鹽凍耦合作用下早凍混凝土壽命預測試驗研究

宋永嘉，李扶政，張憲雷，陳曉宇，李智睿

（華北水利水電大學水利學院，河南 鄭州 450046）

0 引言

西北地區氣溫每年約有1/3的時間處于零度以下，低溫環境下混凝土施工難度大、技術要求復雜。處于初凝或養護期混凝土易于出現早凍現象導致混凝土損傷，進而影響混凝土使用壽命和建筑物內部結構安全。因此，對不同配合比下早凍混凝土的耐久性以及服役壽命年限進行研究并獲得利于工程施工的混凝土配合比，對實際工程施工具有一定的指導意義。

查詢相關研究成果顯示，巴恒靜等研究了不同受凍條件下，不同配比混凝土凍后產生的凍脹應力規律；喬宏霞等探究了不同凍融情況下混凝土的受損原因，并運用評價參數法來反映混凝土的耐久性；劉娟紅等研究了鹽侵-干濕作用下由荷載引起混凝土損傷的劣化規律，構建了初始損傷混凝土的腐蝕受荷損傷模型，揭示了初始損傷混凝土微結構的損傷機制。雖然上述研究分析了混凝土受凍損傷原因，但大部分針對初始混凝土研究，并未對因早期養護條件不當而產生損傷的早凍混凝土展開深入研究，尤其是對不同配合比下的早凍混凝土相關性能以及服役年限研究較少。

通過改變早凍混凝土配合比中水膠比和粉煤灰摻量的大小，展開了早凍混凝土在服役過程中的抗凍耐久性（質量損失率、孔隙率和抗壓強度）衰減規律試驗性研究并進行了壽命預測，提出了一種適用于低溫環境施工的混凝土配合比，為早凍混凝土更好地應用于實際工程提供一定的參考。

1 試驗概況

1.1 材料及配合比

試驗選用水泥級配為PO42.5，粗骨料粒徑為5～25 mm，細骨料為II區中砂天然河沙（含泥量為1.80%，吸水率為1.30%），pH值為6.70的自來水和RD-N型減水劑。選取水膠比和粉煤灰（國標二級）作為試驗變量參數，混凝土材料配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比表

1.2 凍融循環試驗

室內鹽凍試驗按照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》執行，每凍融循環25次，測試試件的耐久性數據，操作步驟如下：①試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體，澆筑完成后養護3.50 h，把試件放置于溫度恒定（-10℃）的試驗箱6 h，之后進行按規范養護28 d。②試件從養護室取出后放入20℃±2℃的3.50%NaCl+5%Na2SO4溶液中浸泡，在凍融溶液中浸泡4 d。試件取出用抹布擦拭后，稱得初始質量W0；測試試件的初始動彈性模量Ed0、孔隙率和抗壓強度。③初始數據測量結束后進行室內凍融循環試驗，并在凍融試驗盒（110 mm×110 mm×480 mm）中加入復合鹽溶液，溶液與凍融機中的防凍液水位保持一致，兩者水位均在試件頂部5 mm，溶液采用NaCl（3.50%）+Na2SO4（5%）。④每循環25次，測量步驟②中的相關數據。

2 混凝土耐久性分析

凍融循環次數進行至150次時，A3、B1和B2組試塊發生破壞；進行至200次時，A2組試塊發生破壞，故此次混凝土耐久性分析主要針對前150次凍融循環。

2.1 質量損失率

不同凍融次數下，對5組早凍混凝土試塊進行質量測量，見表2。

表2 質量損失率表

表2表明，對于水膠比不同的3組試件而言，質量損失率由大到小分別為A3、A2和A1，其值分別為4.62%、4.30%和0.80%，隨著水膠比的增大，混凝土的抗凍性能下降，抗凍性能最好的是水膠比為0.35的A1組試件。

對于粉煤灰摻量不同的3組試件而言，質量損失率由大到小分別為A3、B2和B1，其值分別為4.62%、3.50%和3.14%。由上可得，粉煤灰含量越高，質量損失率越大，摻入一定量的粉煤灰時，粉煤灰會取代部分水泥從而減少水泥的部分水化物，導致泥漿與骨料間聯結薄弱，使混凝土抗凍性能有所降低。

2.2 孔隙率

在不同凍融次數下，對5組早凍混凝土試塊分別進行了孔隙率測試，見圖1。

圖1 凍融循環下孔隙率變化曲線圖

由圖1可知，3組水膠比不同的試件孔徑分布呈現為單波峰分布，T2譜面積最大的為A3組試件，其次為A2組，最小的為A1組。50次凍融循環后，A2和A3組試件相較于A1組試件而言，孔隙率變化較大，主峰開始向大孔區轉移，A3組試件孔隙數量明顯增多。100次凍融循環后，A1組試件內部孔隙分布仍比較穩定，A2和A3組試件孔徑和數量均繼續增大，主峰已移至大孔區，A3組試件外部已損傷較為嚴重。150次凍融循環后，A3組試件發生破壞。上述結果表明水膠比可對混凝土內部孔隙結構產生較大影響，水膠比越大，T2譜面積越大，內部空隙及損傷就越嚴重。

