差變化往往較大，20 ℃溫差變化時常出現。基于以上兩方面考慮，本試驗采用40 ℃烘干法干燥。吸水后和干燥后試件內水分分布情況如圖1所示，干燥和吸水靜置完成后，試件內水分基本均勻。

圖1 吸水后和干燥后試件內水分分布情況Fig.1 Water distribution in the specimen after absorbing water and drying

將標準養護28 d的混凝土試件按照強度等級和干濕循環次數的不同分為20組，每組6塊試件(3塊進行抗壓試驗，3塊進行劈裂抗拉試驗)，其中4組作為對照組，16組作為試驗組。力學和物理參數結果按照試驗規程推薦方法取該組試驗結果的平均值。試驗前首先測定混凝土的抗壓強度、劈裂抗拉強度、超聲波波速等物理量，之后每干濕循環10次進行一次無損檢測和破壞性試驗，得到抗壓強度、劈裂抗拉強度、超聲波波速等試驗數據。本試驗擬干濕循環40次，歷時8個月。試驗過程中定時稱取混凝土的質量，劈裂抗拉試驗后截取壓汞試樣(將混凝土壓碎后，取與粗骨料緊密接觸的水泥砂漿塊，即包含界面層，并打磨掉四周棱角)進行壓汞實驗，得到混凝土在干濕循環不同階段的孔隙率及孔隙結構分布，通過分析試驗結果，探究干濕循環對混凝土物理力學性能的影響規律。

2 結果與討論

2.1 混凝土力學性能劣化規律

為消除齡期不同引起的強度差異，在混凝土試件處于干濕循環過程時，相應同齡期的飽和試件始終在標準養護室養護，作為對照組。待混凝土試件達到預設干濕循環次數時才將試件取出，試驗組與對照組同時進行強度測定。

相對抗壓強度隨干濕循環次數變化規律如圖2所示(其中相對抗壓強度為干濕循環后的抗壓強度與同齡期標準養護后飽和抗壓強度的比值)。可以看出，不同強度等級的混凝土總體上表現出相同的變化趨勢，隨著干濕循環次數的增多，相對抗壓強度先升高(增強階段)后降低(退化階段)。略有不同的是C40、C50高強度等級的混凝土在干濕循環20次左右達到最大值，然后減小；C20、C30低強度等級的混凝土在10個循環左右達到最大值，然后減小。混凝土強度等級越高，其相對抗壓強度增幅越大，C20、C30、C40、C50混凝土的最大值分別增加了8.91%、9.82%、12.98%、14.14%。在退化階段，特別是40個干濕循環后，與退化階段初期相比，混凝土相對抗壓強度降幅更大，C20、C30、C40、C50混凝土分別下降了13.33%、12.47%、8.45%、6.58%。可以清楚地觀察到干濕循環對抗壓強度的影響，且強度等級愈高的混凝土抵抗干濕循環作用的能力越強。

圖2 干濕循環作用對混凝土相對抗壓強度的影響Fig.2 Effect of drying-wetting cycles on relative compressive strength of concrete

圖3顯示了干濕循環作用下混凝土的相對劈裂抗拉強度(定義同相對抗壓強度)的變化規律，與相對抗壓強度變化規律基本相同。在干濕循環10次左右達到最大值，然后減小。混凝土強度等級越高，其相對劈裂抗拉強度增幅越大，C20、C30、C40、C50混凝土的最大值分別增加了1.04%、1.46%、2.00%、2.50%。在退化階段，特別是40個干濕循環后，與退化階段初期相比，混凝土相對劈裂抗拉強度與抗壓強度相比，各強度等級混凝土的劈裂抗拉強度衰減的更為顯著，C20、C30、C40、C50混凝土分別下降了25.93%、23.06%、20.59%、19.03%，說明劈裂抗拉強度對混凝土損傷更為敏感。

