高寒地區復摻礦物摻合料水工混凝土抗凍耐久性劣化機理研究

賴海珍，陸程銘，荊慧斌，張 帥

(1.崇明區農村水利管理所，上海 202150；2.上海涇景水利工程設計有限公司，上海 200940；3.西安理工大學 水利水電學院，陜西 西安 710048)

1 研究背景

60余年來，我國興建了大量的水利水電工程，中東部地區建設已接近尾聲，重心已經轉向了自然條件嚴酷的西部高寒地區。影響西部高寒高海拔地區建筑材料使用壽命的因素主要有海拔高、日溫差大、凍融循環劇烈、太陽輻射強等。其中，較大溫差引起的凍融循環破壞是影響高寒區水工混凝土耐久性的主要原因。因此，廣大學者對于水工混凝土的抗凍性進行了大量的研究[1]。

影響水工混凝土抗凍性的因素較多，水泥品種、摻合料類型、水灰比、攪拌方式、拌合物流變參數等均可以對水工混凝土的抗凍性產生影響[2-6]。Yazici[7]研究表明，應用大摻量粉煤灰(FA)、硅灰(SF)、稻殼灰(RH)及磨細礦渣等礦物摻合料，可以有效地提高混凝土的抗滲、抗氯離子及抗腐蝕性能，摻加礦物摻合料是提高混凝土耐久性最有效、也是最經濟的途徑。李陽等[8]通過試驗表明，粉煤灰混凝土的抗凍能力隨著粉煤灰摻量的增加而降低，和相同等級的普通混凝土相比，28 d齡期的粉煤灰混凝土試件抗凍耐久性試驗結果偏低。隨著粉煤灰混凝土技術的深入與發展，摻加礦物材料混凝土的抗凍性研究已經越來越引起學者們的關注。姚軍等[9]研究表明，引氣硅粉混凝土無論水灰比多少，硅粉摻量15%以下時混凝土均具有較高的抗凍性能。何智海等[10]通過試驗得出結論：隨著礦渣摻量的增加，其混凝土的抗凍性能越差，但摻和比例合適時，抗凍性與普通混凝土相比具有較大的改善。

目前混凝土水工混凝土凍融循環的研究大多根據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082-2009)中快凍法的試驗規程進行操作。然而，規范對于混凝土凍融循環的試件中心溫度規定為(-18±2)～(5±2)℃。規范中試件最低溫度為-20℃，而高寒地區極端最低氣溫平均值可以達到-30℃[1]，這種試驗環境與高寒地區實際服役環境存在明顯差異，將普通混凝土凍融試驗方法用于研究極端環境下水工混凝土凍融損傷規律的誤差較大[13-14]。筆者以試件中心溫度為(-20、-25、-30)℃～8℃，對試件進行300次凍融試驗，模擬水工混凝土材料的高寒地區極端環境，通過測試復摻礦物摻合料混凝土的服役性能(包括質量損失、抗壓強度、動彈性模量、滲透性)，研究探索大溫差凍融循環作用對礦物摻合料水工混凝土耐久性能的劣化機理。

2 試驗材料與方法

2.1 原材料

(1)膠凝材料：水泥為冀東水泥有限公司生產的盾石牌普通硅酸鹽水泥(P·O)，強度等級42.5R；粉煤灰選用渭河電廠正元牌粉煤灰物，等級為Ⅱ級；稻殼灰采用西安中糧集團加工的稻殼，經過鍋爐燃燒后得到的稻殼灰；硅灰采用呼和浩特市閩澳新能源材料有限公司生產的高強硅灰。各膠凝材料的化學組成成分見表1。

表1 膠凝材料的化學組成成分 %

(2)細骨料(砂)：河砂，顆粒級配為中砂，細度模數為2.68。

(3)粗骨料：天然卵石，石料粒徑5～30 mm，小石子粒徑為5～20 mm，大石子粒徑為20～30 mm。

2.2 配合比

試驗中礦物摻合料種類共3種：粉煤灰、硅灰、稻殼灰。本試驗水工混凝土按照某面板混凝土壩面板混凝土配合比進行設計，按照單摻、雙摻及三摻形式來替換水泥用量，摻量均為20%。水工混凝土配合比見表2。