混凝土試件經150次凍融后，3組不同粉煤灰摻量的早期受凍混凝土試件（A3、B1和B2）在150次凍融循環后均發生破壞。由圖1可知，B1、B2和A3三組早凍混凝土，孔徑分布大多呈現單波峰分布，整體上T2譜面積由大到小分別為B2、B1和A3。起初三組試件孔徑分布比較集中，都位于小孔側，50次凍融循環后三組試件T2譜面積開始增加，A3和B1組試件主峰位于較小孔側，B2組試件孔隙數量急劇增多，孔徑波峰也移至大孔區。100次凍融循環后，三組試件T2譜面積繼續增加，A3和B1組試件孔徑發展為較大孔，B2組試件已出現多害孔。上述結果表明，一定范圍內，粉煤灰摻量較少的試件孔隙數量更多，孔徑分布更大；粉煤灰摻量較多的試件，孔隙數量較少，小孔數量居多，內部結構也相對密實。

2.3 抗壓強度

在不同凍融次數下，對5組混凝土試塊分別進行了抗壓強度試驗，見圖2。

圖2 抗壓強度圖

圖2展示了混凝土試件抗壓強度的變化規律。對于水膠比不同的A1、A2和A3組試件而言，初始抗壓強度由大到小分別為A1、A2和A3，其值分別為35.50 MPa、26.40 MPa和19.40 MPa。3組試件在凍融循環初期，抗壓強度下降較慢，之后水膠比較大的兩組試件（A2和A3）抗壓強度下降較快。在凍融150次后，較初始抗壓強度相比，A1、A2和A3組分別下降至初始抗壓強度的75.10%、72.50%和71.10%，由上可知，抗凍性能最好的是水膠比最小的A1組試件。

對于粉煤灰摻量不同的B1、B2和A3組試件而言，初始抗壓強度由大到小分別為B1、B2和A3，其值分別為22.56 MPa、20.20 MPa和19.40 MPa。3組試件隨著凍融循環的進行，下降速率逐漸增大，但在75次凍融循環后，A3和B2組試件較B1組試件下降速率稍有放緩。在凍融150次后，較初始抗壓強度相比，B1、B2和A3組分別下降至初始抗壓強度的66.00%、66.90%和71.10%，由上可知，綜上可知，當混凝土摻入一定范圍內的粉煤灰時，雖不利于混凝土的初期強度，但隨著凍融次數增加，粉煤灰對混凝土后期（75次凍融循環對應的時間）抗凍性能的提升十分明顯，提高了混凝土抗凍耐久性。

3 威布爾模型壽命預測

關于混凝土壽命的預測，現階段最常使用的概率模型有正態、對數正態和威布爾三種。在耐久性分析中，前兩者的相對于威布爾模型而言，適用范圍和靈活程度較差，無法較好地模擬材料的各種失效狀態。而威布爾分布其處理較為簡單，可適用于多種情況并有良好的靈活性，與前兩種模型相比，并不需要較為苛刻的樣本容量，可以在少量的數據中預測出較為準確的結果，因此被廣泛應用于混凝土材料相關的力學性能中。

將所得參數代入Y=bX+C，可分別得出在不同水膠比或粉煤灰摻量的混凝土在凍融作用下各試塊對應的威布爾分布壽命預測模型。以D（n）為凍融n次循環后的混凝土損傷度，根據混凝土相關變量的計算公式，得出可靠性函數R（n）=1-D（n），回歸分析本次選取常用的最小二乘法。線性回歸結果見表3。

表3 線性回歸結果表

由表3可得，擬合相關系數R2均大于0.94，各指標間相關性良好，表明采用此模型進行混凝土壽命預測是可行的。

根據規范，R（n）=0.60時混凝土失效。代入上式，得到NA1=1 602次，NA2=796次，NA3=536次，NB1=406次，NB2=485次。

將以上結果帶入式（1）混凝土使用壽命計算公式：

式（1）中：T-混凝土的使用壽命（a）；e-凍融比例系數，取12；N-凍融循環次數；M-實際一年經歷的凍融次數，西北地區取118次/a。

通過計算，預測五組早凍混凝土試塊安全運行年份分別為TA1=163 a，TA2=80 a，TA3=54 a，TB1=41 a，TB2=49 a。整體壽命預測結果與所測力學性能結果相符合，驗證了威布爾模型的準確性。

4 結論

①改變配合比，混凝土內部孔隙分布及力學性能差異較大；較小水膠比的混凝土耐久性顯著提升；在一定范圍內，適當摻入粉煤灰可在一定程度上改善混凝土后期耐久性。②試驗結果顯示，威布爾擬合相關系數R2均大于0.94，各指標間相關性良好，表明通過此模型進行混凝土壽命預測是可行的。根據壽命預測結果，A1組混凝土（較小水膠比、較大粉煤灰摻量）安全運行年份最長，為163 a。③為改善早凍混凝土的耐久性，根據試驗研究結果，建議其配合比中的水膠比選為0.35，粉煤灰摻量選為20%。