风积沙混凝土的抗冻性与冻融损伤机理分析

吴俊臣，申向东

（1. 内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018；2. 内蒙古建筑职业技术学院建筑工程学院，呼和浩特 010070）

风积沙混凝土的抗冻性与冻融损伤机理分析

吴俊臣1,2，申向东1※

（1. 内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018；2. 内蒙古建筑职业技术学院建筑工程学院，呼和浩特 010070）

为探讨沙漠沙（又名风积沙）替代河砂对低温环境下混凝土的耐久性能影响，按照风积沙替代河砂质量的20%、40%、60%、80%、100%共设计了5种强度等级为C25的风积沙混凝土（aeolian sand concrete，ASC）。采用加速试验方法研究了风积沙混凝土在冻融条件下的损伤失效规律，借助环境电镜扫描（environmental scanning electron microscope，ESEM）、应变监测和核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）等测试手段得到了风积沙混凝土的损伤机理。研究发现风积沙掺量80%以上的混凝土冻融次数超过200次，冻融损伤残余应变小，内部封闭小孔隙数量多对冻融损伤的抑制阻碍作用增强。结果表明风积沙混凝土的抗冻性能随着风积沙掺量的增加而提高，掺量为100%的风积沙混凝土的抗冻性最好。该研究可为风积沙混凝土大范围应用于寒区渠道衬砌及水利设施建设提供理论依据。

灌溉；混凝土；核磁共振；风积沙；冻融；损伤；应变

吴俊臣，申向东. 风积沙混凝土的抗冻性与冻融损伤机理分析[J]. 农业工程学报，2017，33(10)：184－190.

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.10.024 http://www.tcsae.org

Wu Junchen, Shen Xiangdong. Analysis on frost resistance and damage mechanism of aeolian sand concrete[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(10): 184－190. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.10.024 http://www.tcsae.org

0 引 言

作为中国设计灌溉面积最大的内蒙古西部巴彦淖尔市河套灌区，2015年仅节水改造工程[1-4]投资近6.5亿元，其中需要消耗40万m3混凝土用于渠道衬砌与配套水利设施建设。数量众多的混凝土水利设施服役环境属于干旱、寒冷地区，遭受反复热胀冷缩后相当一部分出现冻胀破坏、剥落[5-11]，恶劣的混凝土服役环境导致大量水工混凝土结构的实际使用寿命普遍低于设计使用寿命。天然河砂的过度开采导致资源紧缺和环境的破坏，土地快速的沙漠化和在防沙固沙方面的巨额投入[12]，混凝土水利设施的低耐久性造成的重复建设，用储量丰富的沙漠沙（又名风积沙）作为河砂的替代产品应用于混凝土行业并提高其耐久性能是摆在科研工作者面前的一个重要课题。国内外许多专家与学者已经对风积沙的工程特性[13-16]、对砂浆和混凝土物理与力学性能的影响[17-19]以及在工程上的应用[20-23]方面展开了研究，取得了许多有价值有意义的成果。但是对风积沙混凝土的耐久性能研究的成果目前很少[24]，这极大地限制与阻碍了风积沙混凝土在工程上的应用。

本文按照内蒙古河套灌区在渠道衬砌中广泛使用的模袋混凝土的性能要求[9]，按照风积沙替代普通河砂质量的20%、40%、60%、80%和100%设计配制了5种强度等级均为C25不同风积沙替代量的混凝土，采用加速试验模拟自然环境对普通混凝土（ordinary Portland cement concrete，OPC）和风积沙混凝土（aeolian sand concrete，ASC）的抗冻性能进行了研究；测试了不同掺量风积沙混凝土在水中冻融后的内部应变损伤；运用X射线衍射分析技术（X-ray diffractometer，XRD）、环境电镜扫描（environmental scanning electron microscope，ESEM）及核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）技术深入探讨了风积沙混凝土的冻融损伤机理。