表2 試驗水工混凝土配合比 kg/m3,%

2.3 試驗方法與評價指標

混凝土凍融循環試驗，依據《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法標準》GB/T 50082-2009的技術操作流程，設置凍融循環試驗機各種參數(試件中心溫度(-20、-25、-30)℃～8℃；凍融液溫度-35～20℃；凍融循環1次歷時不超過4 h)，即開始試驗。凍融循環評價指標包括阿：質量損失率、相對動彈星模量、抗壓強度、氣體滲透性。本次試驗采用量程為50kg的電子秤測試不同循環次數下混凝土質量變化；采用超聲波檢測儀分別測試并計算混凝土的動彈性模量；采用上海勞瑞儀器設備有限公司生產的AUTOCLAM滲水滲氣性測定儀來測量混凝土的氣體滲透性；采用混凝土萬能試驗機測試水工混凝土28 d抗壓強度及凍融后抗壓強度。

3 試驗結果與分析

3.1 質量損失率

各配合比下水工混凝土在-20℃～8℃的試件中心溫度下凍融300次過程中質量損失率變化見圖1。根據圖1中混凝土質量損失率變化曲線可以看出，質量損失率隨凍融循環次數的增加逐漸增大，在0～100次凍融循環過程中，混凝土的質量損失率增長速率較小，呈現一個緩慢上升的趨勢。然而在150～300次凍融循環過程中，混凝土的質量損失率呈指數式上升，質量損失率增加較為明顯。分析其原因是由于混凝土內部存在大量的孔隙，在凍融循環初期大量水分會進入到混凝土孔隙內部，表面砂漿脫落率較小。凍融循環后期，混凝土表面凍脹破壞嚴重，表面裂縫擴展增加，混凝土試件表面的砂漿剝落較為嚴重，質量損失率增加較快。

從圖1中可以看出，質量損失程度為：DC1>DC2>DC3>SC1>SC2>SC3>SC4>OP，經300次凍融循環后，相應的水工混凝土質量損失率約為8.1%、6.7%、5.9%、5.6%、4.6%、4.4%、3.9%、3.8%。由此可以看出，水工混凝土經過凍融循環以后，單摻、雙摻以及三摻礦物摻合料的試件組質量損失率均大于參照組(OP)。單摻FA水工混凝土DC1組質量損失率最大，SC4試件組與OP組的質量損失率相差較小，分析原因可知混凝土質量損失率的變化是由于表面砂漿剝落等所引起的，其主要因素取決于混凝土的表面強度，由于FA等礦物摻合料的摻加導致水泥的水化反應減慢，因此會導致28 d的抗壓強度小于未摻加礦物摻合料的普通混凝土(見3.3節)，從而導致質量損失率增大。

各配合比下水工混凝土在(-25、-30)℃～8℃的試件中心溫度下凍融300次以后質量損失率變化趨勢與-20℃相似，不同凍融溫度下經過300次凍融循環以后的質量損失率見圖2。由圖2可以看出，在-25、-30℃下質量損失率仍然為：DC1>DC2>DC3>SC1>SC2>SC3>SC4>OP。但是可以明顯地看出，隨著試件中心凍融溫度的降低，混凝土的質量損失率增大，-30℃溫度下，水工混凝土經過凍融循環以后質量損失率最大值達到10.3%。

圖1 混凝土在-20℃～8℃的試件中心溫度下凍融300次過程中質量損失率變化

圖2 不同凍融溫度下經過300次凍融循環以后混凝土質量損失率

3.2 相對動彈性模量分析

各配合比下水工混凝土在-20～8℃的試件中心溫度下凍融300次以后相對動彈性模量變化見圖3。由圖3可以看出，混凝土相對動彈性模量隨著循環次數的增加而減小。經50次凍融循環后，各組混凝土試件的相對動彈性模量下降速率較小。50～300次凍融循環過程中，混凝土相對動彈性模量下降較為明顯，OP試件組相對動彈性模量下降速率較快。混凝土試件的相對動彈性模量隨凍融循環次數的整體變化趨勢表明：凍融循環剛開始時降低速率較慢，原因是凍融初期原有的混凝土缺陷在凍融循環作用下沒有大的擴展，也沒有導致新的缺陷產生，所以相對動彈性模量下降較慢；隨著凍融循環次數的增加，混凝土孔隙的凍脹作用增強，損傷加劇[11]。

