預(yù)加載條件下混凝土抗鹽凍性能試驗(yàn)研究

范鶴，楊瑩瑩，孫佳媛，劉功杰，方嘉浩

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870）

1 引言

我國(guó)幅員遼闊，在季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)的沿海或內(nèi)陸地區(qū)（鹽漬土地區(qū)），鹽腐蝕和凍融循環(huán)是直接影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久壽命的主要環(huán)境因素[1-8]。相較單純的凍融破壞，不同鹽溶液的加入會(huì)對(duì)混凝土的性能產(chǎn)生不同的影響。文獻(xiàn)[1]的試驗(yàn)結(jié)果表明，在凍融循環(huán)和氯離子侵蝕的耦合作用下，混凝土的耐久性降低。文獻(xiàn)[2]通過(guò)模擬凍融和硫酸鹽溶液共同作用的實(shí)際環(huán)境，觀察到混凝土與硫酸鹽溶液反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生一種膨脹性物質(zhì)，這種物質(zhì)會(huì)填充到混凝土的孔隙中，達(dá)到孔隙密實(shí)的作用，一定程度上減緩了凍融破壞。而在上述兩種試驗(yàn)中，只考慮了鹽腐蝕和凍融循環(huán)共同作用對(duì)混凝土性能的影響，不能完全模擬鹽漬土地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)的真實(shí)服役狀態(tài)。混凝土結(jié)構(gòu)通常是在持荷條件（帶有一定損傷的狀態(tài)）下工作的，共同考慮環(huán)境因素和荷載條件能更真實(shí)地再現(xiàn)混凝土服役狀態(tài)[9]。

本文設(shè)計(jì)了預(yù)加載制度模擬混凝土的實(shí)際工作狀態(tài)，對(duì)加載后的混凝土試件進(jìn)行凍融鹽蝕試驗(yàn)，分析混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)混凝土抗鹽凍性能的影響。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

水泥采用遼寧山水工源水泥有限公司生產(chǎn)的P·O42.5 的普通硅酸鹽水泥；粗骨料采用沈陽(yáng)地區(qū)碎石，最大粒徑20mm，級(jí)配良好；細(xì)骨料采用沈陽(yáng)地區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)2.7；減水劑采用FDN-C萘系減水劑，減水率為18%～28%；鹽溶液采用高純度氯化鈉和硫酸鈉配制。

試驗(yàn)采用混凝土單邊凍融試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行快速凍融試驗(yàn)；采用100T電液伺服拉壓試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行預(yù)加載；通過(guò)DT-16 動(dòng)彈儀測(cè)量?jī)鋈谘h(huán)后混凝土試件的橫向基頻，判定混凝土的內(nèi)部損傷情況。

2.2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)采用C20、C40、C50 強(qiáng)度等級(jí)的混凝土進(jìn)行研究。根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ 55-2011）設(shè)計(jì)的混凝土配合比如表1 所示。試驗(yàn)澆筑100mm×100mm×400mm 的棱柱體試件進(jìn)行預(yù)加載及抗鹽凍性能試驗(yàn)。將養(yǎng)護(hù)好的試件分成兩組，利用3.5%的NaCl 溶液、3.5%的Na2SO4溶液浸泡后放入凍融機(jī)中，將凍融機(jī)溫度設(shè)置在-20～-18℃之間。每4h 完成一次凍融循環(huán)，每隔25 次循環(huán)取出試件觀察其外部損傷并測(cè)量質(zhì)量Wni和橫向基頻fni。為了保證試件盒中的濃度不變，每隔25 次凍融循環(huán)更換一次試件盒中的溶液，當(dāng)試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量下降到60%或者試件的質(zhì)量損失率達(dá)到5%時(shí)，停止試驗(yàn)。

試驗(yàn)通過(guò)混凝土的質(zhì)量損失率和相對(duì)凍彈性模量來(lái)表征混凝土的抗鹽凍性能，質(zhì)量損失率越小說(shuō)明抗鹽凍性能越強(qiáng)，相對(duì)動(dòng)彈性模量越大說(shuō)明抗鹽凍性能越強(qiáng)。