1 材料与方法

1.1 材料

采用冀东牌42.5级普通硅酸盐水泥，内蒙古呼和浩特市金桥电厂生产的粉煤灰；普通河砂为中砂（细度模数 2.9），风积沙为内蒙古西部库布齐沙漠地区的沙漠沙（细度模数0.7）；粒度范围在5～12 mm连续级配的卵石。水泥的主要性能指标均满足要求，其 28d抗压强度为49.1 MPa；风积沙与石子的含泥量均为0.4%，河砂的含泥量为3.5%、泥块质量分数为0.3%。减水剂采用聚羧酸类母液sc-40型高效减水剂，减水率达20%；拌和用水为饮用水。原材料的主要化学成分见表1。

表1 材料主要化学成分Table 1 Main chemical compositions of materials %

1.2 试验设计

按照风积沙替代天然河砂量（质量计）不同，共设计了5组ASC，替代量分别为20%、40%、60%、80%、100%，OPC作为对比组。6组混凝土水灰比均为0.55、砂率为0.48；1m3混凝土中胶凝材料质量为418 kg、引气剂质量为0.02 kg；6组混凝土内掺粉煤灰采用等量替代法，掺量均为胶凝材料的20%，即84 kg/m3。配合比见表2。

表2 6种混凝土配合比及物理力学性能Table2 Mix proportions and physical and mechanical properties of concrete

严格按照粗细骨料-胶凝材料的先后顺序投入搅拌机干拌30 s，然后边搅拌边缓慢均匀分散的加水再搅拌2 min，根据《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GB/T 50080-2002），试件成型尺寸为100 mm´100 mm´100 mm的立方体试件和40 mm´40 mm´160 mm的棱柱体试件[25-26]，将制作好的试块保湿养护1 d后拆模，在标准状态下养护28 d。

1.3 试验方法

按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082-2009）中“快冻法”，将标养到24 d的棱柱体试件浸入（全浸泡）温度为15～20 ℃的水中，4 d后放入快速冻融机中进行快速冻融循环试验，在-18 ℃±2 ℃条件下冻结2 h，在8 ℃±2 ℃条件下融化2 h为一个冻融循环，1 d完成6个冻融循环。具体为：由8 ℃降到-18℃冻结用时 1 h，保持-18 ℃ 1 h，由-18 ℃升到8 ℃融化过程为1 h，保持8 ℃为1 h。试验过程中每25个循环结束后观测冻融试验箱中橡胶桶内液面高度并及时补充，要保证液面高度始终高于试件的高度。试验开始时先测取每组混凝土的初始质量与动弹性模量，然后每隔25个冻融循环（4 d后）后测定每组3个试件的质量与动弹性模量，并取其平均值。当冻融循环次数达到300次、试件的质量损伤率达5%或者相对动弹模量下降到60%时，即可停止试验[27]。

X射线衍射分析（XRD）：样品的物相分析采用日本理学公司的UltimaIV型X射线衍射仪测定，条件为Cu靶，λ=1.540 6A，管压40 kV，管流40 mA，扫描速度4°/min，扫描范围 5°～90°。

应变采集：试验开始前已经对6种不同风积沙掺量的混凝土试块内部埋置了BX120-50AA型电阻应变片[28]，电阻值为（120±0.2）W，灵敏系数为（2.08±1）%。采用江苏东华测试技术股份有限公司产的 DH3818静态应变测试系统，其采样频率为2 Hz。

核磁共振（NMR）：采用上海纽迈科技有限公司生产的 MiniMR－60型核磁共振仪，在测试试件的过程中H质子共振频率23.320 MHz，磁体强度0.55 T，磁体温度为32 ℃。

2 结果与分析

2.1 OPC与ASC冻融后的动弹模量与质量变化

由图1 a可见，6种混凝土在冻融循环时，掺量为20%与40%的ASC相对动弹性模量快速降低，在经历100次冻融循环试验时即达到破坏标志；OPC与掺量在60%及以上的ASC动弹性模量先增加后减小，动弹性模量增加到一定程度后快速降低，100%的ASC降低段进行的非常缓慢，即使在冻融至 300次后其动弹性模量仍然达到初始值的80%。