圖3 混凝土在-20℃～8℃的試件中心溫度下凍融300次過程中相對動彈性模量變化

圖4 不同凍融溫度下經過300次凍融循環后混凝土相對動彈性模量

從圖3中可以看出，混凝土剩余相對動彈性模量為：SC4>SC3>SC1>DC3>SC2>DC2>DC1>OP，當凍融溫度為-20℃時，相應的混凝土剩余相對動彈性模量為93%、92%、91.5%、90%、86%、82%、80%、77%。由此可以看出，水工混凝土經過凍融循環以后，單摻、雙摻以及三摻礦物摻合料的試件組剩余相對動彈性模量均大于參照組(OP)，且SC4試件組中剩余相對動彈性模量最大。混凝土的相對動彈性模量的變化是由于內部密實度變化等所引起的，其主要因素取決于混凝土內部結構經過凍融循環破壞以后微裂紋的數量，由于FA、SL、RH等礦物摻合料會增加混凝土的密實性，因此會減少混凝土的孔徑并阻礙孔隙的連通,從而提高了混凝土的密實性,減少凍融過程中水分的入侵量，從而減小了由于冰凍引氣的凍脹破壞。

不同凍融溫度下經過300次凍融循環以后的相對動彈性模量見圖4。由圖4可看出，各配合比下水工混凝土在(-25、-30)℃～8℃的試件中心溫度下凍融300次以后相對動彈性模量變化趨勢與-20℃相似。在-25℃、-30℃下混凝土相對動彈性模量仍然為：SC4>SC3>SC1>DC3>SC2>DC2>DC1>OP。分析表明混凝土的凍融溫度與其相對動彈性模量呈現正相關，且-30℃溫度下水工混凝土經過凍融循環以后相對動彈性模量最小值達到70.1%。

3.3 力學性能分析

在不同凍融溫度下水工混凝土經過300次凍融循環前后抗壓強度見表3。

表3 不同凍融溫度下凍融前后混凝土抗壓強度

根據表3可得，初始混凝土抗壓強度為：OP>SC4>SC3>SC2>SC1>DC3>DC2>DC1。可以看出單摻、雙摻以及三摻礦物摻合料的試件組抗壓強度均小于參照組(OP)，主要是由于不同礦物摻合料的水化時間不同所導致的。經過300次凍融循環后，在不同凍融溫度下混凝土試件剩余抗壓強度見圖5。從圖5中可以看出，在凍融溫度為20℃下混凝土剩余抗壓強度為：SC4>SC3>SC1>DC3>SC2>DC2>DC1>OP，相應的水工混凝土剩余抗壓強度為92.5%、90%、89.2%、87%、85.1%、82%、81.3%、78.9%，各配合比下水工混凝土在-25、-30℃的試件中心溫度下凍融300次以后抗壓強度變化趨勢與-20℃相似，由此可以說明，單摻、雙摻以及三摻礦物摻合料均可以提高混凝土的抗凍耐久性。

圖5 不同凍融溫度下經過300次凍融循環以后剩余抗壓強度

3.4 氣體滲透性分析

混凝土的氣體滲透性一定程度上影響混凝土結構的耐久性，表4給出了混凝土在不同凍融溫度下氣體滲透性系數測試結果。

從表4可以看出，在凍融循環之前，與對照組OP組相比，摻加礦物摻合料試件組氣體滲透性系數均小于OP組試件，且SC4組試件氣體滲透性系數最小。經過凍融循環以后，各組水工混凝土的氣體滲透性均出現了不同程度的增長。不同凍融溫度下經過300次凍融循環后氣體滲透系數增長率見圖6。

表4 凍融前后不同凍融溫度下混凝土氣體滲透系數

根據圖6可知，在凍融溫度為20℃下混凝土氣體滲透性系數增長為：OP>DC1>DC2>DC3>SC1>SC2>SC3>SC4，相應的增長率為51%、47.8%、40.2%、40%、38.7%、37.5%、37.3%、36.2%。可以看出，三摻礦物摻合料的試件組SC4氣體滲透性系數增長最小,表明混凝土在凍融循環作用下內部密實程度損傷最小。本試驗得到的摻加礦物摻合料混凝土氣體滲透性系數變化規律與文獻[15]的研究結果基本一致，但混凝土的損傷程度有一定的差異，分析原因是本次試驗不僅考慮礦物摻合料單摻，同時考慮雙摻與三摻礦物摻合料下的配合比所引起的。

