干燥引起的初始缺陷对混凝土宏观性能的影响

李曙光， 郝伟男,， 陈改新， 纪国晋， 卿龙邦

(1.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室， 北京100038；2.河北工业大学 土木与交通学院， 天津 300401)

中国西部不少地区都存在干旱、大风等气候特点，如甘肃省玉门市年平均降水量不到70mm，年平均相对湿度低于10%，且风速高、风期长，年平均大风(>8级)日数150d[1].干燥大风环境给现场施工和混凝土养护带来很大难度和挑战，如果不注意养护或不采取强化养护措施，混凝土在28d养护期间就会出现微裂纹，形成初始缺陷，即使后期采取覆盖浇水保湿养护也难以弥补[1].中国严酷环境地区的混凝土结构服役寿命远低于设计寿命[2]，与其由干燥引起的初始缺陷不无关系.

研究表明，干燥环境中的混凝土抗压强度升高[3,5-6]、弹性模量降低[3-6]、传输性能增大[7-8].但上述研究主要针对标养充分的混凝土，一般认为其内部并不存在初始缺陷.侯东伟等[9]把仅标养3d的不同强度的混凝土置于室内自然干燥环境中养护至28d时，发现C30混凝土抗压强度比标养28d的混凝土降低11%，而C50和C80混凝土的抗压强度降低并不明显.刘英等[10]将分别标养1，3，7，14，28d的混凝土置于干燥环境(相对湿度60%)中，28d后发现仅标养1，3d的混凝土干缩比标养28d的混凝土高约40%，比标养7，14d的混凝土高约30%.然而迄今为止，研究人员对干燥初始缺陷的表征以及干燥初始缺陷如何影响混凝土宏观性能尚不清楚.

本文将混凝土试件分别标养3，7，28d后置于干燥环境(21℃，相对湿度37%)中，在不同龄期下测试混凝土试件的抗压强度和劈拉强度、抗冻性和抗氯离子渗透性.采用由弹性波波速计算得到的初始损伤度对由干燥引起的混凝土初始缺陷进行定量表征，同时采用扫描电镜(SEM)、压汞试验和微裂纹量化分析技术对混凝土试件表层基体进行微观分析，以探讨混凝土干燥初始缺陷形成机理.

1 试验

1.1 原材料及配合比

水泥为P·O 42.5普通硅酸盐水泥；粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰；粗骨料采用二级配石灰岩碎石等比例复配成两级配，粒径范围为5～40mm；细骨料为天然河砂，细度模数为2.45；减水剂采用JM-Ⅱ高效减水剂，减水率为18.5%(质量分数，文中涉及的减水率、含量、水灰比等除特别注明外均为质量分数或质量比).新拌混凝土实测含气量约为1.0%(体积分数)，未掺加引气剂.混凝土配合比见表1.

制备成型尺寸为100mm×100mm×400mm和100mm×100mm×100mm的2种试件，其中棱柱体试件用于弹性波测试和抗冻试验，立方体试件用于抗压强度、劈拉强度与氯离子渗透性试验.混凝土试件标养3，7，28d后置于21℃，相对湿度37%的干燥环境中，试件编号分别记作SC3，SC7和SC28.

1.2 干燥环境

恒湿干燥环境通过在密闭容器中放入过饱和醋酸钾溶液自动实现，饱和醋酸钾溶液上方空气的平衡相对湿度可保持在恒定值(20～30℃时平衡相对湿度为23.1%)[11].

采用3个密闭容器放置混凝土试件，密闭容器内部尺寸为90cm×45cm×70cm.图1为干燥装置示意图和放入混凝土试件前后其内部相对湿度变化曲线.由图1(a)可见：试件分层摆放，上下层试件之间用厚度为3cm的金属格栅隔开，每层上试件与试件之间均保持3cm的间隙；采用温湿度自动监测仪对干燥装置内相对湿度进行监测，混凝土试件上端与间隙处各布置1个传感器，相对湿度取这2个传感器测得数据的平均值，试验温度为(21±0.5)℃.由图1(b)可见：放入混凝土试件前干燥装置内相对湿度在24h内很快降低并达到稳定值27%左右(考虑到试验用湿度计相对误差为3%，该值非常接近理论值23.1%)；放入混凝土试件后，干燥装置内相对湿度在2d内从60%很快降至40%以下，最终稳定在37%左右.

1.3 试验方法

到达试验龄期时，从3个系列试件中各取出1组(3块)试件，按照SL 352—2006《水工混凝土试验规程》进行抗压强度、劈拉强度、抗冻与抗氯离子渗透性试验.其中抗氯离子渗透性试验采用电通量法，取6h电通量为标准来评价混凝土抗氯离子渗透性，电通量越大，混凝土抗氯离子渗透性越差.抗氯离子渗透性试件为6个尺寸为100mm×100mm×49mm的长方体试块，由3个100mm×100mm×100mm的立方体试块从中间切割得到.混凝土电通量测试装置两端的圆形密封垫圈直径为95mm，故试块实际有效测试尺寸为φ95×49mm,满足SL 352—2006的相关要求.

