預加載條件下混凝土抗鹽凍性能試驗研究

范鶴，楊瑩瑩，孫佳媛，劉功杰，方嘉浩

（沈陽工業大學建筑與土木工程學院，遼寧 沈陽 110870）

1 引言

我國幅員遼闊，在季節性凍土區的沿海或內陸地區（鹽漬土地區），鹽腐蝕和凍融循環是直接影響混凝土結構耐久壽命的主要環境因素[1-8]。相較單純的凍融破壞，不同鹽溶液的加入會對混凝土的性能產生不同的影響。文獻[1]的試驗結果表明，在凍融循環和氯離子侵蝕的耦合作用下，混凝土的耐久性降低。文獻[2]通過模擬凍融和硫酸鹽溶液共同作用的實際環境，觀察到混凝土與硫酸鹽溶液反應會產生一種膨脹性物質，這種物質會填充到混凝土的孔隙中，達到孔隙密實的作用，一定程度上減緩了凍融破壞。而在上述兩種試驗中，只考慮了鹽腐蝕和凍融循環共同作用對混凝土性能的影響，不能完全模擬鹽漬土地區混凝土結構的真實服役狀態。混凝土結構通常是在持荷條件（帶有一定損傷的狀態）下工作的，共同考慮環境因素和荷載條件能更真實地再現混凝土服役狀態[9]。

本文設計了預加載制度模擬混凝土的實際工作狀態，對加載后的混凝土試件進行凍融鹽蝕試驗，分析混凝土強度等級對混凝土抗鹽凍性能的影響。

2 試驗設計

2.1 試驗材料及設備

水泥采用遼寧山水工源水泥有限公司生產的P·O42.5 的普通硅酸鹽水泥；粗骨料采用沈陽地區碎石，最大粒徑20mm，級配良好；細骨料采用沈陽地區中砂，細度模數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。

試驗采用混凝土單邊凍融試驗機進行快速凍融試驗；采用100T電液伺服拉壓試驗機進行預加載；通過DT-16 動彈儀測量凍融循環后混凝土試件的橫向基頻，判定混凝土的內部損傷情況。

2.2 試驗方案

本試驗采用C20、C40、C50 強度等級的混凝土進行研究。根據《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ 55-2011）設計的混凝土配合比如表1 所示。試驗澆筑100mm×100mm×400mm 的棱柱體試件進行預加載及抗鹽凍性能試驗。將養護好的試件分成兩組，利用3.5%的NaCl 溶液、3.5%的Na2SO4溶液浸泡后放入凍融機中，將凍融機溫度設置在-20～-18℃之間。每4h 完成一次凍融循環，每隔25 次循環取出試件觀察其外部損傷并測量質量Wni和橫向基頻fni。為了保證試件盒中的濃度不變，每隔25 次凍融循環更換一次試件盒中的溶液，當試件的相對動彈性模量下降到60%或者試件的質量損失率達到5%時，停止試驗。

試驗通過混凝土的質量損失率和相對凍彈性模量來表征混凝土的抗鹽凍性能，質量損失率越小說明抗鹽凍性能越強，相對動彈性模量越大說明抗鹽凍性能越強。

相對動彈性模量計算式：

式中：Pi為經n次凍融循環后第i個試件的相對動彈性模量（%）；fni為經n次凍融循環后第i個試件的橫向基頻（Hz）；f0i為未凍融第i個試件橫向基頻初始值（Hz）。

質量損失率計算式：

式中：?W0i為n次凍融循環后第i個試件的質量損失率（%）；W0i為凍融循環試驗前第i 個試件的質量（g）；Wni為n次凍融循環后第i個試件的質量（g）。

考慮混凝土強度等級、凍融循環次數和壓應力水平三個因素，設計正交試驗，影響因素及水平如表2 所示，其中，壓應力水平是指預加載試驗中設計的壓應力分別為混凝土標準立方體抗壓強度的25%、50%、75%、100%。

表2 影響因素及水平

3 預加載制度

3.1 壓應力水平的選取

混凝土在施加不同的壓應力時，內部損傷程度不同，其抗鹽凍性能也會受到影響，合理選擇壓應力水平點至關重要。圖1 為混凝土的單軸受壓應力-應變曲線，O 點～A點為彈性變形階段，點A（30%～40%fc，fc是指混凝土標準立方體抗壓強度）為比例極限點，這時骨料與砂漿之間開始出現裂縫；A 點～B 點為裂縫擴展階段，點B（70%～80%fc）為臨界點，此時骨料與砂漿之間的裂縫增大，砂漿內部也出現了裂縫，混凝土開始出現肉眼可見的破壞。因此，在O 點～B 點之間選取壓應力水平點較有意義，本試驗分別選取了0%fc、25%fc、50%fc、75%fc四個應力水平點作為研究對象。

圖1 混凝土單軸受壓應力-應變曲線

參考徐浩[10]、徐航[11]的試驗，本試驗將C20、C40、C50 三個強度等級的混凝土試件以加載速率0.5MPa/s，持續時間為120s，卸載速率-0.5MPa/s 作為一次循環進行預加載試驗，循環次數為3次。

3.2 預加載制度驗證

3.2.1 吸水試驗

預加載制度的有效性是通過吸水試驗和SEM 掃描電鏡試驗加以驗證的。吸水試驗中，混凝土試件在不同的壓應力水平下，其吸水率（式3）會產生相應變化。從吸水率的變化情況可以判斷出，經預加載后混凝土試件內部的裂縫和孔隙的變化情況，吸水試驗結果如圖2所示。

