早期受冻环境对混凝土服役期性能的影响

胡晓鹏, 彭 刚, 牛荻涛, 杨 超

(1.西安建筑科技大学 土木工程学院, 陕西 西安 710055; 2.西安建筑科技大学 省部共建西部绿色建筑国家重点实验室, 陕西 西安 710055)

秋末冬初、冬末春初季节交替时,处于施工期的混凝土结构突然受冻的情况时常发生,除了会造成混凝土水化过程减缓、凝结时间推后、早期强度偏低等不利结果,也会对混凝土结构服役期的承载性能和耐久性能造成难以弥补的损伤[1-3].文献[4]针对早期混凝土的抗冻性能,提出了“临界强度值”和“临界龄期”的概念,Koh等[5]和Hoff等[6]验证了其“临界强度值”的可靠性.Bernhardt等[7]和Yi等[8]通过试验发现,混凝土受冻时的龄期是影响其服役期性能最重要的因素.Nassif等[9]和Choi等[10]分析了早期受冻对混凝土服役期孔隙结构的影响规律,揭示了早期受冻对混凝土孔隙结构的影响机理.胡晓鹏等[11]通过掺合料混凝土的早期受冻试验,研究了掺合料掺量对早期受冻混凝土服役期力学性能及渗透性的影响规律.以往研究揭示了早期受冻对混凝土服役期性能的影响规律和机理,但其受冻环境均较单一,起冻时刻、受冻温度、受冻时长等受冻环境参数对早期受冻混凝土服役期性能的影响机理及规律尚不清楚.

为此,本文模拟早期突然受冻环境,通过测试早期受冻混凝土服役期的宏观性能(抗压强度、劈拉强度、动弹性模量)与微观结构(孔隙结构、吸水特征),分析早期受冻环境参数(起冻时刻、受冻温度、受冻时长)对混凝土服役期性能的影响规律,为准确评估混凝土结构早期受冻对其服役期性能的影响提供可靠依据.

1 试验

1.1 原材料与配合比

水泥为普通硅酸盐P·O 42.5水泥,其物理力学性能指标见表1;细骨料为沣河河砂,细度模数为2.9,堆积密度为1450kg/m3;粗骨料为粒径5～20mm 的碎石,堆积密度为1600kg/m3;高效减水剂为PCA©-I聚羧酸高性能减水剂,减水率(质量分数)20%左右,1h内无坍落度损失.

混凝土的配合比见表2,混凝土的坍落度为120mm.

表1 水泥的物理力学性能Table 1 Physical and mechanical properties of cement

表2 混凝土的配合比Table 2 Mix proportions of concrete kg/m3

1.2 试件成型与养护

将浇筑振捣成型好的混凝土试件在室外自然环境(10℃左右)下养护至某时刻(即起冻时刻tON),然后分别置于某温度(即受冻温度TF)的气候模拟实验室内冷冻一段时间(即受冻时长tFD),取出并置于标准养护条件下养护至28d,再放置在室内自然环境中养护至服役期(龄期1 a左右),进行材料性能测试.本次试验模拟冷暖交替季节时可能出现的突遇受冻情况,起冻时刻tON分别为混凝土初凝前(0.5h)、初凝与终凝之间(2.0h)、终凝后(8.0、24.0、72.0h);受冻温度TF分别为-1、-5、-9℃;受冻时长tFD分别为2、4、8h.混凝土立方体抗压强度、劈拉强度、孔隙结构、吸水特征测试均采用尺寸为100mm×100mm×100mm的立方体试件;动弹性模量测试采用100mm×100mm×400mm的棱柱体试件;每组试件3个,各性能参数均采用3个试件测试值的算术平均值,若其中的最大值或最小值与中间值的差值超过中间值的15%时,则取中间值.

1.3 冻融损伤评价指标

宏观性能：依据GBT 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》,测试混凝土的立方体抗压强度fcu和劈拉强度ft,计算其抗压强度损失率δfcu和劈拉强度损失率δft.根据JTJ 270—98《水运工程混凝土试验规程》,使用非金属超声波检测仪测试并计算混凝土的相对动弹性模量Erd.

孔隙结构：混凝土早期突然受冻除了会造成浆体与粗骨料界面、浆体本身产生微裂缝,还会造成浆体自身孔隙结构(含气量、孔隙大小、孔隙数量、孔隙连通性等)的变化.对试件进行切割、抛光、烘干、碳墨涂色、涂抹氧化锌凡士林混合胶液等处理后,采用Rapid Air457型硬化混凝土气孔结构分析仪测试其孔隙结构[12].计算得出试件的含气量(体积分数)、浆气比(体积比)等孔隙结构参数,给出各试件的孔径分布曲线.