图1 干燥装置示意图和放入混凝土试件前后的内部相对湿度变化曲线Fig.1 Schematic of the drying chamber and the variation of relative humidity inside with/without concrete speciments

采用冲击回波法[12]来测试混凝土试件的弹性波波速，测量仪器为四川升拓检测技术责任有限公司开发的混凝土弹性波测试系统.“初始损伤度”定义为含初始缺陷的混凝土试件相对于不含初始缺陷试件的相对动弹性模量的降低值,采用其对混凝土干燥初始缺陷程度进行定量表征.由于混凝土动弹性模量Ed与弹性波波速v的平方成正比[12]，即Ed∝v2，通过类比SL 352—2006规范4.23节中给出的混凝土试件相对动弹性模量计算公式，得到基于弹性波波速求解的混凝土初始损伤度Din，其计算公式如式(1)所示.

(1)

由式(1)可看出，Din取值范围为0～1，对于标准养护28d的混凝土试件，其Din为0.

分别采用S-4800/EX-350型扫描电子显微镜、PoreMasterGT6型压汞仪对混凝土试件进行微观测试分析.测试样品选取试件干燥表面以下约1cm处的砂浆基体.

从立方体混凝土试件中部切出1.5cm厚的切片，再在切片边缘切出2cm×2cm的区域，用于微裂纹定量分析.切割位置及切片示意图见图2.微观分析样品经过磨平、40℃下真空烘干、荧光环氧浸渍和二次磨平后采用荧光显微成像系统进行显微图像的获取，并采用自主开发的微裂纹识别量化分析软件进行量化分析，详细处理过程和基于数字图像处理技术的微裂纹量化分析方法可参阅文献[15].采用微裂纹密度(单位面积中微裂纹总长度，mm/mm2)对微裂纹结构进行表征.

图2 混凝土试件切割位置以及切片中微裂纹定量分析区域示意图Fig.2 Schematic of the slicing location in the concrete speci-men and the microstructural analyzing sample(size:cm)

2 结果及分析

2.1 宏观试验结果

2.1.1含干燥初始缺陷混凝土的抗压强度和劈拉强度SC3，SC7和SC28系列试件28，56，90d龄期的抗压强度和劈拉强度如图3所示.各龄期下各组试件抗压强度和劈拉强度值取该组3个试件的平均值.

图3 干燥环境中SC3，SC7和SC28系列试件不同龄期抗压强度和劈拉强度Fig.3 Compressive strength/splitting tensile strength of SC3,SC7 and SC28 series of concrete specimens under different trial ages

由图3可看出：

(1)SC3，SC7和SC28系列试件28d抗压强度和劈拉强度无明显差异(分别为26.5，27.4，27.1MPa 和2.08，2.16，2.12MPa)，56，90d龄期时各系列试件之间的力学性能差异比较明显.56，90d 龄期时，SC7系列试件相比SC28系列试件抗压强度和劈拉强度分别降低8%，5%和7%，6%；而SC3系列试件56，90d龄期抗压强度和劈拉强度分别降低11%，13%和13%，10%；SC3系列试件的力学性能明显低于SC7系列试件.

(2)在干燥环境中SC3，SC7和SC28系列试件的抗压强度和劈拉强度均随龄期的增加逐渐增加，该试验结果与以前的研究结果[3，6]一致，这是由于干燥造成混凝土表层的毛细孔收缩而形成的围压效应[13].

由以上分析可知，相比标准养护28d混凝土，含干燥初始缺陷混凝土28d力学性能差异不大，但长期(56，90d)力学性能有明显降低；混凝土标准养护时间越短、处于干燥环境时间越长，其力学性能降低幅度越大.

2.1.2含干燥初始缺陷混凝土的抗冻性

SC3，SC7和SC28系列试件在28，90d龄期的相对动弹性模量和质量损失率随冻融循环次数增加的变化曲线见图4.其中相对动弹性模量和质量损失率取各组3个试件的平均值，每隔20次冻融循环测试1次.

由图4(a)，(c)可见：(1)无论是28d还是90d龄期，SC3，SC7和SC28系列试件的相对动弹性模量均随冻融循环次数的增加而降低；在相同冻融循环次数下，SC28系列试件的相对动弹性模量最大，SC7系列试件次之，SC3系列试件最低.(2)在干燥环境中，当龄期从28d增加至90d时，3个系列试件的抗冻性能均有明显下降，当龄期为28d且冻融循环40次时，SC3，SC7和SC28系列试件的相对动弹性模量分别降至39%，51%和67%；由SL 352—2006中冻融破坏的规定可知，SC28系列试件尚未破坏，SC3和SC7系列试件均已破坏；当龄期为 90d 且冻融循环为40次时，SC3，SC7和SC28系列试件的相对动弹性模量分别降至17%，32%和49%，3个系列试件均已破坏.

