活性粉末混凝土凍融循環(huán)前后NaCl溶液的吸入特性

王 月，安明喆，余自若，韓 松

(北京交通大學土木建筑工程學院，100044北京)

鹽凍破壞是混凝土結構最嚴重的病害之一，海工混凝土服役環(huán)境中往往氯鹽含量很高，氯鹽侵蝕與凍融循環(huán)耦合作用下，勢必會對混凝土結構安全造成威脅.靜水壓假說［1］和滲透壓假說［2］是解釋混凝土凍融破壞的兩個經(jīng)典理論，但它們?nèi)圆荒芎芎玫亟忉尰炷聋}凍破壞的機理.一般認為鹽的存在會降低溶液的冰點，降低混凝土的凍害，是正效應，但鹽的存在還有5個負效應［3］，正負效應的綜合才是混凝土破壞的真正原因.凍融破壞的主要原因之一是孔隙中吸入溶液，溶液結冰后產(chǎn)生體積膨脹，但環(huán)境溫度、鹽溶液的濃度以及孔隙飽和度等都會影響結冰體積膨脹率.實際混凝土結構中幾乎所有的混凝土都處于非飽和狀態(tài)，溶液進入混凝土的主要方式之一是毛細作用，因此毛細作用下混凝土的溶液吸入量是影響混凝土抗凍性的重要因素之一.

Nicos等［4］研究表明孔隙吸水率與時間t有關，在浸水初期(幾個小時)，孔隙吸水率與t1/2成正比，隨著時間的增加(幾天)，吸水速率降低，后期吸水量極小.Kelham［5］和 Hall［6］的研究也表明孔隙吸水率與t1/2線性相關.楊全兵［7］認為在凍融循環(huán)條件下，混凝土吸入溶液速率和飽水度增加速率明顯快于常溫浸泡條件下的相應值.溶液中NaCl質量分數(shù)對混凝土凍融破壞有較大的影響，質量分數(shù)過高或過低混凝土的剝落都會減小，一般認為破壞最嚴重時臨界質量分數(shù)為0.03～0.04［8-9］.2012 年測定的中國管轄海域 8 月表層海水鹽度(1 kg海水中的溴和碘全部被當量的氯置換，而且所有的碳酸鹽都轉換成氧化物之后，其所含的無機鹽的克數(shù))變化范圍為 0.11～35.30［10］，氯離子質量分數(shù)變化范圍大.本文研究了不同NaCl質量分數(shù)下未凍融活性粉末混凝土的溶液吸入情況，以及NaCl溶液凍融循環(huán)1 000次后活性粉末混凝土的溶液吸入情況，為活性粉末混凝土材料鹽凍破壞機理分析提供理論依據(jù).

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料與試件成型

本活性粉末混凝土所用原材料有42.5#普通硅酸鹽水泥、微硅粉(SiO2質量分數(shù)大于0.9)、石英砂(粒徑 0.16～1.25 mm)、高效減水劑(減水率29%)、鋼纖維(直徑 0.22 mm，長度 12～15 mm).水膠比為0.20，鋼纖維體積摻量為2.0%，具體配合比為水泥 ∶硅粉 ∶石英砂 ∶鋼纖維:水 ∶減水劑=1 ∶0.23 ∶1.77 ∶0.23 ∶0.17 ∶0.10.成型100 mm×100 mm×100 mm試件，采用75℃蒸汽養(yǎng)護3 d，抗壓強度為150.4 MPa.

1.2 試驗方法

混凝土溶液吸入量測定試驗常用試件切割后的中心面作為測試面，但是考慮到活性粉末混凝土水膠比低，養(yǎng)護期間試件內(nèi)部膠凝材料水化不完全，在遇到溶液中的水分時發(fā)生水化反應，影響其內(nèi)部結構，進而影響溶液吸入情況.因此本文選擇試件NaCl溶液凍融循環(huán)前和凍融循環(huán)1 000次后試件的不同部位作為吸入面進行溶液吸入量測定試驗.如圖1所示，將試件切割成 1、2、3、4四個塊體，P0、P1、P2、P3 四個面為溶液吸入面(P2 和P3為同一個面，但溶液吸入方向不同)，除吸入面外其他面均用環(huán)氧樹脂密封.將處理好的試件放入烘箱中以105℃烘干至恒重后稱取質量，精確到0.1 g;稱重后的試件測試面向下放入恒溫(20±1℃)的空水槽中，再向水槽中加入NaCl溶液使試件底部浸沒在溶液中5 mm;每隔15 min取出試件，用濕布抹去表面的水分，稱取試件的質量.本文 NaCl溶液中 NaCl質量分數(shù)分別為 0、0.035、0.050、0.080、0.100.

