凍融環(huán)境下大壩混凝土面層強度退化過程研究

李 恩

(湟源縣大華水庫管理所,西寧 812100)

1 概 述

近年來,大壩混凝土技術(shù)發(fā)展迅速,其宏觀耐久性能已成為研究熱點。但在北方寒冷地區(qū),混凝土壩體因凍融破壞的影響,其宏觀性能退化,嚴重影響耐久性及服役壽命[1]。混凝土材料是典型的多相復(fù)合材料,內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜,其微細觀結(jié)構(gòu)是決定宏觀性能的主要因素。因此,研究混凝土內(nèi)部微細觀結(jié)構(gòu)對分析凍融環(huán)境下大壩混凝土材料的退化機理具有重要意義。在混凝土微細觀結(jié)構(gòu)研究中,其內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)是混凝土細觀結(jié)構(gòu)研究的重要內(nèi)容,與其力學行為和耐久性有著密切的聯(lián)系[2];混凝土材料經(jīng)受凍融循環(huán)作用導(dǎo)致性能退化的主要原因是其內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)的損傷所致,探求凍融過程中混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)的變化是研究混凝土退化機理的重要課題。

混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)復(fù)雜,孔徑尺寸跨越微觀尺度和宏觀尺度,與混凝土抗凍性能有密切關(guān)系。在凍融循環(huán)作用下,混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)逐漸增大,微裂縫逐漸擴展,直至混凝土結(jié)構(gòu)破壞。張宇[3]、時旭東[4]指出混凝土內(nèi)部孔隙增大,導(dǎo)致內(nèi)部孔隙水增多,在凍融作用下產(chǎn)生的凍脹應(yīng)力越大,混凝土內(nèi)部損傷越嚴重。汪堯等[5]、劉林輝[6]研究了凍融作用下混凝土抗壓強度與滲透性的退化規(guī)律,結(jié)果表明,經(jīng)過100次凍融循環(huán)作用,混凝土抗壓強度逐漸減小,滲透性逐漸增大。

本文通過快速凍融循環(huán)試驗,對混凝土在凍融循環(huán)過程中力學性能及抗氯離子滲透性能的退化規(guī)律進行研究;結(jié)合CT掃描技術(shù)和圖像處理技術(shù),獲取凍融循環(huán)過程中混凝土內(nèi)部裂紋及孔隙率的變化規(guī)律,建立凍融過程中混凝土孔隙率與力學性能及抗?jié)B性能的關(guān)系,分析混凝土凍融損傷機理。

2 試驗研究

2.1 原材料

試驗用水泥為小野田PO·42.5R普通硅酸鹽水泥,納米CaCO3采用一步插層改性法經(jīng)煅燒研磨制備。具體物理指標及化學成分見表1和表2;圖1為水泥的TEM微觀結(jié)構(gòu)及XRD分析圖譜。

圖1 納米CaCO3樣品微觀結(jié)構(gòu)及XRD圖譜

表1 納米CaCO3物理指標

表2 水泥化學成分

2.2 試件制備

按照《水運工程混凝土試驗規(guī)程》(JTJ 270-1998)制備試件,試件尺寸為100mm×100mm×400mm(寬×高×長),混凝土配合比見表3。試件成型后,靜置24h脫模,即置于標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護28天后,進行凍融循環(huán)試驗。

表3 混凝土配合比

2.3 試驗方法及過程

按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》(GBJ 82-1985),利用TDR-16型快速凍融試驗機進行凍融循環(huán)試驗。凍融試驗前,需將所有混凝土試件在水中浸泡48h,然后將試件放置于橡膠桶中;將凍融循環(huán)過程設(shè)置為-18℃±1℃下凍結(jié)3h,+4℃±1℃下融化3h,凍結(jié)和融化完成為一次循環(huán);凍融循環(huán)過程中,每25次循環(huán)測試混凝土的質(zhì)量損失和彈性模量損失,當質(zhì)量損失超過5%或彈性模量損失超過60%,即刻停止試驗。