相對(duì)動(dòng)彈性模量計(jì)算式：

式中：Pi為經(jīng)n次凍融循環(huán)后第i個(gè)試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量（%）；fni為經(jīng)n次凍融循環(huán)后第i個(gè)試件的橫向基頻（Hz）；f0i為未凍融第i個(gè)試件橫向基頻初始值（Hz）。

質(zhì)量損失率計(jì)算式：

式中：?W0i為n次凍融循環(huán)后第i個(gè)試件的質(zhì)量損失率（%）；W0i為凍融循環(huán)試驗(yàn)前第i 個(gè)試件的質(zhì)量（g）；Wni為n次凍融循環(huán)后第i個(gè)試件的質(zhì)量（g）。

考慮混凝土強(qiáng)度等級(jí)、凍融循環(huán)次數(shù)和壓應(yīng)力水平三個(gè)因素，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，影響因素及水平如表2 所示，其中，壓應(yīng)力水平是指預(yù)加載試驗(yàn)中設(shè)計(jì)的壓應(yīng)力分別為混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度的25%、50%、75%、100%。

表2 影響因素及水平

3 預(yù)加載制度

3.1 壓應(yīng)力水平的選取

混凝土在施加不同的壓應(yīng)力時(shí)，內(nèi)部損傷程度不同，其抗鹽凍性能也會(huì)受到影響，合理選擇壓應(yīng)力水平點(diǎn)至關(guān)重要。圖1 為混凝土的單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線，O 點(diǎn)～A點(diǎn)為彈性變形階段，點(diǎn)A（30%～40%fc，fc是指混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度）為比例極限點(diǎn)，這時(shí)骨料與砂漿之間開(kāi)始出現(xiàn)裂縫；A 點(diǎn)～B 點(diǎn)為裂縫擴(kuò)展階段，點(diǎn)B（70%～80%fc）為臨界點(diǎn)，此時(shí)骨料與砂漿之間的裂縫增大，砂漿內(nèi)部也出現(xiàn)了裂縫，混凝土開(kāi)始出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的破壞。因此，在O 點(diǎn)～B 點(diǎn)之間選取壓應(yīng)力水平點(diǎn)較有意義，本試驗(yàn)分別選取了0%fc、25%fc、50%fc、75%fc四個(gè)應(yīng)力水平點(diǎn)作為研究對(duì)象。

圖1 混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線

參考徐浩[10]、徐航[11]的試驗(yàn)，本試驗(yàn)將C20、C40、C50 三個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的混凝土試件以加載速率0.5MPa/s，持續(xù)時(shí)間為120s，卸載速率-0.5MPa/s 作為一次循環(huán)進(jìn)行預(yù)加載試驗(yàn)，循環(huán)次數(shù)為3次。

3.2 預(yù)加載制度驗(yàn)證

3.2.1 吸水試驗(yàn)

預(yù)加載制度的有效性是通過(guò)吸水試驗(yàn)和SEM 掃描電鏡試驗(yàn)加以驗(yàn)證的。吸水試驗(yàn)中，混凝土試件在不同的壓應(yīng)力水平下，其吸水率（式3）會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)變化。從吸水率的變化情況可以判斷出，經(jīng)預(yù)加載后混凝土試件內(nèi)部的裂縫和孔隙的變化情況，吸水試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 吸水試驗(yàn)結(jié)果

式中：f為吸水率；W1為試件吸水前質(zhì)量；W2為試件吸水后質(zhì)量。

從圖2 看出，不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土試件隨著壓應(yīng)力水平的提高，吸水率均呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，在接近25%壓應(yīng)力水平處的吸水率最低。分析認(rèn)為，施加25%的壓應(yīng)力會(huì)將試件中原有的裂縫和孔隙壓實(shí)，使其吸水能力降低。在壓應(yīng)力水平一定時(shí)，強(qiáng)度等級(jí)越高的混凝土吸水率越低，隨著混凝土強(qiáng)度提高，水灰比減小，砂漿與骨料之間的粘結(jié)力越大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)越密實(shí)[12]，其吸水率越低。從吸水試驗(yàn)的結(jié)果和分析可知，強(qiáng)度等級(jí)不同、壓應(yīng)力水平不同的混凝土，其吸水率有規(guī)律性變化，證明加載制度有效。