图1 不同风积沙掺量混凝土在不同冻融次数时的相对动弹模量与质量损失Fig.1 Relative dynamic elasticity modulus and mass loss of concrete with different aeolian sand content in different times of freeze-thaw cycles

通过图1b可以看出，各混凝土质量在冻融前期均有不同程度的增长，增长的原因主要是因为内部的微裂纹的发展导致孔隙溶液增多所致；掺量为 80%及以下的ASC与OPC在遭受冻融时直观表现为表面的层状剥离与内部微裂缝不断发展并发展到表面，因此表现为相对动弹性模量的减小与质量损失率的增加；100%的风积沙混凝土遭受225次与300次冻融后直观从表面看损伤差异非常小，只观察到表面层状剥离，到 300次后质量损失率才达到5%，其内部微裂缝的发展非常缓慢。这主要是因为其内部分布有很多的封闭小孔洞，在冻结阶段这些孔洞内的溶液冰点较低未结冰，大孔内的水结冰形成的冻胀应力被封闭孔洞所抑制与释放。

从图1中也可以看出，20%与40%的ASC抗冻性最差，而OPC与掺量60%以上的ASC抗冻性依次增强，100%掺量的ASC的抗冻性最好。从前面表2可知6种混凝土的28 d抗压强度逐渐减小，由于ASC的风积沙掺量越大，则内部封闭孔隙越多，孔隙多则会降低混凝土的强度；而孔隙越多，孔隙间距减小，则遭受冻融时内部孔隙水结冰产生的冻胀作用力的抑制效果就越好，因此抗冻性越来越好。

2.2 机理分析

图2为OPC、60% ASC和100% ASC标养28 d的XRD物相分析曲线，图3为3种不同风积沙掺量的ASC在遭受50次冻融循环后的ESEM照片。可以看出，经过28 d标准养护后，3种混凝土内部均观察到有针棒状物质与片状物质存在，通过XRD物相分析证实除了SiO2和未水化的硅酸三钙（3CaO·SiO2，缩写 C3S）外，存在较多的水化硅酸钙（xCaO·SiO2·yH2O，缩写C-S-H）凝胶和钙矾石（3CaO·Al2O3．3CaSO4·32H2O，缩写 AFt），还有少量的单硫型水化硫铝酸钙（3CaO·Al2O3·3SO4·12H2O，缩写AFm）。60% ASC的基体组织结构最为紧密，集料周围完全被水化产物所包裹；而100% ASC在放大1 000倍后可看到基体内分布有许多圆形封闭的毛细孔洞。掺量在80%以下的ASC经过冻融后在内部与表面形成了很多裂纹，这些裂纹最终在表面形成裂纹网，水进入混凝土提供了通道，为AFm转变为AFt提供了条件。冻融初期，AFt相的增加密实了混凝土结构；而在冻融后期，内部冻胀力导致微裂纹与微孔不断扩展，这也证实了掺量在60%以上的ASC冻融后不仅表现为表面的层状剥离，也表现为动弹模量先增加然后减小，证明内部的损伤逐渐在加剧。而100% ASC内部分布有大量的封闭的毛细孔洞，虽然水化初期与经过冻融后混凝土内部也有一定的微裂纹，由于封闭毛细孔的缓冲作用这些微裂纹不会进一步发展，只是在表面形成一定的裂纹并最终发展成裂纹网，表现为300次冻融后质量损失到5%，而动弹模量下降很少。

图2 3种混凝土在标准养护28 d后的X射线衍射分析Fig.2 Analysis of X-ray diffraction after 28 days of standard maintenance on three types of concrete