凍融循環(huán)進行0、25、50、100、125次時,將試件取出進行抗壓強度測試和氯離子擴散系數(shù)測試。并對經(jīng)受0、50、100次凍融循環(huán)的混凝土試件,利用CT掃描儀進行斷面掃描,每隔1mm進行一次掃描,利用Pro-Plus圖像處理軟件,提取CT掃描后混凝土內(nèi)部孔隙率;利用場發(fā)射掃描電鏡,對凍融循環(huán)過程混凝土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)進行研究。

3 結(jié)果討論與分析

3.1 混凝土內(nèi)部微細觀結(jié)構(gòu)

圖2為混凝土試件經(jīng)受100次凍融循環(huán)后混凝土中間部位CT圖像。由圖2可知,經(jīng)過100次凍融循環(huán)后,普通混凝土(N0)和混凝土(N1)內(nèi)部均出現(xiàn)明顯裂縫,粗骨料與砂漿基體分離。其中,N1內(nèi)部裂縫較多;N3和N5內(nèi)部未出現(xiàn)明顯裂紋,即低水膠比的混凝土試件具有良好的抗凍融破壞性能。

圖2 100次凍融循環(huán)后混凝土內(nèi)部CT圖像

圖3為混凝土經(jīng)受30次凍融循環(huán)時內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)。由圖3可以看出,經(jīng)過30次凍融循環(huán),普通混凝土(N0)與混凝土(N1)內(nèi)部出現(xiàn)明顯的微裂縫;混凝土(N3)微觀結(jié)構(gòu)仍較為密實,孔隙數(shù)量少;混凝土(N5)微觀結(jié)構(gòu)較N3松散,水化產(chǎn)物出現(xiàn)輕微的分離現(xiàn)象。目前的研究表明,混凝土內(nèi)部存在大量孔隙,由于孔隙的存在可以吸收大量自由水,在經(jīng)受凍融作用下,出現(xiàn)膨脹開裂等損傷,其微觀結(jié)構(gòu)及宏觀均可觀察到裂縫的存在。研究還表明,部分孔隙的存在可以減緩裂縫的擴展過程。

圖3 30次凍融循環(huán)后混凝土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)

3.2 凍融過程中混凝土孔隙結(jié)構(gòu)變化

使用圖像處理軟件,對經(jīng)受不同凍融循環(huán)破壞混凝土試件的CT圖像進行處理,得到每個斷面的孔隙率,具體結(jié)果見圖4。由圖4可知,不同混凝土試件,未受凍融破壞時,斷面孔隙率相差不大;經(jīng)過50次凍融循環(huán)后,不同混凝土孔隙率開始出現(xiàn)明顯差異,N0和N1逐漸變大,N3和N5變化較小,不同混凝土孔隙率大小關(guān)系為N1>N0>N3>N5;經(jīng)過100次凍融循環(huán)后,混凝土試件的孔隙率逐均漸變大,N0和N1變化明顯,N5孔隙率最小,不同混凝土孔隙率大小關(guān)系為N0>N1>N3>N5。由上述分析可知,適量可有效阻止凍融循環(huán)對混凝土試件的破壞損傷,其中納米CaCO3摻量為5%時,較其他摻量下混凝土抗凍性改善效果好。對凍融循環(huán)作用下的混凝土性能,較大孔隙有利于緩解結(jié)冰膨脹壓力的增長,而中小孔隙可以加速混凝土的凍脹損傷。

圖4 凍融作用前后混凝土不同斷面孔隙率

圖5為不同凍融循環(huán)過程混凝土試件平均孔隙率的變化。由圖5可以看出,在凍融循環(huán)作用下,混凝土內(nèi)部平均孔隙率隨凍融循環(huán)次數(shù)的增多逐漸增大。經(jīng)過100次凍融循環(huán)后,普通混凝土平均孔隙率為12.16%,納米CaCO3摻量為5%的混凝土內(nèi)部平均孔隙率僅為3.28%。由此表明,納米CaCO3摻量能夠顯著降低混凝土凍融過程中的內(nèi)部損傷,減緩孔隙的擴展增大,降低孔隙率。

