鹽凍融循環作用下低熱大體積混凝土損傷特性研究

盧界江，李鴻盛，宋健，何哲

（1.中國交通建設股份有限公司 西北區域總部，陜西 西安 710065；2.中交一公局重慶萬州高速公路有限公司，重慶 404000；3.交通運輸部公路科學研究所，北京 100088）

0 引 言

低熱硅酸鹽水泥又稱高貝利特水泥，其CaO與Al2O3含量較少，主要礦物以貝利特為主，相比阿利特礦物，由于其CaO含量較低，故而析出的氫氧化鈣以及產生的水化熱也相對較低[1]。有研究者對低熱水泥的水化熱、力學、變形性能等開展了大量試驗，進行了低熱與中熱水泥混凝土的對比研究，驗證了低熱水泥的使用價值[2-5]。同普通硅酸鹽水泥混凝土相比，低熱硅酸鹽水泥可降低絕對升溫3~5℃，憑借其自身干縮低、極限拉伸大、高強低彈模的特性，在大型結構物（尤其是大型水壩等大型海工）的建造中得到了廣泛應用[6-7]。但近年來，隨著構造形式多樣性的不斷擴大，大體積混凝土也常出現在如大型橋梁、超高層建筑等結構上，而這些新用途對水泥的強度及耐久性等提出了新要求，因此，對低熱硅酸鹽水泥進行耐久性研究具有重要意義。

根據我國抗凍區域等級劃分[8]，我國僅有華南地區、華東及華中南部、西南東南部不需考慮凍融環境影響，其余地域均需在一定程度上考慮凍融環境對材料耐久性的影響。硫酸鹽在我國地域分布同樣十分廣泛，環境的凍融影響常常伴隨著硫酸鹽的侵蝕，目前研究已經基本證實硫酸鹽會對大體積混凝土產生不利影響[9-10]，因此有必要對混凝土的硫酸鹽凍融作用下的性能演化進行研究。金祖權等[11]對普通混凝土在硫酸鹽溶液中凍融的損傷與離子傳輸進行了研究，結果發現，凍融作用會促進硫酸鹽溶液中離子向混凝土的擴散速度，將生成更多的反應產物，加深損傷。Soroushian等[12]與Johannesson[13]系統性研究了混凝土在鹽凍過程中的微觀結構演變，采用微觀表征手段量化混凝土中的微觀形貌改變以及微孔中冰含量演化。Nishibayashi[14]對比了普通水泥混凝土與再生水泥混凝土在相同鹽凍融循環條件下的動彈性模量和質量損失率，結果發現，再生水泥混凝土受鹽凍融作用后，性能低于普通水泥混凝土。鹽凍融循環對混凝土性能存在較大影響，需慎重考慮。

綜上所述，目前的研究多集中在低熱水泥混凝土與普通水泥混凝土的對比上，而對低熱大體積水泥混凝土的耐久性，尤其是在惡劣鹽凍融自然環境下的性能演化則缺乏研究。本文對普通水泥混凝土、低熱混凝土以及分別摻加1%、2%水化熱抑制劑的低熱混凝土試件進行了硫酸鹽溶液中的凍融循環，對作用后的物理、力學性能進行了分析，基于隨機損傷理論，建立了低熱水泥混凝土的隨機損傷演化方程，對其在多次重復鹽凍融作用下的損傷特征及耐久性進行了描述。

1 試驗

1.1 原材料及配合比設計

水泥：陜西秦嶺水泥廠產P·O42.5水泥、四川嘉華水泥廠產P·LH42.5低熱硅酸鹽水泥，物理力學性能見表1；粉煤灰：陜西圣鑫，Ⅰ級，技術性能見表2；細集料：灞河中砂，技術性能見表3；粗集料：涇陽石灰巖破碎石，技術性能見表4：減水劑：聚羧酸類高效減水劑，技術性能見表5；水化熱抑制劑：廣州華克利建材有限責任公司產，多羥基羧酸酯類，白色粉末，比表面積272 m2/kg。