吸水特征：混凝土早期突然受冻会造成粗骨料-浆体界面裂缝、浆体微裂缝及内部孔隙的变化,进而改变混凝土的吸水特征.目前可有效描述混凝土内部孔隙、微裂缝的测试指标较少,本文参照ASTM C642-13《硬化混凝土的密度、吸收性、孔隙测定的试验方法》的规定,进行吸水率w、吸水孔率Sw的测试和计算.

(1)

(2)

式中：m0为烘干后试件的初始质量,kg;m1为试件浸润饱和后的质量,kg;m2为试件浸润饱和后在沸水中煮5h,再自然冷却至20～25℃的质量,kg;m3为水中试件的表观质量,kg.

通过测试,得到未冻混凝土的立方体抗压强度fcu、劈拉强度ft、含气量、浆气比、吸水率w、吸水孔率Sw分别为52.2MPa、4.44MPa、1.060%、28.860、2.38%、5.59%.

2 试验结果与分析

2.1 受冻温度的影响

2.1.1宏观性能参数

图1给出了受冻时长为8h、不同起冻时刻、不同受冻温度混凝土服役期的抗压强度损失率δfcu、劈拉强度损失率δft、相对动弹性模量Erd.由图1可见：对初凝前受冻(0.5h起冻)和初凝与终凝之间受冻(2.0h起冻)的混凝土,-1℃的受冻温度即可使混凝土的服役期宏观性能出现较大程度的恶化,随着受冻温度的进一步降低,混凝土服役期宏观性能减小幅度不大;对终凝后受冻(8.0h起冻)的混凝土,-1℃的受冻温度对混凝土服役期宏观性能参数影响较小,当受冻温度由-1℃降至-9℃时,混凝土抗压强度损失率及劈拉强度损失率显著增大,而相对动弹性模量显著减小.

图1 不同受冻温度混凝土的宏观性能Fig.1 Macro properties of early frost-damaged concrete with different frost temperatures

2.1.2孔隙结构

本次试验孔隙频率、比表面积、孔隙间距系数等孔隙参数变化规律性不强,因此表3仅给出了受冻时长为8h、不同起冻时刻、不同受冻温度混凝土服役期的含气量和浆气比.从表3可以看出：在同一起冻时刻下,随着受冻温度下降,混凝土的含气量增大,浆气比减小;温度从-1℃降到-5℃ 时的含气量、浆气比变化幅度较大,而温度从-5℃降到-9℃时的含气量、浆气比变化幅度较小.原因是随着受冻温度降低,混凝土中可冻水结冰量增多,冻胀作用下产生的静水压和渗透压增大,对混凝土结构密实度的损伤也相应增大,造成其含气量增大、浆气比减小;温度从-1℃降到-5℃时的可冻水结冰量明显增多,-5℃时大多数的可冻水已结冰,而温度从-5℃降到-9℃ 时,结冰量的增加量较少.

表3 不同受冻温度混凝土的含气量和浆气比Table 3 Air content and paste to air ratio of early frost-damaged concrete with different frost temperatures

图2给出了受冻时长为8h、不同起冻时刻、不同受冻温度混凝土服役期各孔径梯度下气孔数量的变化规律.从图2可以看出：同一起冻时刻下,随着受冻温度降低,各孔径范围内的气孔数量均有所增加,孔径小于0.18mm的气孔数量增加明显,较大孔径的气孔数量略有增加或者保持不变.这是因为孔隙水的冰点随孔径减小而降低,受冻温度愈低,孔隙中可结冰水就愈多,由冻胀作用和孔隙压力造成的水分迁移愈剧烈,导致各孔径梯度的气孔数量大幅增加.

图2 不同受冻温度混凝土的孔径分布Fig.2 Pore distributions of early frost-damaged concrete with different frost temperatures

2.1.3吸水特征

表4给出了受冻时长为8h、不同起冻时刻、不同受冻温度混凝土服役期的吸水率、吸水孔率测试结果.从表4可以看出：同一起冻时刻下,随着受冻温度下降,混凝土服役期的吸水率、吸水孔率增加,如相对于未冻混凝土,2.0h起冻时的混凝土吸水率分别增大了19.3%、36.6%、50.8%,吸水孔率增大了67.3%、84.4%、95.0%.说明随着受冻温度下降,冻胀作用的影响增大,造成混凝土内部孔隙、裂缝增多且相互连通,促进了水分的储存与传输.