圖1 試件測試吸入面示意

2 未凍融試件測試結果與分析

2.1 毛細原理

當混凝土孔隙處于非飽和狀態(tài)時，若與溶液接觸，孔隙就會充當毛細管，把溶液吸收到孔隙內(nèi)，如圖2所示.活性粉末混凝土屬于水泥基材料，混凝土的吸水理論仍然適用.

圖2 水泥基材料孔隙代表性單元及毛細原理

溶液中NaCl質量分數(shù)的改變會引起溶液密度的變化，為此吸入等體積的溶液時，不同溶液質量吸入量并不相同，采用質量吸入量作為濃度對溶液吸入量影響的評價指標顯然不合適.因此，本文中的溶液吸入量均指體積吸入量，即i=At1/2+a中i為單位面積活性粉末混凝土的溶液體積吸入量，mL/m2;A為活性粉末混凝土的毛細吸液系數(shù)，mL/(m2·s1/2);a為i軸上的截距，mL/m2.

2.2 NaCl質量分數(shù)對吸入量的影響

活性粉末混凝土P1測試面在不同NaCl質量分數(shù)下的溶液吸入量測試結果見圖3.由圖可見溶液吸入量與時間之間并非呈線性關系，其吸水過程先增長較快，后增長緩慢，與賀智敏等［11］、朱方之等［12］研究得到的規(guī)律相同.NaCl質量分數(shù)對毛細吸液量存在較大的影響，在相同吸入時間下，隨著NaCl質量分數(shù)的增大，毛細吸液量減小.浸泡的前15 min溶液吸入量最大，NaCl質量分數(shù)分別為 0、0.035、0.050、0.080、0.100 時，溶液吸入量達到 555 min 總吸入量的 38.89%、36.26%、33.33%、38.89%、40.57%;180 min時分別達到了555 min 總吸入量的 73.61%、75.82%、76.34%、80.00%、80.19%.由于混凝土初始吸水速率有較大的離散性［13］，擬合數(shù)據(jù)時不包括0～15 min時刻.因此，將溶液吸入量分為兩個階段:15～180 min和 180～555 min.并采用i=At1/2+a公式進行擬合(如圖4)，兩階段溶液吸入量與t1/2之間各自存在明顯線性關系，其相關性系數(shù)均大于0.98.擬合得出的不同NaCl質量分數(shù)毛細吸液系數(shù)A統(tǒng)計結果見表1.

圖3 不同NaCl質量分數(shù)溶液吸入量(0～555 min)

圖4 不同NaCl質量分數(shù)溶液i－t1/2曲線(15～555 min)

表1 不同NaCl質量分數(shù)溶液P1吸入面毛細吸液系數(shù) mL·m-2·s-1/2

由表1可知，15～180 min階段NaCl質量分數(shù)對混凝土的毛細吸液系數(shù)影響較大，毛細吸液系數(shù)大致呈隨著NaCl質量分數(shù)的增大而減小的趨勢，質量分數(shù)為0的溶液毛細吸液系數(shù)是0.100 的1.76倍.180～555 min 階段不同 NaCl質量分數(shù)的毛細吸液系數(shù)較接近，沒有明顯的相關性.

2.3 試件表面與芯部的溶液吸入量

圖5給出了NaCl質量分數(shù)為0.050時吸入面P0和P1在540 min內(nèi)溶液吸入量變化曲線.P0吸入面吸入特性與P1吸入面類似，180 min時吸入量占540 min總吸入量的85.00%.分別對15～180 min和180～540 min兩個階段的試驗數(shù)據(jù)進行擬合，結果見圖6.15～180 min階段表面和芯部吸入面的毛細吸液系數(shù)分別為 0.884、5.143 mL/(m2·s1/2)，180～ 540 min階段分別為0.440 1、2.634 mL/(m2·s1/2).由此可知，芯部吸入面兩個階段的毛細吸液系數(shù)均接近表面的6倍.

圖5 不同吸入面溶液吸入量(0～540 min)

圖6 不同吸入面i－t1/2曲線(15～540 min)

活性粉末混凝土的溶液吸入量主要由兩部分組成，一是活性粉末混凝土為多孔結構，在毛細作用下溶液滲入到混凝土內(nèi)部，二是活性粉末混凝土水膠比很低(0.20)，在高溫蒸汽養(yǎng)護過程中試件本身比較致密，高溫養(yǎng)護時水分侵入深度有限，內(nèi)部膠凝材料不能完全水化，因此滲入到孔隙內(nèi)部的溶液中的水分與未水化膠凝材料反應，消耗孔隙內(nèi)溶液同時提高溶液濃度，進一步促進外部溶液的滲入.在蒸汽養(yǎng)護條件下活性粉末混凝土表面水化更完全，形成致密的砂漿層，相對于芯部其結構更密實，上述兩部分溶液吸入量中試樣芯部的吸入量均大于表面.但部分水化反應后的膠凝材料遇水后的繼續(xù)水化反應速率慢，本試驗中浸泡9 h其結合水量僅增大0.075 34%，因此，試件芯部的毛細吸液系數(shù)大于表面的主要原因是表面混凝土更密實.