表1 水泥的物理力學性能

表2 粉煤灰的技術性能

表3 中砂的技術性能

表4 碎石的技術性能

表5 減水劑的技術性能

根據王滋元[15]的研究結果，本試驗中普通水泥混凝土C40的水膠比為0.41，粉煤灰占膠凝材料質量的35%，砂率40%，減水劑摻量為膠凝材料質量的0.8%；為保證混凝土的工作性，低熱混凝土P-C40-0的水膠比略低；在P-C40-0基礎上分別摻1%、2%水化熱抑制劑，制備P-C40-1、P-C40-2低熱混凝土。具體配合比見表6。根據GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法標準》進行拌合與成型，最終試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm與100 mm×100 mm×400 mm兩類。成型后帶模養護1 d以及標養室養護30 d后進行后續試驗。

表6 混凝土的配合比

1.2 試驗方法

凍融循環采用混凝土快速凍融試驗機進行，鹽溶液使用質量濃度5%的Na2SO4鹽溶液，參考GB/T 50082—2009，提前4 d將試件浸泡于20℃鹽溶液中，溶液需高出試件10 mm以上，凍融溫度分別為-17℃和8℃，每次凍融時長4 h。以25次凍融循環為1組，取出試件進行相關物理力學性能測試。后續試件上下掉頭后放入模具繼續進行凍融，以保證凍融損傷均勻。使用數顯壓力試驗機進行混凝土抗壓強度測試；使用非金屬超聲波檢測儀進行混凝土相對動態模量的測試。

2 試驗結果與分析

2.1 低熱與普通水泥混凝土的力學性能（見表7）

由表7可見，普通水泥混凝土C40在各齡期的抗壓強度均為最高；低熱水泥中產生水化熱的成分減少，在降低水化熱的同時也降低了水化反應程度，因此導致P-C40-0的抗壓強度有所降低；水化熱抑制劑的摻入進一步降低了水化熱，也因此導致了P-C40-1、P-C40-2早期強度的不足，但在28 d齡期時，這2組混凝土的抗壓強度超過P-C40-0。主要是由于水化熱抑制劑延緩了早期的集中放熱，使得水化反應更加充分，提高了混凝土的后期強度。

表7 不同養護齡期混凝土的抗壓強度及彈性模量

4組混凝土的彈性模量與抗壓強度有類似的變化趨勢。有研究指出[16]，低模量混凝土在溫度變化時可以通過變形耗散部分溫度應力，減小開裂風險；相反，高模量混凝土在溫度變化時受到自身小變形約束會產生較大溫度應力，當溫度應力超過極限抗拉強度，就會發生開裂。從表7可以看出，低熱混凝土各齡期的彈性模量始終小于普通水泥混凝土，而水化熱抑制劑的摻入會進一步降低早期彈性模量，帶來更好的變形能力，因此更適用于大體積混凝土構件。雖然低熱混凝土應用于大體積混凝土構件可以有效降低開裂風險，但也會造成早期強度不足；水化熱抑制劑的摻入一方面可進一步降低水化熱，另一方面也會對28 d抗壓強度不足的問題稍有彌補。

2.2 鹽凍融循環物理特征分析

低熱大體積混凝土在鹽凍融循環作用下遭受的是一個逐漸變化的損傷過程，P-C40-0經鹽凍融循環后表面變化見圖1。

圖1 P-C40-0試件經鹽凍融循環作用后表面的變化

由圖1可見，低熱混凝土在鹽溶液中凍融損傷較為嚴重，且隨著凍融循環次數的增加，表面侵蝕越來越嚴重。凍融50次以前，損傷并不明顯；凍融150次以上，試件表面開始出現剝落，但并不嚴重；凍融250次以上，試件集料已部分出現外露。在凍融初始階段，低熱混凝土整體性較好，因此侵蝕作用不明顯。隨著凍融次數的增加，鹽溶液與水泥作用產生的侵蝕產物不斷在試件表面累積，由于侵蝕產物與混凝土在凍融作用下的膨脹不協調性，使得混凝土損傷加劇。