圖3 干濕循環作用對混凝土相對劈裂抗拉強度的影響Fig.3 Effect of drying-wetting cycles on relative splitting tensile strength of concrete

干濕循環過程中混凝土強度變化主要受到兩方面因素影響。一方面，未水化水泥顆粒繼續水化，提高了混凝土的密實度，對混凝土強度具有增強效應[15,19-20]。另一方面，混凝土在干濕交替的環境中，干燥過程由于水蒸氣壓力差的存在，氣體向外逸出，使混凝土內部孔隙進一步擴大甚至導致新的孔隙與缺陷產生；濕潤過程由于毛細壓力的存在，環境中的水分進入混凝土內部孔隙，造成孔隙膨脹，因此不斷的干濕循環必然導致損傷的進一步加大，對混凝土強度有削弱效應。干濕循環初期，混凝土中的水化作用占據主導地位，強度略有提高，隨著干濕循環的進行，水化反應減弱，干濕循環作用占主導，其強度開始下降。對于等級高的混凝土，由于水膠比相對較小，其水化程度較等級低的混凝土小，干濕循環初期強度增加幅度大；同時等級高的混凝土，也表現為初始缺陷少、強度相對大，其后期干濕循環損傷也相對較小。

2.2 混凝土超聲波速、波幅變化規律

試驗采用非金屬超聲檢測分析儀測得試件的初始波速、波幅和一定干濕循環次數的試件的波速和波幅，得到各組混凝土超聲波速和超聲波幅隨干濕循環次數的變化規律，如圖4、圖5所示。

圖4 干濕循環對混凝土超聲波速的影響Fig.4 Effect of wetting-drying cycles on ultrasonic wave velocity of concrete

圖5 干濕循環對混凝土超聲波振幅的影響Fig.5 Effect of drying-wetting cycles on ultrasonic amplitude of concrete

圖4表明，干濕循環前不同強度等級的混凝土的超聲波速呈規律性變化，強度等級越高，波速越大；在同一干濕循環階段，不同強度等級的混凝土亦表現出規律性的變化趨勢，強度等級越高，波速越大。經干濕循環作用后，混凝土超聲波速變化顯著，不同強度等級的混凝土呈現出相同的變化趨勢，即隨著干濕循環的進行，超聲波速先略有增加后減小。干濕循環40次后，各強度等級的混凝土超聲波速達到最小值，較初始值分別減小了4.75%、4.54%、2.72%、2.39%。超聲波速的減小表明混凝土內部出現微裂紋等缺陷。

混凝土的超聲波速不是唯一反映混凝土內部損傷的參數。超聲波振幅也是超聲波檢測的主要參數之一，波幅代表聲能的大小，當穿過混凝土內部缺陷時，缺陷會吸收波能量或者對波進行散射以及擴散等衰減波能量，造成波幅的減小，因此波幅越大，能量損耗越少，表明混凝土內部越密實。由圖5可以看出，干濕循環后混凝土的超聲波波幅大于干濕循環前的波幅，說明干濕循環后混凝土固相的密實度是提高的，這對于混凝土強度有增強作用。

2.3 混凝土孔結構與損傷劣化機理

壓汞法測孔是混凝土微觀結構分析中的常用方法[21]。以C30混凝土為例說明孔結構變化規律，各組試樣中孔結構基本參數如表4所示。

表4 壓汞法孔結構基本參數(C30)Table 4 Basic parameters of pore structure of mercury intrusion porosimetry (C30)