表4 不同受冻温度混凝土的吸水特征参数Table 4 Water absorption parameters of early frost-damaged concrete with different frost temperatures

2.1.4影响机理分析

结合宏观性能和微观结构的测试结果可以看出：受冻温度越低,同一时刻受冻混凝土中自由水的冻结比例越大,水的冻胀作用愈明显,导致浆体基体与粗骨料的连接愈不紧密,骨料-浆体界面裂缝处的浆体本身微裂缝与冻胀微裂缝相互连接的情况越多,混凝土内部结构受损越严重[13].

受冻温度为-1℃时的混凝土宏观性能呈现2种现象,终凝前受冻的混凝土宏观性能损失明显,终凝后受冻的混凝土宏观性能与未冻混凝土接近;而受冻温度为-1℃时的混凝土微观结构与未冻混凝土接近.这是因为混凝土内部的自由水已大多含有水化产物和原材料析出的各种水溶物,形成了盐溶液,而盐溶液的冰点略低于水的凝点,-1℃下的盐溶液较难结冰[14];早期受冻会对混凝土内部造成一定损伤,这种损伤对于强度极低的终凝前混凝土影响较明显,而对于强度较高的终凝后混凝土影响较小.

受冻温度为-5℃的混凝土损伤程度比-1℃时严重很多.原因是在-5℃的条件下,混凝土中的盐溶液大多已经结冰,造成浆体孔隙结构改变、自身微裂缝贯通连接,并导致骨料-浆体界面的裂缝增多、两者轻微脱开.

受冻温度为-9℃的混凝土损伤程度较-5℃时加重程度不大.这是因为-9℃的试件中盐溶液结冰量上升幅度较小,温度降低对冻胀作用的影响较小.

2.2 受冻时长的影响

2.2.1宏观性能参数

图3给出了受冻温度为-5℃、不同起冻时刻、不同受冻时长混凝土服役期的抗压强度损失率δfcu、劈拉强度损失率δft、相对动弹性模量Erd.从图3可以看出：随着受冻时长增加,混凝土服役期的抗压强度、劈拉强度损失率增大,相对动弹性模量减小;受冻时长由2h延长至4h时,混凝土服役期的抗压强度、劈拉强度损失率急剧增大,相对动弹性模量急剧减小;而受冻时长由4h延长至8h时,混凝土服役期的抗压强度、劈拉强度、相对动弹性模量的变化幅度相对较小.

2.2.2孔隙结构

表5给出了本次试验得到的受冻温度为-5℃、不同起冻时刻、不同受冻时长混凝土服役期的含气量和浆气比.从表5可以看出：同一起冻时刻下,随着受冻时长延长,混凝土服役期的含气量增大、浆气比减小.这是因为,随着受冻时长延长,混凝土中可冻水结冰量增多,冻胀作用下产生的静水压和渗透压加大,使混凝土内部孔隙结构的改变增多,对混凝土结构密实度的损伤也增大,从而造成其含气量增大、浆气比减小[15].

图4给出了受冻温度为-5℃、不同起冻时刻、不同受冻时长混凝土服役期各孔径梯度下气孔数量的变化规律.从图4可以看出：在同一起冻时刻下,随着受冻时长增加,各孔径范围内的气孔数量均相应增加,孔径小于0.18mm的气孔数量增加尤为明显;受冻时长为2h的混凝土与未冻混凝土的孔径分布较接近,受冻时长为8h的混凝土小孔径气孔数量约为未冻混凝土的2～3倍.这是因为混凝土内可冻水由外及内结冰,受冻时长愈长,其内部水结冰量愈大,冻胀作用越明显,从而造成混凝土内气孔增多、孔径增大.

2.2.3吸水特征

表6给出了受冻温度为-5℃、不同起冻时刻、不同受冻时长混凝土服役期的吸水率、吸水孔率.从表6可以看出：同一起冻时刻下,随着受冻时长延长,混凝土服役期的吸水率、吸水孔率增大;受冻时长由2h延长至4h时的吸水率、吸水孔率增幅明显,而受冻时长由4h延长至8h时的吸水率、吸水孔率增幅相对较小.说明受冻时间越长,混凝土内部的结冰量越多,混凝土中水分的物相变化、迁移愈加剧烈,对骨料-浆体界面、浆体造成的损伤(孔洞、裂缝)也越严重.