由图4(b)，(d)可见：SC3，SC7和SC28系列试件质量损失率随冻融循环次数的增加而增大，且随着干燥龄期的增加而增大；在相同冻融循环次数下，SC3系列试件的质量损失率最大，SC7系列试件次之，SC28系列试件最小.

由以上分析可知，与标准养护28d混凝土相比，含干燥初始缺陷混凝土的抗冻性能降低，且混凝土试件标准养护时间越短、处于干燥环境中的时间越长，其抗冻性能越差.

2.1.3含干燥初始缺陷混凝土的氯离子渗透性

SC3，SC7和SC28系列试件6h电通量如图5所示.每个系列试件的电通量取该组3个试件的平均值.

由图5可看出：龄期为28，90d时，SC3，SC7和SC28系列试件6h的总电通量分别是920 C/710 C，830 C/660 C与560 C/450 C；在相同试验龄期下，SC3和SC7系列试件总电通量明显大于SC28系列试件，且SC3系列试件总电通量最大，即抗氯离子渗透性最差.

由以上分析可知，含干燥初始缺陷混凝土的抗氯离子渗透性能明显低于无初始缺陷混凝土；混凝土标养时间越短、处于干燥环境中的时间越长，其抗氯离子渗透性越差.

图4 不同龄期混凝土相对动弹性模量和质量损失率随冻融循环次数变化曲线Fig.4 Variation of relative dynamic modulus of elasticity and mass loss rate of concrete specimens with freezing-thawing cycles at different trial ages

图5 SC3，SC7和SC28系列试件的电通量Fig.5 Total charge of SC3,SC7 and SC28 series of concrete specimens

2.1.4初始损伤度

以28d龄期SC28系列3个试件弹性波波速的均值为基准值，根据式(1)计算28d龄期SC3和SC7系列试件的初始损伤度，如图6所示.其中每个系列试件的初始损伤度为3个试件的平均值.

由图6可看出，SC3和SC7系列试件的初始损伤度分别为0.10和0.07，前者为后者的1.4倍.初始损伤度数值可以表征混凝土干燥初始缺陷程度的高低，初始损伤度数值越大，表明其干燥初始缺陷程度越高，反之亦然.由此也可看出混凝土干燥初始缺陷的程度与其标准养护时间、处于干燥环境中的时间有关：混凝土标准养护时间越短、处于干燥环境中的时间越长，其干燥初始缺陷的程度越高，相应的初始损伤度越大.

图6 SC3与SC7系列混凝土初始损伤度Fig.6 Initial damage extent of SC3 and SC7 series of concrete specimens

综合以上宏观性能测试结果可知，虽然干燥初始缺陷对28d混凝土的力学性能影响不明显，但含干燥初始缺陷混凝土(SC3和SC7系列试件)的长期力学性能、抗冻性能和抗氯离子渗透性能明显低于标准养护28d混凝土(SC28系列试件)；SC3和SC7系列试件基于弹性波波速计算得到的初始损伤度也明显大于SC28系列试件；标准养护时间越短、处于干燥环境中的时间越长，混凝土干燥初始损伤度越大，混凝土的宏观性能降低越明显.

2.2 微观试验结果

2.2.1扫描电镜图像

试验龄期为28d时，取SC3，SC7和SC28系列试件微观分析样品置于无水酒精中止水化3d，真空干燥后获取其扫描电镜照片，如图7所示.

由图7(a)～(c)可见，SC28样品中基体最密实、SC7次之，SC3密实度最差，其基体呈松散颗粒状.由图7(d)～(f)可见，相比SC28系列试件，SC3和SC7系列试件受干燥影响，基体花瓣状水化产物较少.由此可知，标准养护时间短、过早暴露于干燥环境中的混凝土受干燥影响，区域内基体密实度降低，初步猜测是由于干燥环境中混凝土水分向外散失导致内部水泥水化不充分所致.

2.2.2压汞试验结果

由压汞试验结果可知，28d龄期时SC3,SC7和SC28系列混凝土样品的孔隙率分别为21.7%，22.0%和21.6%，无明显区别.