由表4可知，干濕交替環境下的混凝土試樣內部孔結構發生明顯變化。孔隙率和孔隙總體積表現出相同的變化規律，即隨著干濕循環過程的進行，混凝土的孔隙率和孔體積呈現先減小后增大的趨勢，這恰好解釋了混凝土抗壓強度先增大后減小的現象。而其孔隙總面積的變化規律也與抗壓強度的變化規律一致，隨著干濕循環次數的增加呈現出先增大后減小的變化趨勢。當干濕循環超過10次后，混凝土試樣孔隙率和孔體積增加，孔的面積卻減小，表明試樣內部孔徑增大，但孔的數量減少，即呈粗化狀態，有劣化的趨勢。雖然壓汞法無法測出孔的數量和孔徑大小，但是從平均孔徑值和中值孔徑值可以間接說明孔的變化。從表4展示的結果來看，隨干濕循環次數的增加平均孔徑和中值孔徑先減小后增大，表明混凝土在干濕交替的環境中，其內部孔的大小也經歷了先減小后增大的變化。

孔結構基本參數可以較好的表征混凝土在干濕循環作用下的變化，混凝土孔徑分布也是不可或缺的表征方法。圖6為混凝土不同干濕循環階段各孔徑對應的孔所占有的體積，圖中的峰值點代表最可幾孔徑(峰值孔徑)。在干濕循環的不同階段，混凝土的孔徑分布曲線均呈現出一個主峰，一個次峰，若干小峰的分布狀態。隨著干濕循環次數的增加，混凝土試樣的最可幾孔徑首先向小孔端移動，然后往大孔端漂移，孔徑出現粗化特征。

圖6 不同干濕循環階段的孔徑分布(C30)Fig.6 Pore size distribution in different drying-wetting cycles (C30)

參照我國著名混凝土科學家吳中偉等[22]提出的孔的分類方法將試樣的孔徑分布進行整理，如表5所示。

表5 混凝土不同干濕循環階段各類孔所占百分比(C30)Table 5 Percentage of various types of holes in concrete at different drying-wetting cycles (C30)

通過表5可知，混凝土試樣中各類孔所占的百分比隨循環次數發生明顯變化。在干濕循環初期，未水化水泥顆粒繼續水化占據主導地位，水化產物填充了原始的大孔隙，導致有害孔和多害孔所占的比例減小，而無害孔和少害孔的比例增加；隨著干濕循環次數的增加，干濕循環引起的損傷不斷積累，使得混凝土有害孔和多害孔所占的比例開始增加，無害孔和少害孔減少。顯然，在干濕交替環境中，混凝土內部孔結構首先發生優化，然后開始劣化，這必然會給混凝土的宏觀性能帶來影響，也就導致了干濕循環后期混凝土強度的損失。

混凝土強度等級不同，導致其在干濕循環作用下的強度變化有所不同，這主要是其孔結構存在差異，為說明高強度等級混凝土的孔結構變化規律，對C40混凝土開展壓汞實驗，其孔結構基本參數如表6。

表6 壓汞法孔結構基本參數(C40)Table 6 Basic parameters of pore structure of mercury intrusion porosimetry (C40)

由表6可知，隨著干濕循環次數的增加，C40混凝土的孔隙率和孔體積也表現出先減小后增大的變化趨勢，平均孔徑、中值孔徑、峰值孔徑等特征孔徑的變化規律亦是如此。因此，在干濕循環過程中，無論混凝土強度等級的高低，其孔結構都是先得到優化而后劣化。稍有不同的是，C40混凝土在干濕循環20次后才開始劣化，這說明高強度等級的混凝土抵抗干濕循環作用的能力強。

3 結 論

(1)隨著干濕循環次數的增多，不同強度等級混凝土的相對強度表現出相同的變化趨勢，先升高后降低；相對劈裂抗拉強度較抗壓強度衰減更為顯著，說明劈裂抗拉強度對混凝土內部損傷更為敏感。

(2)干濕循環作用后，混凝土超聲波速變化顯著，不同強度等級的混凝土呈現出相同的變化趨勢，隨著干濕循環的進行，超聲波速先略有增加而后減小；超聲波幅則隨著干濕循環次數的增多而增大。

(3)孔隙率、孔隙總體積、平均孔徑、中值孔徑、最可幾孔徑均表現出相同的變化趨勢，即隨著干濕循環次數的增多，先減小后增大，最終表現出孔徑粗化特征。