孔結構參數特性對高性能混凝土抗凍性影響研究

孔靖勛

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)

0 引言

凍融破壞是影響我國北方地區混凝土結構耐久性的主要原因，在過去幾十年里，各國對混凝土的凍融破壞進行了大量研究[1]，研究表明：引起混凝土凍融破壞的主要原因是混凝土內毛細孔水的滲脹作用和凍脹作用，過冷水在混凝土內部發生遷移及可凍水結冰膨脹，都會引起混凝土內部壓力增大，當壓力超過混凝土能承受的極限應力時，混凝土內部將會出現微裂紋，隨著微裂紋逐漸擴展并互相連通，便會降低混凝土強度，造成混凝土破壞。孔結構是混凝土微觀結構的重要組成部分，對混凝土的長期耐久性有著重要的影響。隨著孔徑尺寸的增大，即混凝土內部孔隙由超微孔→微毛細孔→大毛細孔變化，混凝土的抗凍性、抗滲性和自收縮等主要耐久性能是一個由好變差、再重新變好的重復過程[2]，所以通過微觀結構來表征混凝土的抗凍能力，研究混凝土的孔結構十分重要。

目前，研究混凝土孔結構與抗凍性的資料較多，硬化混凝土氣泡間距系數能夠表征混凝土在水分入侵后對凍結應力的抵抗能力[3-4]，但多數是采用氣泡參數顯微鏡測定氣泡間距系數來粗略表征混凝土的抗凍性，對混凝土內部各孔徑大小、孔徑分布等情況研究較少。結合遼寧中部環線鐵嶺至本溪高速公路高性能混凝土(High Performance Concrete)的孔結構和抗凍性進行分析，為二者之間的規律研究提供依據。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

(1)水泥(C)：遼寧恒威水泥集團有限公司，普通硅酸鹽水泥(P·O 42.5)。

(2)粉煤灰(FA)：遼寧華電鐵嶺有限公司，Ⅰ級粉煤灰。

(3)礦渣粉(K)：本溪永星新型建筑材料有限公司，S95礦渣粉。

(4)粗集料(G)：鐵嶺八家子興盛采石場5～10mm、10～20mm碎石，壓碎值14.2%，合成表觀密度2760kg/m3。

(5)細集料(S)：鐵嶺白旗寨砂場，細度模數2.85， II區中砂，表觀密度2590kg/m3。

(6)減水劑：北京建筑工程有限公司，AN4000聚羧酸高性能減水劑。

(7)引氣劑：北京建筑工程有限公司，AN1型引氣劑。

(8)拌和水(W)：自來水。

1.2 混凝土配合比

配合比如表1所示。混凝土砂率(Sp)為41%；粉煤灰(FA)摻量為膠凝材料用量的18%；礦渣粉(K)摻量為膠凝材料用量的9%；減水劑摻量為膠凝材料用量的1.1%。

表1 高性能混凝土配合比

1.3 試驗方法

(1)硬化混凝土氣孔結構測試

硬化混凝土氣孔結構試驗參照《水工混凝土試驗規程》(SL/T 352—2020)規范中5.26的相關規定，試驗采用丹麥CXI型Rapid Air 457硬化混凝土氣孔結構分析儀測定標準養護28 d的硬化混凝土氣孔結構。

(2)混凝土拌和物含氣量測試

混凝土拌和物含氣量試驗參照《普通混凝土拌和物性能試驗方法標準》(GB/T 50080—2016)規范中15的相關規定，試驗采用日本C-280a直讀式含氣量測定儀測定拌和物含氣量。

(3)混凝土抗凍性測試

混凝土抗凍性試驗參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082—2009)規范中4.2快凍法的相關規定，試驗采用CDR5-40T型全自動混凝土快速凍融試驗設備測定混凝土的抗凍性能。

(4)混凝土抗壓強度測試

混凝土抗壓強度試驗參照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》(JTG 3420—2020)規范中T 0553—2005的相關規定，試驗采用YAW-2000B型微機控制電液伺服壓力試驗機測定混凝土的抗壓強度。

2 試驗結果及分析

2.1 含氣量和水膠比對混凝土抗凍性的影響

進行抗凍試驗的HPC1-5均為標準養護28d的試件，抗凍試驗結果如圖1所示。在凍融循環少于100次時，5組HPC的相對動彈性模量和質量損失變化較小；隨著凍融次數的繼續增加，HPC外表面開始出現細小孔洞和裂紋，質量損失逐漸增大，并伴有棱角處水泥砂漿剝落的現象，經過300次凍融循環后，5組HPC相對動彈性模量均大于85%、質量損失小于4%。