图3 不同风积沙掺量混凝土在不同冻融次数时的环境电镜扫描照片Fig.3 ESEM photographs of concrete with different aeolian sand content in different times of freeze-thaw cycles

图4为OPC与ASC在第8个冻融循环的应变随温度变化曲线，图 5为残余应变随风积沙掺量变化情况。对于经过冻融循环的 6种混凝土，随着温度的降低，混凝土内部的大孔先结冰、小孔后结冰，大孔中的水结冰后体积膨胀产生冻胀力，应力导致混凝土基体变形，因此变形逐渐增大，在最低温度时应变达最大值；随着温度的逐渐升高，大孔中的冰先融化导致冻胀力减小，应变也减小。最终第8个冻融循环期内的降温和升温阶段混凝土内部应变变化路径并不重合。60% ASC在降温和升温阶段的应变变化非常大，这种现象也与前面提到的该混凝土的相对动弹性模量变化速度最大是一致的。这是因为60%的ASC内部一旦出现微裂缝，由于内部孔隙率比较小，混凝土基体出现的这种损伤具有不可逆转性，因此，随着冻融次数的增加，裂缝发展越来越大，导致其在冻融到150次时质量虽然在增加，但是相对动弹性模量已经降低到60%，表示混凝土已经达到破坏。对于设计强度等级为 C25的混凝土其弹性模量为 28 GPa，抗拉强度为1.27 MPa，则混凝土的极限拉应变为45.4´10-6。从图 5可看出经过相同的冻融循环作用后，60% ASC的残余应变最大，经过8次循环，6组混凝土的残余应变（e）分别为 299´10-6、129´10-6、519´10-6、5324´10-6、85´10-6、177´10-6，说明 6 种混凝土在第 8次冻融循环作用下内部产生的应力足以导致基体出现裂纹；经过8次循环后60% ASC的基体内部损伤最严重。出现以上现象的原因就是风积沙的掺量在很大程度上影响了混凝土的内部孔隙结构，掺量越大，混凝土内部的孔隙含量越多，但是封闭型的小孔所占体积比例较大，冻融过程中内部孔隙结构最不合理的裂纹产生扩展的速度就快，损伤就更大。因此，风积沙掺量是影响ASC抗冻性的主要因素之一。

图4 不同风积沙掺量混凝土在第8次冻融循环时应变随温度的变化Fig.4 Strain along with the temperature variation at 8th freeze-thaw cycle with different aeolian sand content of concrete

图5 第8次冻融循环时混凝土内残余应变随风积沙掺量的变化Fig.5 Residual strain of concrete with different aeolian sand content at 8th freeze-thaw cycle

通过NMR的T2谱图与孔径分布曲线可进一步说明。核磁共振T2分布与孔隙尺寸相关，在多孔介质中，孔径越大，存在于孔中的水弛豫时间越长；孔径越小，存在于孔中的水受到的束缚程度越大，弛豫时间越短，即峰的位置与孔径大小有关，峰的面积大小与对应孔径的多少有关。由图6可知，经过50次冻融后的风积沙混凝土核磁共振T2谱主要表现为3～4个峰值，且依次4个峰值的信号强度存在较大差异，说明在经过冻融后及不同冻融次数后风积沙混凝土内部的孔隙分布不同。风积沙掺量为40%的混凝土第一、第二峰值最大，100%风积沙混凝土第一峰值最小，说明风积沙掺量的提高可以缓解混凝土内部的裂纹的进一步发展； 100%风积沙混凝土的T2谱首峰峰值明显小于掺量为 0～80%的风积沙混凝土第一峰值，说明100%风积沙混凝土内部的孔隙尺寸明显小于其他掺量的风积沙混凝土。100% ASC内部的孔径最小，大孔数量也最少。

图6 不同风积沙掺量混凝土在冻融50次时的孔结构变化Fig.6 Variation of pore structure in 50th freeze-thaw with different aeolian sand content of concrete

