活性粉末混凝土冻融循环前后NaCl溶液的吸入特性

2015-09-03安明喆余自若

哈尔滨工业大学学报 2015年4期

王月，安明喆，余自若，韩松

(北京交通大学土木建筑工程学院，100044北京)

盐冻破坏是混凝土结构最严重的病害之一，海工混凝土服役环境中往往氯盐含量很高，氯盐侵蚀与冻融循环耦合作用下，势必会对混凝土结构安全造成威胁.静水压假说［1］和渗透压假说［2］是解释混凝土冻融破坏的两个经典理论，但它们仍不能很好地解释混凝土盐冻破坏的机理.一般认为盐的存在会降低溶液的冰点，降低混凝土的冻害，是正效应，但盐的存在还有5个负效应［3］，正负效应的综合才是混凝土破坏的真正原因.冻融破坏的主要原因之一是孔隙中吸入溶液，溶液结冰后产生体积膨胀，但环境温度、盐溶液的浓度以及孔隙饱和度等都会影响结冰体积膨胀率.实际混凝土结构中几乎所有的混凝土都处于非饱和状态，溶液进入混凝土的主要方式之一是毛细作用，因此毛细作用下混凝土的溶液吸入量是影响混凝土抗冻性的重要因素之一.

Nicos等［4］研究表明孔隙吸水率与时间t有关，在浸水初期(几个小时)，孔隙吸水率与t1/2成正比，随着时间的增加(几天)，吸水速率降低，后期吸水量极小.Kelham［5］和 Hall［6］的研究也表明孔隙吸水率与t1/2线性相关.杨全兵［7］认为在冻融循环条件下，混凝土吸入溶液速率和饱水度增加速率明显快于常温浸泡条件下的相应值.溶液中NaCl质量分数对混凝土冻融破坏有较大的影响，质量分数过高或过低混凝土的剥落都会减小，一般认为破坏最严重时临界质量分数为0.03～0.04［8-9］.2012 年测定的中国管辖海域 8 月表层海水盐度(1 kg海水中的溴和碘全部被当量的氯置换，而且所有的碳酸盐都转换成氧化物之后，其所含的无机盐的克数)变化范围为 0.11～35.30［10］，氯离子质量分数变化范围大.本文研究了不同NaCl质量分数下未冻融活性粉末混凝土的溶液吸入情况，以及NaCl溶液冻融循环1 000次后活性粉末混凝土的溶液吸入情况，为活性粉末混凝土材料盐冻破坏机理分析提供理论依据.

1 原材料与试验方法

1.1 原材料与试件成型

本活性粉末混凝土所用原材料有42.5#普通硅酸盐水泥、微硅粉(SiO2质量分数大于0.9)、石英砂(粒径 0.16～1.25 mm)、高效减水剂(减水率29%)、钢纤维(直径 0.22 mm，长度 12～15 mm).水胶比为0.20，钢纤维体积掺量为2.0%，具体配合比为水泥 ∶硅粉 ∶石英砂 ∶钢纤维:水 ∶减水剂=1 ∶0.23 ∶1.77 ∶0.23 ∶0.17 ∶0.10.成型100 mm×100 mm×100 mm试件，采用75℃蒸汽养护3 d，抗压强度为150.4 MPa.

1.2 试验方法

混凝土溶液吸入量测定试验常用试件切割后的中心面作为测试面，但是考虑到活性粉末混凝土水胶比低，养护期间试件内部胶凝材料水化不完全，在遇到溶液中的水分时发生水化反应，影响其内部结构，进而影响溶液吸入情况.因此本文选择试件NaCl溶液冻融循环前和冻融循环1 000次后试件的不同部位作为吸入面进行溶液吸入量测定试验.如图1所示，将试件切割成 1、2、3、4四个块体，P0、P1、P2、P3 四个面为溶液吸入面(P2 和P3为同一个面，但溶液吸入方向不同)，除吸入面外其他面均用环氧树脂密封.将处理好的试件放入烘箱中以105℃烘干至恒重后称取质量，精确到0.1 g;称重后的试件测试面向下放入恒温(20±1℃)的空水槽中，再向水槽中加入NaCl溶液使试件底部浸没在溶液中5 mm;每隔15 min取出试件，用湿布抹去表面的水分，称取试件的质量.本文 NaCl溶液中 NaCl质量分数分别为 0、0.035、0.050、0.080、0.100.