圖2 吸水試驗結果

式中：f為吸水率；W1為試件吸水前質量；W2為試件吸水后質量。

從圖2 看出，不同強度等級的混凝土試件隨著壓應力水平的提高，吸水率均呈現先下降后上升的趨勢，在接近25%壓應力水平處的吸水率最低。分析認為，施加25%的壓應力會將試件中原有的裂縫和孔隙壓實，使其吸水能力降低。在壓應力水平一定時，強度等級越高的混凝土吸水率越低，隨著混凝土強度提高，水灰比減小，砂漿與骨料之間的粘結力越大，內部結構越密實[12]，其吸水率越低。從吸水試驗的結果和分析可知，強度等級不同、壓應力水平不同的混凝土，其吸水率有規律性變化，證明加載制度有效。

3.2.2 SEM掃描電鏡試驗

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

圖3 C40混凝土掃描電鏡圖

4 凍融鹽蝕試驗

4.1 試件表面形態變化分析

在凍融鹽蝕試驗中，隨著循環次數的增加，混凝土試件出現砂漿剝落、粗骨料暴露等凍害現象。25%壓應力水平的試件最先發生破壞，NaCl 溶液侵蝕的試件比Na2SO4溶液侵蝕的試件破壞現象更為明顯。

圖4為C40 混凝土經過75 次凍融后試件的表面形態，從圖4（a）中可以觀察到，在NaCl 溶液侵蝕條件下，25%壓應力水平的試件凍害現象最明顯，粗骨料大面積外露并產生了一些溝壑；其次是0%和75%壓應力水平的試件，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%壓應力水平的試件。如圖4（b）所示，Na2SO4溶液侵蝕條件下，不同壓應力水平的試件出現了砂漿層剝落、粗骨料外露等凍害現象，與NaCl 溶液侵蝕條件下的試件出現的凍害現象相近。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，整體凍害現象較輕。

圖4 75次凍融循環后的C40混凝土表面情況

4.2 質量損失率變化分析

圖5～圖7 分別C20、C40、C50 強度等級的混凝土在不同鹽溶液侵蝕下凍融循環次數與質量損失率的變化關系圖。如圖所示，隨著凍融循環次數的增加，混凝土試件在兩種鹽溶液侵蝕下，質量損失率均呈上升趨勢。在不同壓應力水平下，試件的質量損失率在25%壓應力水平時最大，在50%壓應力水平下最小。在兩種鹽溶液中，處于NaCl 溶液中的試件質量損失率較大。在凍融初期，質量損失率快速增長，說明試件的破壞速度較快；之后曲線趨于平緩，說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溶液中試件的質量損失率有1%左右的降低，這說明試件質量增加。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發生反應形成鈣礬石（3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O），增加了試件質量。

圖5 C20混凝土在不同鹽溶液侵蝕下凍融循環次數對質量損失率的影響

圖6 C40混凝土在不同鹽溶液侵蝕下凍融循環次數對質量損失率的影響

圖7 C50混凝土在不同鹽溶液侵蝕下凍融循環次數對質量損失率的影響

4.3 相對動彈性模量變化分析

圖8～圖10 分別為C20、C40、C50強度等級的混凝土在不同溶液侵蝕條件下凍融循環次數對相對動彈性模量的影響。如圖所示，混凝土的相對動彈性模量隨著凍融循環次數的增加不斷降低。預壓應力水平不同，鹽溶液相同時，25%應力水平的試件相對動彈性模量下降的最多，其次是75%預壓應力水平的試件，0%和50%預壓應力水平的試件下降的較少。說明預壓應力水平會對混凝土抗鹽凍性能產生一定的影響。在預壓應力水平相同，鹽溶液不同時，NaCl 溶液中的試件相對動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 混凝土試件的相對動彈性模量均大于60%，試件被破壞程度較輕，說明C50 強度等級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次數對相對動彈性模量的影響

圖9 C40混凝土在不同鹽溶液侵蝕下凍融循環次數對相對動彈性模量的影響

圖10 C50混凝土在不同鹽溶液侵蝕下凍融循環次數對相對動彈性模量的影響

4.4 強度等級對混凝土抗鹽凍性能的影響

通過4.1 節混凝土的形態變化分析可知，試件在NaCl 溶液與凍融耦合的條件下凍害現象較明顯。故本節只討論不同強度等級混凝土在NaCl 溶液與凍融循環共同作用下混凝土的抗鹽凍性能。

圖11、圖12 分別為NaCl 溶液與凍融循環共同作用下，凍融循環100 次，混凝土試件的質量損失率和相對動彈性模量隨強度等級變化規律圖。由圖11 可知，在壓應力水平相同的條件下，混凝土的質量損失率隨混凝土強度等級的增大而減小，說明混凝土強度等級越高抗鹽凍性能越強。圖12 中，在壓應力水平相同的條件下，混凝土的相對動彈性模量隨混凝土強度等級的增大而增大，再一次印證了混凝土強度越高，其抗鹽凍性能越強這一結論。

圖11 強度等級與質量損失率關系圖

圖12 強度等級與相對動彈性模量關系圖

5 結束語

本文通過試驗研究及分析得出以下結論。

①參考混凝土的單軸受壓應力-應變曲線以及相關文獻設計了預加載試驗來模擬混凝土的實際服役狀態。利用吸水試驗和SEM 掃描電鏡試驗對預加載后混凝土試件中的裂縫和孔隙情況進行了宏觀和微觀的檢驗，證明預加載制度的有效性。

②隨凍融循環次數的增加，混凝土質量損失率逐漸增大，相對動彈性模量逐漸降低，試件的水泥砂漿層均出現不同程度的剝落情況。

③在壓應力水平、強度等級相同的情況下，混凝土在NaCl 溶液中比在Na2SO4溶液中的凍害現象更加明顯，這說明Cl-對混凝土的抗鹽凍性能產生更不利影響。

④在壓應力水平、鹽溶液相同的條件下，強度等級越高的混凝土抗鹽凍性能越強。