表3为6组混凝土50次冻融后的的孔隙度、渗透率、束缚水饱和度和自由水饱和度，通过 4个参数的变化来分析遭受冻融的混凝土内部的孔隙发育情况，并评价 6组混凝土的抗冻性能[29-30]。已经知道，混凝土内部的自由水是赋存于大孔与裂缝中，而束缚水是赋存于毛细孔内的。对比 6组混凝土，随着强度的减小，束缚流体饱和度增加，而自由流体饱和度减小，表明在反复冻胀力的作用下，混凝土的内部新出现的微小裂纹与微孔；强度最低的100% ASC束缚流体饱和度最大，表明大掺量的风积沙混凝土内部含有的封闭孔隙最多，而这些微孔隙与微裂纹可以起到对孔隙中未冻水的“卸压”作用[31-32]，因此很大程度上起到了缓解冻融损伤。

对比孔隙度与渗透率发现，20%和40%的ASC孔隙度较大，渗透率也较大，说明这 2种混凝土内部大孔隙比较多；对6种混凝土而言，60%以上的ASC孔隙度相对来说偏小，随着掺量增加孔隙度增加，说明是因为混凝土内部的封闭孔隙数量多而导致的，这也是其渗透率越来越小的原因。因此，合理的混凝土内部的孔隙结构，低渗透率的混凝土，可以明显改善其抗冻性能，风积沙掺量越大，内部的孔隙结构对抗冻性越有利。

表3 50次冻融后的孔隙度与渗透率Table 3 Porosity and permeability after 50 times’ freeze-thaw cycles

3 结论

1）在冻融作用下，OPC与不同掺量的ASC的冻蚀性存在明显差异，OPC与掺量在风积沙掺量80%以下的ASC破坏特征是由于水冻胀压导致的膨胀开裂；风积沙掺量60%的ASC冻融前期表现仅为层状剥离，在冻融到接近 150次时表现为不仅有表面剥落，还有内部的裂缝的不断扩展导致的动弹性模量的快速下降；而100% ASC的破坏特征则是表面的层状剥离。

2）OPC、风积沙掺量为20%和40%的ASC的抗冻性很差，风积沙掺量在60%～100%的ASC的抗冻性明显要优于不掺风积沙或者掺量少的混凝土。即掺量越大混凝土的抗冻性越好。

3）通过XRD、应变损伤以及NMR试验，分析得到了OPC与ASC的冻融破坏机理。风积沙掺量60%的风积沙混凝土由于内部致密的组织结构及孔隙率较小，冻融导致混凝土的应变不可逆转，因此冻结阶段与融化阶段应变变化较大。风积沙掺量100%的ASC的应变虽然比20% ASC和80% ASC的应变大，但是因为100% ASC内部的封闭孔隙最多，因此对混凝土内部损伤的发展起到了抑制与释放作用。

4）ASC的冻融损伤规律与风积沙掺量、冻融次数及内部孔隙分布情况有关。风积沙掺量在 80%以下的混凝土抗冻性低于100% ASC。

综上所述，100%掺量风积沙混凝土在水中的抗冻性最好，损伤程度最小，在西部寒区农田灌溉工程中用风积沙全部代替河砂拌制混凝土用于渠道衬砌或者模袋混凝土是完全可行的，从实际效果、施工成本和材料使用寿命上看作为寒区渠道衬砌的替代材料意义重大。但是该文对风积沙混凝土的抗冻性研究和分析仅仅是建立在水中冻融基础上的，没有考虑水或土壤中含有的腐蚀性易溶盐、大气中的CO2、干湿等对风积沙混凝土的影响，实际混凝土工程的服役环境往往是几种因素共同作用。因此，还需要对风积沙混凝土在复合因素作用下的抗冻性能进行更多的室内外试验，借助最新的宏观与微观测试手段进行更深入的分析探讨。

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Analysis on frost resistance and damage mechanism of aeolian sand concrete