图1 试件测试吸入面示意

2 未冻融试件测试结果与分析

2.1 毛细原理

当混凝土孔隙处于非饱和状态时，若与溶液接触，孔隙就会充当毛细管，把溶液吸收到孔隙内，如图2所示.活性粉末混凝土属于水泥基材料，混凝土的吸水理论仍然适用.

图2 水泥基材料孔隙代表性单元及毛细原理

溶液中NaCl质量分数的改变会引起溶液密度的变化，为此吸入等体积的溶液时，不同溶液质量吸入量并不相同，采用质量吸入量作为浓度对溶液吸入量影响的评价指标显然不合适.因此，本文中的溶液吸入量均指体积吸入量，即i=At1/2+a中i为单位面积活性粉末混凝土的溶液体积吸入量，mL/m2;A为活性粉末混凝土的毛细吸液系数，mL/(m2·s1/2);a为i轴上的截距，mL/m2.

2.2 NaCl质量分数对吸入量的影响

活性粉末混凝土P1测试面在不同NaCl质量分数下的溶液吸入量测试结果见图3.由图可见溶液吸入量与时间之间并非呈线性关系，其吸水过程先增长较快，后增长缓慢，与贺智敏等［11］、朱方之等［12］研究得到的规律相同.NaCl质量分数对毛细吸液量存在较大的影响，在相同吸入时间下，随着NaCl质量分数的增大，毛细吸液量减小.浸泡的前15 min溶液吸入量最大，NaCl质量分数分别为 0、0.035、0.050、0.080、0.100 时，溶液吸入量达到 555 min 总吸入量的 38.89%、36.26%、33.33%、38.89%、40.57%;180 min时分别达到了555 min 总吸入量的 73.61%、75.82%、76.34%、80.00%、80.19%.由于混凝土初始吸水速率有较大的离散性［13］，拟合数据时不包括0～15 min时刻.因此，将溶液吸入量分为两个阶段:15～180 min和 180～555 min.并采用i=At1/2+a公式进行拟合(如图4)，两阶段溶液吸入量与t1/2之间各自存在明显线性关系，其相关性系数均大于0.98.拟合得出的不同NaCl质量分数毛细吸液系数A统计结果见表1.

图3 不同NaCl质量分数溶液吸入量(0～555 min)

图4 不同NaCl质量分数溶液i－t1/2曲线(15～555 min)

表1 不同NaCl质量分数溶液P1吸入面毛细吸液系数 mL·m-2·s-1/2

由表1可知，15～180 min阶段NaCl质量分数对混凝土的毛细吸液系数影响较大，毛细吸液系数大致呈随着NaCl质量分数的增大而减小的趋势，质量分数为0的溶液毛细吸液系数是0.100 的1.76倍.180～555 min 阶段不同 NaCl质量分数的毛细吸液系数较接近，没有明显的相关性.

2.3 试件表面与芯部的溶液吸入量

图5给出了NaCl质量分数为0.050时吸入面P0和P1在540 min内溶液吸入量变化曲线.P0吸入面吸入特性与P1吸入面类似，180 min时吸入量占540 min总吸入量的85.00%.分别对15～180 min和180～540 min两个阶段的试验数据进行拟合，结果见图6.15～180 min阶段表面和芯部吸入面的毛细吸液系数分别为 0.884、5.143 mL/(m2·s1/2)，180～ 540 min阶段分别为0.440 1、2.634 mL/(m2·s1/2).由此可知，芯部吸入面两个阶段的毛细吸液系数均接近表面的6倍.

图5 不同吸入面溶液吸入量(0～540 min)

图6 不同吸入面i－t1/2曲线(15～540 min)

活性粉末混凝土的溶液吸入量主要由两部分组成，一是活性粉末混凝土为多孔结构，在毛细作用下溶液渗入到混凝土内部，二是活性粉末混凝土水胶比很低(0.20)，在高温蒸汽养护过程中试件本身比较致密，高温养护时水分侵入深度有限，内部胶凝材料不能完全水化，因此渗入到孔隙内部的溶液中的水分与未水化胶凝材料反应，消耗孔隙内溶液同时提高溶液浓度，进一步促进外部溶液的渗入.在蒸汽养护条件下活性粉末混凝土表面水化更完全，形成致密的砂浆层，相对于芯部其结构更密实，上述两部分溶液吸入量中试样芯部的吸入量均大于表面.但部分水化反应后的胶凝材料遇水后的继续水化反应速率慢，本试验中浸泡9 h其结合水量仅增大0.075 34%，因此，试件芯部的毛细吸液系数大于表面的主要原因是表面混凝土更密实.