圖5 凍融過程混凝土平均孔隙率變化

3.3 混凝土抗壓強度的關(guān)系

圖6為凍融過程中混凝土抗壓強度變化。由圖6可以看出,經(jīng)過凍融循環(huán)后,混凝土抗壓強度均降低;適量降低水泥摻量,可有效提高混凝土抗壓強度,其中為低水膠時,抗壓強度改善效果最好。經(jīng)過125次凍融循環(huán),其抗壓強度損失率最小,即低水膠比可減小混凝土凍融循環(huán)過程中的損傷破壞。這是因為低水膠比混凝土在凍融循環(huán)過程中孔結(jié)構(gòu)變化較小,孔隙率最小,顆粒有效填充了混凝土基體內(nèi)部孔隙,減少了基體內(nèi)部孔隙水凍脹壓力,進而減少了凍融損傷。

圖6 不同凍融循環(huán)次數(shù)與混凝土抗壓強度的關(guān)系

凍融過程中,混凝土抗壓強度隨其內(nèi)部孔隙率的增大逐漸減小,混凝土基體內(nèi)部平均孔隙率的增大,表明凍融過程中混凝土內(nèi)部微裂紋逐漸擴展(圖2),基體內(nèi)部封閉孔隙逐漸聯(lián)通,基體內(nèi)部孔隙水逐漸增多,凍融過程產(chǎn)生的凍脹壓力逐漸增大,內(nèi)部損傷也逐漸增大,最終導(dǎo)致強度逐漸減小。

3.4 混凝土氯離子擴散系數(shù)的關(guān)系

圖7為不同混凝土試件經(jīng)受凍融循環(huán)破壞后氯離子擴散系數(shù)與孔隙率的變化關(guān)系。由圖7可以看出,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,混凝土氯離子擴散系數(shù)逐漸增大。結(jié)果表明,適量可有效提高凍融過程中混凝土的抗氯離子滲透性能,納米CaCO3摻量為5%時,改善效果最佳;經(jīng)過75次凍融循環(huán),納米CaCO3摻量為5%的混凝土氯離子擴散系數(shù)較普通混凝土減小58.59%。

圖7 凍融過程混凝土氯離子擴散系數(shù)

凍融過程中,混凝土氯離子擴散系數(shù)隨其內(nèi)部平均孔隙率的增加逐漸增大,這主要是由于混凝土內(nèi)部平均孔隙率大,氯離子較容易形成離子通路,使得氯離子滲透深度增加,氯離子擴散系數(shù)增大。適量能夠降低凍融過程中混凝土氯離子擴散系數(shù)的增加,主要是因為顆粒填充了混凝土內(nèi)部孔隙,減少了內(nèi)部飽和孔隙水的存在,降低了凍融過程中混凝土基體內(nèi)部的凍脹壓力,使混凝土基體內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較小的變化,減小了混凝土內(nèi)部微孔隙的擴展,因此降低了氯離子在混凝土內(nèi)部的滲透。

4 結(jié) 論

本文對凍融過程中混凝土力學性能和滲透性能進行了研究,結(jié)論如下:

1)凍融循環(huán)過程中,混凝土孔隙率逐漸增大,納米CaCO3摻量為5%時,孔隙改變最小;經(jīng)過100次凍融循環(huán)后,普通混凝土平均孔隙率為12.16%,納米CaCO3摻量為5%的混凝土內(nèi)部平均孔隙率僅為3.28%。

2)低水膠比提高混凝土抗壓強度,摻入3%納米CaCO3的混凝土試件抗壓強度最大,較普通混凝土提高28.75%;經(jīng)過125次凍融循環(huán),納米CaCO3摻量為5%的混凝土抗壓強度損失率最小。

3)經(jīng)過75次凍融循環(huán),納米CaCO3摻量為5%的混凝土氯離子擴散系數(shù)較普通混凝土減小58.59%。凍融過程中,混凝土氯離子擴散系數(shù)隨其內(nèi)部平均孔隙率的增加逐漸增大