Wu Junchen1,2，Shen Xiangdong1※
(1.College of Water Conservancy and Civil Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Huhhot010018,China;2.College of Civil Engineering and Architecture, Inner Mongolia Technical College of Construction profession, Huhhot010070,China)

At present, the insufficient storage of the river sand and the rising cost of the construction have been unable to meet the requirements of the concrete projects in the desert area and the surrounding irrigated area. However, this condition can be greatly alleviated by the use of the rich desert sand in the surrounding irrigated area in Hetao region of Inner Mongolia, which is also known as the aeolian sand. Therefore, it is of great significance to conduct the research on the frost resistance of aeolian sand concrete (ASC), which can be an type of alternative material widely used in the construction of water conservancy projects in the cold northwest region, such as irrigated canal lining and the dam. In this paper, 5 types of C25 aeolian sand concretes were designed according to the percentage of the river sand quality replaced by aeolian sand, i.e. 20%, 40%, 60%,80%, and 100%, which were compared with the ordinary Portland cement concrete (OPC) with the same strength. The frost resistance of these 6 types of concretes was studied through the acceleration test method in the Structure Laboratory of Inner Mongolia Agricultural University, and finally the damage laws of ordinary concrete and aeolian sand concrete were demonstrated. In addition, the damage mechanism of aeolian sand concrete under freeze-thaw conditions was analyzed by using the testing measures such as environmental scanning electron microscope (ESEM), strain monitoring, X-ray diffraction analysis (XRD), nuclear magnetic resonance (NMR), and so on. At the beginning of freeze-thaw, the increase of ettringite did make the structure of concrete dense, but the internal frost heaving force caused the continuous extension of micro cracks and pores at the end of freeze-thaw. As a result, the ASC containing 60% aeolian sand showed the layered dissection on the surface,and the dynamic modulus of elasticity increased first and then decreased, which proved the internal damage was growing gradually. After the freeze-thaw cycle worked, the residual strain of ASC of 60% was the largest and the residual strain of the 6 groups of concretes was 60%＞40%＞0%＞100%＞20%＞80%. This result indicated that the internal stress caused by the 6 types of concretes through freeze-thaw cycle of 8 times was sufficient to lead to cracks in the matrix. What was more, the porosity and permeability of ASC of 20% and 40% were much larger. As for 6 types of concretes, the porosity of ASC of 60%was relatively small. However, the phenomenon of porosity increasing appeared with the increasing of the amount of mixed aeolian sand, which indicated the more the closed pore in the concrete, the lower the permeability. All the results indicated that the damage occurred when the freeze-thaw cycle of aeolian sand concrete whose amount was no more than 40% reached 100 times, while the ordinary concrete could withstand 125 times. Both of them showed the expansion of cracking and the rapid decline of quality and dynamic modulus of elasticity. Nevertheless, the freeze-thaw time that the aeolian sand concrete could withstand increased when the mixing amount of aeolian sand reached 60%-100%. At the same time, the frost resistance of concrete was improved obviously and the damage was characterized by a layered dissection on the surface. Besides, the frost resistance was the best when the mixing amount of aeolian sand reached 100%, because the aeolian sand concrete had a mass of closed capillaries and an inhibiting effect on suffering freeze-thaw damage. For this reason, it can certainly withstand the highest freeze-thaw cycle times.

irrigation; concrete; nuclear magnetic resonance; aeolian sand; freeze-thaw; damage; stain

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.10.024

S277; TV431; TU528

A

1002-6819(2017)-10-0184-07

2016-10-19

2017-04-15

国家自然科学基金（51569021）；教育部创新团队发展计划（IRT13069）

吴俊臣，男，内蒙古呼和浩特人，博士生，副教授，一级注册结构工程师，主要研究方向为混凝土耐久性。呼和浩特 内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院 010018。Email：35190575@qq.com

※通信作者：申向东，男，教授，博导。从事混凝土耐久性及水工新材料研究。呼和浩特 内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院 010018。

Email：ndsxd@163.com