表2给出了活性粉末混凝土的毛细吸液系数与普通混凝土的对比结果，由表可知，活性粉末混凝土表明的毛细吸液系数远小于普通混凝土，芯部的毛细吸液系数约为普通混凝土的60%.这主要是因为活性粉末混凝土水胶比低，颗粒级配好，剔除了粗骨料，胶凝材料的用量大，并且采用高温蒸汽养护，相对于普通混凝土其微观结构致密，孔隙率低，不易于溶液渗入.

表2 活性粉末混凝土与普通混凝土的毛细吸液系数mL·m-2·s-1/2

3 冻融循环后试件测试结果与分析

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，试验表明，活性粉末混凝土在NaCl质量分数为0.050的溶液中快速冻融循环1 000次后立方体试件的抗压强度只降低了17.3%，质量损失率仅为0.50%.本文对冻融循环1 000次后试件进行了溶液吸入特性研究.

图7给出了冻融后试件P1、P2、P3面的毛细吸液量试验结果.由图可知，冻融后试件的溶液吸入规律与冻融前相同，不同位置处溶液吸入量的关系为P1＞P2＞P3.由于采用高温蒸汽养护，活性粉末混凝土的水化程度由表及里逐渐降低，因此，测试吸入面的水化程度关系为P3＞P2＞P1，密实度关系为P3＞P2＞P1.距离表面越远的位置在冻融循环的过程中溶液渗入的越少，相比表面密实度差，在毛细作用下渗入的溶液越多，因此溶液吸入量关系为 P1＞P2＞P3.这也表明冻融循环1 000次作用下活性粉末混凝土内部的孔隙结构与冻融前相似，冻融损伤并不严重.

对图7进行分析，拟合结果见图 8.P1、P2、P3吸入面15～180 min阶段毛细吸液系数分别为1.692、1.389、1.396 mL/(m2·s1/2)，180～540 min阶段分别为 0.636、0.683、0.644 mL/(m2·s1/2).P1吸入面15～180 min阶段毛细吸液系数明显大于P2和P3，而180～540 min阶段这3个吸入面的毛细吸液系数接近.

图7 冻融循环后溶液吸入量(0～540 min)

图8 冻融循环后i－t1/2曲线(15～540 min)

3.2 冻融循环对溶液吸入量的影响

表3给出了冻融循环前后溶液吸入量的对比结果.由表可知，冻融循环1 000次后活性粉末混凝土的溶液吸入量显著降低.P1吸入面冻融后540 min溶液吸入量仅为冻融前的0.33倍，15～180 min阶段毛细吸液系数为冻融前的0.33倍，180～540 min阶段毛细吸液系数为冻融前的0.24倍.活性粉末混凝土由于水胶比低，掺入了钢纤维，冻融循环1 000次时内部没有明显损伤，但冻融循环过程中溶液缓慢渗入混凝土内部，与未水化胶凝材料发生水化反应，填充了孔隙，因此，冻融循环一定次数下其密实度不会明显降低，甚至密实度会提高.且冻融后试件继续水化需水量显著降低，溶液吸入量降低.

表3 冻融循环前后溶液吸入特性对比

4 结论

1)活性粉末混凝土溶液吸入量随NaCl质量分数的增大而减小，540 min溶液吸入量可分为15～180 min和180～540 min两阶段，两阶段溶液吸入量均与t1/2成正比.

2)活性粉末混凝土15～180 min阶段毛细吸液系数大致随NaCl质量分数的增大呈现减小现象;当NaCl质量分数为0时，其毛细吸液系数小于普通混凝土.

3)冻融循环过程中活性粉末混凝土内未水化胶凝材料遇水后可继续水化，冻融循环1 000次后溶液吸入量显著降低，冻融循环后距活性粉末混凝土表面越远吸入面的毛细吸液系数越大.

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