3.2.2 SEM掃描電鏡試驗(yàn)

通過(guò)SEM 掃描電鏡試驗(yàn)對(duì)混凝土試件的內(nèi)部孔隙進(jìn)行微觀上的觀察，可以更加直觀地觀察到混凝土試件內(nèi)部孔隙的變化情況。圖3 為C40 混凝土在施加不同壓應(yīng)力后所取試樣放大1000 倍之后的掃描電鏡圖。從圖中可以觀察到混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，壓應(yīng)力水平在0%時(shí)，可以看到一些細(xì)小的裂隙和孔洞，說(shuō)明試件本身就存在一些微裂縫；壓應(yīng)力水平在25%時(shí)，表面更加致密，說(shuō)明施加的壓應(yīng)力會(huì)將試件原有的微裂縫和孔隙壓實(shí)，與吸水試驗(yàn)分析結(jié)果一致；壓應(yīng)力水平在50%時(shí)，能明顯看到一些裂縫和大的孔洞；壓應(yīng)力水平達(dá)到75%時(shí)，裂縫顯著增長(zhǎng)，出現(xiàn)了較大的孔洞。掃描電鏡試驗(yàn)和吸水試驗(yàn)分別從微觀角度和宏觀角度證明了預(yù)加載制度有效。

圖3 C40混凝土掃描電鏡圖

4 凍融鹽蝕試驗(yàn)

4.1 試件表面形態(tài)變化分析

在凍融鹽蝕試驗(yàn)中，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土試件出現(xiàn)砂漿剝落、粗骨料暴露等凍害現(xiàn)象。25%壓應(yīng)力水平的試件最先發(fā)生破壞，NaCl 溶液侵蝕的試件比Na2SO4溶液侵蝕的試件破壞現(xiàn)象更為明顯。

圖4為C40 混凝土經(jīng)過(guò)75 次凍融后試件的表面形態(tài)，從圖4（a）中可以觀察到，在NaCl 溶液侵蝕條件下，25%壓應(yīng)力水平的試件凍害現(xiàn)象最明顯，粗骨料大面積外露并產(chǎn)生了一些溝壑；其次是0%和75%壓應(yīng)力水平的試件，水泥砂漿層有少量剝落，粗骨料部分外露；砂漿層剝落量最少的是50%壓應(yīng)力水平的試件。如圖4（b）所示，Na2SO4溶液侵蝕條件下，不同壓應(yīng)力水平的試件出現(xiàn)了砂漿層剝落、粗骨料外露等凍害現(xiàn)象，與NaCl 溶液侵蝕條件下的試件出現(xiàn)的凍害現(xiàn)象相近。但是，在Na2SO4溶液侵蝕條件下的試件砂漿剝落量較少，粗骨料只有小面積外露，與在NaCl 溶液中侵蝕的試件相比，整體凍害現(xiàn)象較輕。

圖4 75次凍融循環(huán)后的C40混凝土表面情況

4.2 質(zhì)量損失率變化分析

圖5～圖7 分別C20、C40、C50 強(qiáng)度等級(jí)的混凝土在不同鹽溶液侵蝕下凍融循環(huán)次數(shù)與質(zhì)量損失率的變化關(guān)系圖。如圖所示，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土試件在兩種鹽溶液侵蝕下，質(zhì)量損失率均呈上升趨勢(shì)。在不同壓應(yīng)力水平下，試件的質(zhì)量損失率在25%壓應(yīng)力水平時(shí)最大，在50%壓應(yīng)力水平下最小。在兩種鹽溶液中，處于NaCl 溶液中的試件質(zhì)量損失率較大。在凍融初期，質(zhì)量損失率快速增長(zhǎng)，說(shuō)明試件的破壞速度較快；之后曲線趨于平緩，說(shuō)明破壞速度逐漸減慢。如圖5（b）所示，凍融初期，C20 混凝土在Na2SO4溶液中試件的質(zhì)量損失率有1%左右的降低，這說(shuō)明試件質(zhì)量增加。其原因極有可能是在凍融初期，Na2SO4溶液中的SO2-4與混凝土試件中的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)形成鈣礬石（3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O），增加了試件質(zhì)量。

圖5 C20混凝土在不同鹽溶液侵蝕下凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)質(zhì)量損失率的影響

圖6 C40混凝土在不同鹽溶液侵蝕下凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)質(zhì)量損失率的影響