從圖6可以看出，隨試件中心凍融溫度的降低，未摻加礦物摻合料試件、單摻、雙摻以及三摻礦物摻合料的試件組的氣體滲透性系數均增大，水工混凝土的抗氣體滲透性變差。

圖6 不同凍融溫度下經過300次凍融循環以后氣體滲透系數增長率

4 礦物摻合料與凍融溫度對混凝土抗凍性的影響機理分析

4.1 礦物摻合料的影響

根據相對動彈性模量、抗壓強度及氣體滲透性分析可知，水工混凝土抗凍性依次為：SC4>SC3>SC1>DC3>SC2>DC2>DC1>OP，可知礦物摻合料三摻情況下抗凍性最優。分析原因：不同礦物摻合料復摻以后，由于礦物摻合料的火山灰效應、界面耦合效應、微集料復合效應[12]，當礦物摻合料摻量較低(小于30%)時，水泥是影響混凝土內部孔隙結構的主要因素；FA、SL、RH的自愈合能力有效地填充了水泥水化留下的孔隙及微裂縫，會導致混凝土內部的小孔與中孔的數量增多，大孔的數量減少，孔結構的總體積有所減少。

由于混凝土內部的無害孔隙(小孔與中孔)增多，有害孔隙(大孔)減少，因此會增強復摻礦物摻合料混凝土的抗凍性能。另一方面，由于3種礦物摻合料FA、SL、RH的粒徑不同，FA粒徑最大，RH粒徑居中，RH粒徑最小。當各種混凝土礦物摻合料粒徑及水化時間有所不同時，會相互填充影響，從而產生超疊加效應。以混凝土相對動彈性模量為耐久性評價指標，FA、SL、RH三摻情況下混凝土的超疊加效應的大小為1.15。在20℃凍融溫度下混凝土經過300次凍融循環以后內部結構電鏡掃描圖見圖7。從圖7(a)可以看出，未摻加礦物摻合料的試件組OP內部出現明顯裂縫，裂縫貫穿在兩個較大孔隙之間貫穿。單摻粉煤灰的試件組DC1也可以觀察到一條裂縫，但是并沒有出現貫穿裂縫(圖7(b))。雙摻試件組SC1內部的裂縫寬度較小，且可以觀察到未水化完全的礦物摻合料(圖7(c))。三摻試件組SC4的表面完整度較好，只觀察到較小的細微裂縫(圖7(d))。微觀測試結果與宏觀測試結果相呼應，表明單摻、雙摻以及三摻礦物摻合料均可以提高水工混凝土的抗凍融循環性能。

圖7 混凝土在-20℃～8℃的試件中心溫度下凍融300以后各組試件內部結構電鏡掃描圖

4.2 試件中心溫度的影響

如上文所述，混凝土的凍融循環劣化宏觀表現為表面脫落、開裂與膨脹。而混凝土的內部損傷可以用動彈性模量、抗壓強度以及滲透性來表征。凍融的過程可以分為降溫階段與升溫階段。這兩個階段，由于溫度的梯度、化學能差等原因，混凝土孔隙中的水分發生遷移，膨脹所造成內部結構發生破壞。隨著凍融循環過程中試件中心的溫度降低，會導致混凝土內部的溫度梯度變大，外部的環境水與內部的孔隙水溶液溫度交換迅速，結冰孔增多，因此導致孔隙內部的膨脹壓力增大，凍融破壞明顯。

5 結 論

高寒區水工混凝土在服役期一般會受到凍融循環的作用。本文通過在模擬高寒環境中調整水工混凝土在凍融循環過程中試件中心的溫度，研究了單摻、雙摻及三摻礦物摻合料水工混凝土抗凍融循環性能的劣化機理，主要結論如下：

(1)在凍融循環作用下，單摻、雙摻及三摻礦物摻合料混凝土的抗凍性均大于未摻加礦物摻合料混凝土。礦物摻合料能減少水工混凝土的孔隙率及滲透性，且粉煤灰、硅灰、稻殼灰的顆粒粒徑不同會相互填充，從而產生超疊加效應。

(2)試驗結果表明各摻合料混凝土的抗凍性從劣到優依次是：SC4>SC3>SC1>DC3>SC2>DC2>DC1>OP。相同單摻條件下，摻加稻殼灰試件組抗凍性最強，硅灰居中，粉煤灰最弱。復摻礦物摻合料情況下，三摻粉煤灰、硅灰、稻殼灰混凝土抗凍性最強。

(3)凍融循環過程中凍融溫度對水工混凝土質量損失率、相對動彈性模量、抗壓強度、氣體滲透性的影響規律相似，均隨著凍融循環過程中試件中心溫度的降低，水工混凝土的凍融損傷越大，主要是由于混凝土內部的溫度梯度變大，孔隙內部的膨脹壓力增大導致混凝土內部結構破壞。