混凝土的凍融以及鹽溶液的侵蝕作用方向均是由外向內，在混凝土表面空隙中匯集的鹽溶液會在凍融作用下產生凍脹力與滲透壓力，在2種力的反復作用下，混凝土表面逐漸脫落，產生質量損失。4組混凝土在凍融循環下的質量損失率見圖2。

圖2 4組混凝土經凍融循環后的質量損失率

由圖2可見：

（1）4組水泥混凝土在凍融循環作用下的質量變化均呈現3個階段：即初始質量迅速減少，中期質量穩定減少以及后期質量加速減少。在凍融初始階段，試件表面存在的不平整處的水泥砂漿會由于應力集中現象而遭受更大的凍脹力以及滲透壓力，因此會首先剝落，導致質量損失在凍融初期（25次之前）迅速增大；隨著凍融的持續，試件表面自帶缺陷消失，質量損失呈線性發展；在凍融后期，試件由于凍融導致表面出現新的缺陷，伴隨鹽溶液侵蝕產物增加，再一次導致應力集中現象增強，質量損失加速增加[17]。

（2）在凍融的第Ⅰ和第Ⅱ階段，低熱混凝土的質量損失率小于普通水泥混凝土，而在凍融的第Ⅲ階段，低熱混凝土的質量損失率大于普通水泥混凝土。低熱混凝土的水化熱較低，因此在試件成型過程中均勻性和整體性較好，表面缺陷較少，因此在凍融前半段質量損失率較小。但低熱混凝土的整體強度稍低于普通硅酸鹽水泥混凝土，因此對凍脹力及滲透壓力的抵抗力弱于普通硅酸鹽水泥混凝土，因此在第Ⅲ階段質量損失率較大。水化熱抑制劑的摻入可以減小低熱混凝土在凍融作用下的質量損失，且增加了低熱混凝土在凍融循環作用下進入加速質量損失期的循環次數。

2.3 鹽凍融循環力學特征分析

凍融作用的損傷本質是凍脹力以及滲透壓力的反復作用，為典型由外向內的損傷過程，而鹽溶液與水泥作用產生的膨脹產物則會加速這一過程。相對動彈性模量是反映混凝土內部狀態的物理量，能夠在一定程度上表征內部損傷情況。4組混凝土在不同凍融循環次數的相對動彈性模量見圖3。

由圖3可見，混凝土的相對動彈性模量隨凍融循環次數的增加大致上也呈現3個階段變化，分別為：初始迅速下降階段、中期穩定下降階段以及后期加速下降階段。低熱混凝土的相對動彈性模量在穩定下降階段的下降速率大于同期普通水泥混凝土，說明在凍融進行一段時間后，低熱混凝土的損傷發展更快。而摻入水化熱抑制劑后，在凍融前半段（小于200次）相對動彈模量小于P-C40-0，而在后半段（大于200次）反超了P-C40-0。這是由于水化熱抑制劑可以有效延緩水化熱的集中期，使水化反應更充分，因此在凍融后期摻入水化熱抑制劑的試件表現出更好的力學性能。

圖3 4組混凝土經凍融循環后的相對動彈性模量

2.4 鹽凍融損傷演化方程

混凝土屬于帶孔隙非絕對密實的材料，在水化反應過程中會在混凝土內部滯留一部分未與水泥發生反應的水分，隨著這些水分的蒸發，會產生大量的氣孔，受到凍融作用時，這些氣孔擴張形成微裂縫，隨著凍融循環次數的增加，內部的微裂縫不斷累積，在荷載作用下產生應力集中，對大體積混凝土構件造成不利影響。

因此可以得出：鹽凍融損傷的本質是混凝土內部微裂紋的累積。研究凍融損傷就必需考慮混凝土內部微裂紋的分布和累積規律。目前研究已經證實[18-19]，混凝土各組成材料具有隨機分布的特征，因此無論是混凝土中氣孔還是后續形成的微裂紋均是隨機分布的。事實上，混凝土組成成分的隨機分布也必然會導致其在凍融作用影響下產生力學性能的隨機演化特征，即微觀成分的隨機性分布導致宏觀損傷的隨機性演化。因此，本文根據混凝土成分的隨機分布特征建立了混凝土的凍融隨機損傷演化方程。相較于傳統以確定性力學表達為依據的損傷演化方程，本文提出的隨機損傷演化方程更符合混凝土的內部實際狀態。