图3 不同受冻时长混凝土的宏观性能Fig.3 Macro properties of early frost-damaged concrete with different frost durations

表5 不同受冻时长混凝土的含气量和浆气比Table 5 Air content and paste to air ratio of early frost-damaged concrete with different frost durations

2.2.4影响机理分析

结合宏观性能和微观结构的测试结果可以看出，在早期受冻环境下,混凝土中自由水结冰是由表及里的动态过程.随着受冻时间延长,混凝土内部温度逐渐降低、自由水冻结比例增大,冻胀压力造成浆体中未冻溶液在孔隙和裂缝中迁移的运动逐渐剧烈,冻胀作用明显,浆体的大孔洞增多,孔隙分布越来越不均匀,浆体裂缝、界面裂缝、冻胀结冰孔隙更容易连通,混凝土服役期性能损失更为严重[16].

受冻时长为2h的混凝土损伤轻微.因为受冻时长为2h的混凝土试件由表及里处于冻结过程中,内部冻结程度较低,冻胀作用轻微,对浆体、骨料-浆体界面的影响较小.

受冻时长为4h的混凝土损伤较2h时严重很多.原因是受冻时长达到4h时,混凝土内部冻结已基本完成,浆体孔洞、裂缝以及骨料-浆体界面裂缝已开展,混凝土内部结构遭受到严重破坏.

受冻时长为8h的混凝土损伤相对4h时加重程度不大.这是因为受冻时长达到8h时,浆体自身微小孔径中的自由水也已结冰,对混凝土中浆体造成的损伤虽然有所加重,但程度并不大，冻胀作用同样造成骨料-浆体界面裂缝开展并连通.

图4 不同受冻时长混凝土的孔径分布Fig.4 Pore distributions of early frost-damaged concrete with different frost durations

表6 不同受冻时长混凝土的吸水特征参数Table 6 Water absorption parameters of early frost-damaged concrete with different frost durations

2.3 起冻时刻的影响

2.3.1宏观性能参数

图5给出了受冻温度为-5℃、受冻时长为 8h、不同起冻时刻混凝土服役期的抗压强度损失率δfcu、劈拉强度损失率δft、相对动弹性模量Erd.结合图1、图3和图5可以看出：起冻时刻对混凝土抗压强度损失率、劈拉强度损失率、相对动弹性模量的影响规律均表现为2.0h起冻>0.5h起冻>8.0h起冻>24.0h起冻>72.0h起冻,即初凝后、终凝前受冻混凝土的服役期抗压强度损失率和劈拉强度损失率最大、相对动弹性模量最小;初凝前受冻混凝土的强度损失率次之;终凝后受冻混凝土的强度损失较小,并随着龄期的增长而逐渐减小,相对动弹性模量则逐渐增大.

2.3.2孔隙结构

表7给出了受冻温度为-5℃、受冻时长为 8h、不同起冻时刻混凝土服役期孔隙结构的含气量和浆气比.结合表3、表5和表7可以看出：

(1)与未冻混凝土相比,终凝后受冻混凝土的服役期含气量增大、浆气比减少;随着起冻时刻的推迟,混凝土的含气量减小、浆气比增大,逐渐接近未

图5 不同起冻时刻混凝土的宏观性能Fig.5 Macro properties of early frost-damaged concrete with different frost onset time

表7 不同起冻时刻混凝土的孔隙结构参数Table 7 Pore structure parameters of early frost-damaged concrete with different frost onset time

冻混凝土.说明终凝后受冻会造成混凝土材料孔隙结构改变,导致混凝土内部结构疏松;随着起冻时刻的推迟,受冻时混凝土水化程度逐渐升高,密实程度逐渐增加,孔隙结构趋近于未冻混凝土,使其抵抗冻损的能力增强.

(2)与未冻混凝土和终凝后受冻混凝土相比,终凝前受冻混凝土服役期的含气量明显增大,浆气比明显减小.说明终凝前受冻混凝土中的可冻水结冰量较多,混凝土内部水分的迁移较为剧烈,内部孔隙结构改变较大,使混凝土受损严重.

图6给出了受冻温度为-5℃、受冻时长为 8h、不同起冻时刻混凝土服役期各孔径梯度下气孔数量的变化规律.结合图2、图4和图6可以看出：各孔径梯度的气孔数量从大到小依次为2.0h起冻≈0.5h起冻>8.0h起冻>24.0h起冻>72.0h起冻≈未冻,其中初凝前起冻和初凝与终凝之间起冻(0.5h起冻和2.0h起冻)混凝土各孔径梯度的气孔数量明显大于终凝后起冻的混凝土(8.0h起冻、24.0h起冻、72.0h起冻);起冻时刻对孔径小于0.22mm的气孔数量影响显著,对孔径大于0.22mm 的气孔数量影响不大.