根据孔径范围，混凝土内部孔隙可分为3类：无害孔(孔径<0.02μm)、少害孔(孔径为0.02～0.05μm)、有害多害孔(孔径>0.05μm)[14].根据压汞试验结果得到28d龄期时3个系列混凝土样品内不同类型孔隙的百分含量(体积分数，下同)，如图8所示.由图8可见，3个系列混凝土样品受干燥影响，区域基体内部孔径分布区别明显——与SC28系列混凝土样品相比，SC7和SC3系列混凝土样品基体有害多害孔含量由29%增加到32%,38%，无害孔含量由40%降低到37%，32%；SC3系列混凝土样品有害多害孔含量最高.

图7 SC3，SC7和SC28系列混凝土试样扫描电镜照片Fig.7 SEM photos of SC3,SC7 and SC28 series of concrete samples

图8 SC3，SC7和SC28系列混凝土样品中不同种类孔隙分布Fig.8 Pore distribution of SC3,SC7 and SC28 series of concrete samples

由以上分析可知，虽然SC3和SC7系列混凝土样品区域基体内部孔隙率与SC28系列无明显区别，但其基体内部有害多害孔含量较多、无害孔较少，孔结构变差，且SC3系列混凝土样品相比SC7系列混凝土样品孔结构更差.

2.2.3微裂纹定量分析

28d龄期时，SC3,SC7和SC28系列试件切片的显微图像如图9所示.图9中左图切片尺寸为 20mm×20mm，微裂纹处用加粗线条显示，右图为白色方框区域的放大图像.由图9可直观看出，相同面积的区域内，SC3和SC7系列试件切片所含的微裂纹数量明显多于SC28系列试件.

图9 SC3，SC7和SC28系列试件切片的典型显微图像Fig.9 Typical microscopic images of slices cut from SC28,SC7 and SC3 series of concrete samples

SC3,SC7和SC28系列试件微观分析切片的微裂纹密度分析结果见图10，其中每个系列的微裂纹密度为2个切片微裂纹密度的平均值.

图10 SC3，SC7和SC28系列试件切片的28d龄期受干燥影响区域微裂纹密度Fig.10 Microcrack density of the microstructural analyzing sample in the outer layer of SC3,SC7 and SC28 series of concrete samples

由图10可以看出，SC28系列试件切片表层微裂纹密度最低,为0.008mm/mm2，SC3和SC7系列试件切片微裂纹密度均明显高于SC28系列试件，分别为0.063,0.085mm/mm2.由此可知：微裂纹也是由干燥引起的初始缺陷的一种表现形式；混凝土标准养护时间越短、暴露于干燥环境中的时间越长，受干燥影响区域的微裂纹密度越大.

由以上微观分析结果可知：干燥引起的混凝土初始缺陷的形成与混凝土微结构的致密程度相关；其表现形式有2种，一是基体孔结构中有害多害孔含量升高，二是受干燥影响区域微裂纹密度明显增大.

综合含干燥初始缺陷混凝土的宏观性能与微观分析结果可知：在干燥环境中混凝土若养护时间不足，混凝土表层会形成初始缺陷；初始缺陷可以用孔结构中有害多害孔(无害孔)的含量、微裂纹密度来定量表征；混凝土表层孔结构、表层微裂纹的密度与混凝土宏观性能如力学性能、抗冻性能、传输性能和弹性波波速等密切相关：有害多害孔含量越高、微裂纹密度越大，混凝土的初始损伤度越大，相应的宏观性能降低越明显.

3 结论

(1)基于弹性波波速计算得到的初始损伤度定量表征了混凝土干燥初始缺陷程度，标准养护时间越短、处于干燥环境中时间越长，其内部初始缺陷程度越高，相应的初始损伤度越大.标养3，7d时混凝土干燥初始损伤度分别为0.10和0.07.

(2)干燥初始损伤度越大，混凝土的长龄期力学性能、抗冻性能和抗氯离子渗透性能降低越明显.SC3和SC7系列试件的28d抗压强度和劈拉强度与SC28系列试件相近，但SC3系列试件比SC28系列试件降低11%和13%，SC7系列试件90d抗压强度和劈拉强度比SC28系列试件降低7%和6%；相同冻融循环次数下，SC3和SC7系列试件的相对动弹性模量仅为SC28系列试件的35%和65%；SC3和SC7系列试件6h电通量分别为SC28系列试件的1.6和1.5倍.

(3)混凝土的干燥初始缺陷可以用表层基体的孔结构和微裂纹密度定量表征：SC3和SC7系列试件表层基体有害多害孔含量高于SC28系列试件、无害孔含量低于SC28系列试件；SC3和SC7系列试件表层微裂纹密度明显高于SC28系列试件且SC3系列试件最高.

(4)为了对干旱大风地区建筑物中混凝土的健康状态进行合理检测评估，除了常规的芯样力学性能测试外，建议增加抗冻性能测试、抗氯离子渗透试验、弹性波测试以及芯样的微裂纹定量分析、孔结构分析等微观分析.