圖1 高性能混凝土抗凍性試驗結果

表2為HPC1-5拌和物性能和硬化后的孔結構參數，HPC4、HPC5、HPC2三組混凝土水膠比相同，引氣劑摻量分別為1.4‰、1.2‰、1.0‰，拌和物含氣量分別為5.0%、4.7%、4.2%。進行300次凍融循環后，混凝土相對動彈性模量從93%降低至90%，質量損失從2.2%增大至2.9%。在水膠比相同的條件下，混凝土拌和物含氣量在4%～5%之間時，隨著含氣量的增加，混凝土的抗凍性提高。

HPC1- 3三組混凝土拌和物含氣量分別為4.3%、4.2%、4.2%，含氣量基本相同。當混凝土凍融循環次數少于100次時，HPC1- 3三組混凝土相對動彈性模量和質量損失相差不明顯；當混凝土凍融循環次數達到200～300次時，隨著水膠比從0.30增加至0.36，混凝土相對動彈性模量從95%降低至88%，質量損失從1.9%增大至3.4%。混凝土拌和物含氣量相同時，水膠比越大，硬化混凝土抗凍能力越差。

2.2 硬化混凝土氣孔結構參數對混凝土抗凍性的影響

如表2所示，HPC4、HPC5、HPC2硬化后混凝土氣泡間距系數分別為188μm、192μm、212μm；氣泡平均弦長分別為135μm、137μm、165μm；氣泡比表面積分別為29.14mm-1、29.53 mm-1、24.19 mm-1。進行300次凍融循環后，混凝土相對動彈性模量從93%降低至90%，質量損失從2.2%增大至2.9%。水膠比相同的條件下，氣泡間距系數小于250μm時，氣泡間距系數越大、氣泡平均弦長越長、氣泡比表面積越小，混凝土抗凍能力越差。

表2 高性能混凝土拌和性能和硬化后性能

HPC2和HPC3兩組混凝土拌和物含氣量均為4.2%，但凍融300次的試驗結果顯示HPC2抗凍能力高于HPC3，雖然二者拌和物的含氣量相同，但真正影響混凝土抗凍能力的是混凝土硬化后在其內部形成的微米級封閉氣孔，拌和物含氣量只能粗略表征混凝土的抗凍能力。HPC2氣泡間距系數低于HPC3，HPC2內部封閉氣孔平均間距小，單位體積內微米級氣孔多，所以HPC2的抗凍能力高于HPC3。在混凝土中引入微米級的氣孔，使微細孔增多、大孔降低，改善混凝土的內部孔結構，從而提高抗凍性，在凍融環境下通過釋放水結冰所產生的凍脹和滲脹應力，從而提高混凝土的抗凍能力。

2.3 孔徑分布情況對混凝土抗凍性的影響

硬化混凝土內部孔徑大小及分布關系如圖2所示，HPC2和HPC3試樣孔徑d≤100μm范圍的孔分別占總孔體積的52.17%和41.09%、孔徑d≤500μm 范圍的孔分別占總孔體積的94.30%和96.28%。孔徑d≤500μm的孔含量HPC3高于HPC2，但孔徑d≤100μm的孔含量HPC2明顯高于HPC3，經過300次凍融循環試驗表明： HPC2抗凍能力優于HPC3，說明不是孔含量越高混凝土抗凍性越好，孔結構的大小和分布對抗凍性也有明顯影響。

如圖2所示，HPC2、HPC4和HPC5為三組水膠比相同的配合比，其中孔徑d≤100μm的孔分別占總孔體積的52.17%、58.55%和59.18%，HPC4和HPC5中孔徑d≤100μm的孔含量相近，且兩組HPC抗凍能力相差不大；HPC4和HPC5兩組HPC中孔徑d≤100μm的孔含量均高于HPC2，且二者的抗凍能力也明顯高于HPC2。孔結構參數中除了氣泡間距系數、孔隙率等能夠表征混凝土抗凍能力外，混凝土中孔徑d≤100μm的孔含量對混凝土抗凍性也有較大的影響。研究表明：孔徑d≤100μm的孔結構有助于提高混凝土的抗凍性；d≤100μm范圍的孔含量越高，混凝土抗凍性越好。

圖2 HPC2-5內部孔徑分布圖

3 結論

(1)4%～6%的含氣量能夠有效提高混凝土的抗凍能力；含氣量大于4%時，低水膠比的混凝土在保證強度的同時能更好地提高混凝土的抗凍性。

(2)滿足設計強度前提下，提高拌和物含氣量能夠有效降低硬化混凝土氣泡間距系數，從而提升混凝土的抗凍能力；水膠比相同時，氣泡間距系數越小、氣泡平均弦長越小、氣泡比表面積越大，混凝土抗凍能力越高；當氣泡間距系數小于250μm時，混凝土抗凍能力得到有效提高。

(3)孔結構參數中除了氣泡間距系數能夠表征混凝土抗凍性外，孔結構大小和孔徑分布情況對抗凍性也有明顯影響，d≤100μm的孔結構有助于提高混凝土的抗凍性，d≤100μm范圍的孔含量越高，其抗凍性越好。