图6 不同起冻时刻混凝土的孔径分布Fig.6 Pore distributions of early frost-damaged concrete with different frost onset time

2.3.3吸水特征

表8给出了受冻温度为-5℃、受冻时长为 8h、不同起冻时刻混凝土服役期的吸水率、吸水孔率.结合表4、表6和表8可以看出：随着起冻时刻的延后,混凝土的吸水率、吸水孔率减小,吸水孔率降幅大于吸水率;相对于未冻混凝土,终凝前受冻混凝土的吸水率、吸水孔率增加明显,而终凝后受冻混凝土的吸水率、吸水孔率增幅相对较小.由此可见,起冻时刻越早,早期受冻后混凝土的吸水率越大,内部损伤越严重.

表8 不同起冻时刻混凝土的吸水特征参数Table 8 Water absorption parameters of early frost-damaged concrete with different frost onset time

2.3.4影响机理分析

初凝前受冻(0.5h起冻)的混凝土,在起冻时尚处于材料硬化过程中,其内部含有大量自由水.在-5℃ 的环境下受冻8h后,混凝土内部部分自由水冻结成冰后膨胀,产生冻胀应力,内部应力的重分布阻止了浆体和粗骨料的结合,延缓了水化反应的进行和混凝土强度的增长.若能改善初凝前受冻混凝土的养护条件,可使混凝土中冰晶融化,大量尚未水化的胶凝材料继续进行水化过程,实现混凝土中部分早期冻损的自我修复[7,17].

初凝后、终凝前受冻(2.0h起冻)的混凝土,在起冻时已有部分失去塑性,粗骨料和浆体组成的骨架结构已具备相当强度,可以抵抗部分冻胀应力.但由于此时骨架结构强度有限,受冻会大幅度破坏这一骨架结构,使浆体自身、粗骨料-浆体界面出现明显裂缝,严重影响混凝土内部密实性.与初凝前受冻的混凝土相比,初凝后或终凝前受冻的混凝土在养护条件改善后可继续水化的胶凝材料相对较少,自我修复程度减小[18].

终凝后受冻(8.0h起冻、24.0h起冻、72.0h起冻)时,混凝土材料硬化过程已完成,起冻时混凝土水化程度较高,粗骨料及浆体组成的骨架结构已具备较高的强度,其内部骨架结构能抵抗大多数由自由水结冰所产生的冻胀应力,但仍会由于水化过程未完成,骨架强度不足以抵抗所有因自由水结冰所产生的冻胀压力,使混凝土浆体、骨料-浆体界面产生细微裂缝和孔洞.随着起冻时刻的延后,混凝土水化程度逐渐加深,其内部结构越来越密实,起冻时混凝土的强度也越来越高,因早期受冻所造成的内部损伤越来越少[19].

3 结论

(1)随着受冻温度下降,混凝土的服役期强度损失增大而相对动弹性模量减小,含气量增大而浆气比减小,各孔径范围内的孔隙数量均有所增加,孔径小于0.18mm的孔隙数量增加明显,吸水率、吸水孔率增加.受冻温度从-1℃降到-5℃时,混凝土性能变化幅度较大;受冻温度从-5℃降到-9℃时,混凝土性能变化幅度较小.

(2)随着受冻时长的增加,混凝土强度损失增大、相对动弹性模量减小,含气量增大而浆气比减小,各孔径的孔隙数量均相应增加,孔径小于0.18mm的孔隙数量增加明显,吸水率、吸水孔率增大.受冻时长由2h延长至4h时,混凝土性能变化幅度明显;受冻时长由4h延长至8h时,混凝土性能变化幅度相对较小.

(3)起冻时刻对混凝土服役期强度损失、相对动弹性模量的影响均表现为2.0h起冻>0.5h起冻>8.0h起冻>24.0h起冻>72.0h起冻;终凝前受冻的混凝土各孔径梯度的孔隙数量明显大于终凝后受冻的混凝土,起冻时刻对孔径小于0.22mm的孔隙影响显著.随起冻时刻的延后,混凝土的含气量增大,浆气比、吸水率、吸水孔率减小.终凝前受冻混凝土的宏观性能、含气量、浆气比、吸水率、吸水孔率变化明显,而终凝后受冻混凝土的变化幅度相对较小;随着起冻时刻的推迟,终凝后受冻混凝土的内部结构逐渐接近未冻混凝土.