圖7 C50混凝土在不同鹽溶液侵蝕下凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)質(zhì)量損失率的影響

4.3 相對(duì)動(dòng)彈性模量變化分析

圖8～圖10 分別為C20、C40、C50強(qiáng)度等級(jí)的混凝土在不同溶液侵蝕條件下凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)相對(duì)動(dòng)彈性模量的影響。如圖所示，混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加不斷降低。預(yù)壓應(yīng)力水平不同，鹽溶液相同時(shí)，25%應(yīng)力水平的試件相對(duì)動(dòng)彈性模量下降的最多，其次是75%預(yù)壓應(yīng)力水平的試件，0%和50%預(yù)壓應(yīng)力水平的試件下降的較少。說(shuō)明預(yù)壓應(yīng)力水平會(huì)對(duì)混凝土抗鹽凍性能產(chǎn)生一定的影響。在預(yù)壓應(yīng)力水平相同，鹽溶液不同時(shí)，NaCl 溶液中的試件相對(duì)動(dòng)彈性模量的下降程度均大于Na2SO4溶液中的試件。如圖10（a）和圖10（b）所示，C50 混凝土試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量均大于60%，試件被破壞程度較輕，說(shuō)明C50 強(qiáng)度等級(jí)的混凝土還具有一定的抗鹽凍性能。

圖8 C20混凝土在不同鹽溶液侵蝕下凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)相對(duì)動(dòng)彈性模量的影響

圖9 C40混凝土在不同鹽溶液侵蝕下凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)相對(duì)動(dòng)彈性模量的影響

圖10 C50混凝土在不同鹽溶液侵蝕下凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)相對(duì)動(dòng)彈性模量的影響

4.4 強(qiáng)度等級(jí)對(duì)混凝土抗鹽凍性能的影響

通過(guò)4.1 節(jié)混凝土的形態(tài)變化分析可知，試件在NaCl 溶液與凍融耦合的條件下凍害現(xiàn)象較明顯。故本節(jié)只討論不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土在NaCl 溶液與凍融循環(huán)共同作用下混凝土的抗鹽凍性能。

圖11、圖12 分別為NaCl 溶液與凍融循環(huán)共同作用下，凍融循環(huán)100 次，混凝土試件的質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量隨強(qiáng)度等級(jí)變化規(guī)律圖。由圖11 可知，在壓應(yīng)力水平相同的條件下，混凝土的質(zhì)量損失率隨混凝土強(qiáng)度等級(jí)的增大而減小，說(shuō)明混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高抗鹽凍性能越強(qiáng)。圖12 中，在壓應(yīng)力水平相同的條件下，混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量隨混凝土強(qiáng)度等級(jí)的增大而增大，再一次印證了混凝土強(qiáng)度越高，其抗鹽凍性能越強(qiáng)這一結(jié)論。

圖11 強(qiáng)度等級(jí)與質(zhì)量損失率關(guān)系圖

圖12 強(qiáng)度等級(jí)與相對(duì)動(dòng)彈性模量關(guān)系圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)試驗(yàn)研究及分析得出以下結(jié)論。

①參考混凝土的單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及相關(guān)文獻(xiàn)設(shè)計(jì)了預(yù)加載試驗(yàn)來(lái)模擬混凝土的實(shí)際服役狀態(tài)。利用吸水試驗(yàn)和SEM 掃描電鏡試驗(yàn)對(duì)預(yù)加載后混凝土試件中的裂縫和孔隙情況進(jìn)行了宏觀和微觀的檢驗(yàn)，證明預(yù)加載制度的有效性。

②隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土質(zhì)量損失率逐漸增大，相對(duì)動(dòng)彈性模量逐漸降低，試件的水泥砂漿層均出現(xiàn)不同程度的剝落情況。

③在壓應(yīng)力水平、強(qiáng)度等級(jí)相同的情況下，混凝土在NaCl 溶液中比在Na2SO4溶液中的凍害現(xiàn)象更加明顯，這說(shuō)明Cl-對(duì)混凝土的抗鹽凍性能產(chǎn)生更不利影響。

④在壓應(yīng)力水平、鹽溶液相同的條件下，強(qiáng)度等級(jí)越高的混凝土抗鹽凍性能越強(qiáng)。