表2給出了活性粉末混凝土的毛細吸液系數(shù)與普通混凝土的對比結果，由表可知，活性粉末混凝土表明的毛細吸液系數(shù)遠小于普通混凝土，芯部的毛細吸液系數(shù)約為普通混凝土的60%.這主要是因為活性粉末混凝土水膠比低，顆粒級配好，剔除了粗骨料，膠凝材料的用量大，并且采用高溫蒸汽養(yǎng)護，相對于普通混凝土其微觀結構致密，孔隙率低，不易于溶液滲入.

表2 活性粉末混凝土與普通混凝土的毛細吸液系數(shù)mL·m-2·s-1/2

3 凍融循環(huán)后試件測試結果與分析

3.1 不同吸入面的溶液吸入量

活性粉末混凝土具有良好的耐久性，試驗表明，活性粉末混凝土在NaCl質量分數(shù)為0.050的溶液中快速凍融循環(huán)1 000次后立方體試件的抗壓強度只降低了17.3%，質量損失率僅為0.50%.本文對凍融循環(huán)1 000次后試件進行了溶液吸入特性研究.

圖7給出了凍融后試件P1、P2、P3面的毛細吸液量試驗結果.由圖可知，凍融后試件的溶液吸入規(guī)律與凍融前相同，不同位置處溶液吸入量的關系為P1＞P2＞P3.由于采用高溫蒸汽養(yǎng)護，活性粉末混凝土的水化程度由表及里逐漸降低，因此，測試吸入面的水化程度關系為P3＞P2＞P1，密實度關系為P3＞P2＞P1.距離表面越遠的位置在凍融循環(huán)的過程中溶液滲入的越少，相比表面密實度差，在毛細作用下滲入的溶液越多，因此溶液吸入量關系為 P1＞P2＞P3.這也表明凍融循環(huán)1 000次作用下活性粉末混凝土內(nèi)部的孔隙結構與凍融前相似，凍融損傷并不嚴重.

對圖7進行分析，擬合結果見圖 8.P1、P2、P3吸入面15～180 min階段毛細吸液系數(shù)分別為1.692、1.389、1.396 mL/(m2·s1/2)，180～540 min階段分別為 0.636、0.683、0.644 mL/(m2·s1/2).P1吸入面15～180 min階段毛細吸液系數(shù)明顯大于P2和P3，而180～540 min階段這3個吸入面的毛細吸液系數(shù)接近.

圖7 凍融循環(huán)后溶液吸入量(0～540 min)

圖8 凍融循環(huán)后i－t1/2曲線(15～540 min)

3.2 凍融循環(huán)對溶液吸入量的影響

表3給出了凍融循環(huán)前后溶液吸入量的對比結果.由表可知，凍融循環(huán)1 000次后活性粉末混凝土的溶液吸入量顯著降低.P1吸入面凍融后540 min溶液吸入量僅為凍融前的0.33倍，15～180 min階段毛細吸液系數(shù)為凍融前的0.33倍，180～540 min階段毛細吸液系數(shù)為凍融前的0.24倍.活性粉末混凝土由于水膠比低，摻入了鋼纖維，凍融循環(huán)1 000次時內(nèi)部沒有明顯損傷，但凍融循環(huán)過程中溶液緩慢滲入混凝土內(nèi)部，與未水化膠凝材料發(fā)生水化反應，填充了孔隙，因此，凍融循環(huán)一定次數(shù)下其密實度不會明顯降低，甚至密實度會提高.且凍融后試件繼續(xù)水化需水量顯著降低，溶液吸入量降低.

表3 凍融循環(huán)前后溶液吸入特性對比

4 結 論

1)活性粉末混凝土溶液吸入量隨NaCl質量分數(shù)的增大而減小，540 min溶液吸入量可分為15～180 min和180～540 min兩階段，兩階段溶液吸入量均與t1/2成正比.

2)活性粉末混凝土15～180 min階段毛細吸液系數(shù)大致隨NaCl質量分數(shù)的增大呈現(xiàn)減小現(xiàn)象;當NaCl質量分數(shù)為0時，其毛細吸液系數(shù)小于普通混凝土.

3)凍融循環(huán)過程中活性粉末混凝土內(nèi)未水化膠凝材料遇水后可繼續(xù)水化，凍融循環(huán)1 000次后溶液吸入量顯著降低，凍融循環(huán)后距活性粉末混凝土表面越遠吸入面的毛細吸液系數(shù)越大.

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