基于隨機損傷理論構建損傷演化方程，首先需要定義隨機變量。本文定義“經歷n次凍融循環作用發生損傷”這一事件為N，因此可以得到N的概率分布為：

F（n）的物理含義為：在n次凍融后，即[0，n]作用區間內，混凝土發生損傷的概率。

根據經典連續損傷力學[20]，事件N可以由n次凍融后混凝土內部狀態的改變來描述，因此式（1）的右半部分可以表示為n次凍融后相對動彈性模量的衰減，即：

式中：ER（n）——混凝土試件在n次凍融后的相對動彈性模量；

ER0——混凝土試件在凍融前的相對動彈性模量，ER0可以取為1。

根據目前文獻研究結論[21]，Weibull分布可以較好地反映混凝土凍融損傷作用下的性能演化，因此本文假設事件N服從兩參數Weibull分布，見式（3）：

式中：λ——尺度因子；

α——形狀因子；

n——凍融循環次數。

將式（2）、式（3）帶入式（1）可以得到式（4）：

由式（4）可知，當n=0時，等號左右兩邊均為0，表示未凍融試件的損傷度為0；當n→∞時，ER（n）→0，等號左右兩邊均趨于1，表示凍融次數無限大時，試件損傷度為1，完全損傷。說明構建的損傷演化方程與實際情況相符，具有物理意義。

圖4 方程擬合結果

根據參數求解結果，低熱混凝土的損傷演化方程見式（5）：

均方根誤差為2.5×10-3，因此可以證明本文所構建的低熱混凝土損傷演化方程具有一定精度，可以用來預測低熱混凝土在鹽凍融循環作用下的損傷值。

利用根據2.2節中C40、P-C40-1、P-C40-2的相對動彈性模量試驗結果對模型進行驗證，結果見圖5。

由圖5可見，模型計算值與驗證值稍有出入，原因在于低熱水泥以及水化熱抑制劑對混凝土內部結構產生了影響，導致基于相對動彈性模量的計算數據出現了一些偏差。但驗證結果總體上可以說明本文基于混凝土成分隨機分布構建的隨機損傷模型具有一定的精度。

圖5 模型驗證

3 結 論

（1）低熱混凝土的彈性模量始終小于普通水泥混凝土，因此更適用于大體積混凝土構件，但其早期抗壓強度較低。雖然低熱混凝土應用于大體積混凝土構件可以有效降低開裂風險，但也會造成早期強度不足，而水化熱抑制劑的摻入一方面可以進一步降低水化熱，另一方面也會對28 d抗壓強度不足的問題稍有彌補。

（2）多次鹽凍融循環后普通水泥混凝土與低熱混凝土的質量損失率與相對動彈性模量均呈初始迅速損傷、中期穩定損傷及后期加速損傷3個階段變化。在凍融前半段（＜200次），低熱混凝土凍融損傷速度小于普通水泥混凝土，說明在鹽凍融初始階段低熱混凝土性能保持優于普通水泥混凝土，而凍融后半段（＞200次），低熱混凝土的凍融損傷速度大于普通水泥混凝土，說明其對鹽凍融作用敏感性較大。

（3）摻入水化熱抑制劑可以減小凍融作用下的質量損失，且增加了低熱水泥在凍融循環作用下進入加速質量損失期的循環次數。另外，由于水化熱抑制劑可以有效延緩水化熱的集中期，而使水化反應更加充分，因此在凍融后期摻水化熱抑制劑的試件表現出更加良好的力學性能。

（4）在Weibull分布的基礎上構建了隨機損傷演化方程，經過分析表明，方程符合實際情況具有一定的物理意義，數據驗證結果顯示，損傷演化方程具有一定精度，可以用來預測低熱混凝土在鹽凍融循環作用下的損傷值。