高强承压多孔混凝土的抗冻融性能研究

聂清念，杨永民，刘晓飞，李海波，吕 凯

(1.广东省水利水电第三工程局，广东 东莞 523710；2.仲恺农业工程学院，广东 广州 510225；3.广东辉固材料科技有限公司，广东 广州 510425)

关键字：多孔混凝土；抗冻融性能；抗冻融指数

多孔混凝土是由水泥、粗集料和水拌合而成的无砂混凝土，有一定的强度且具有优异的透水反滤性能[1-5]。透水混凝土可以描述为由被水泥浆包裹的粗骨料紧密堆积而成的骨架，主要承担多孔混凝土的强度，堆积后没有被填充的空隙结构，形成了良好的透水通道，故其渗透性能都远优于普通混凝土[6-8]。

多孔混凝土应用于各类边坡和承压反滤结构中，不仅要具有一定的强度和透水性能，因其具有较大的孔隙结构和孔隙率，冬季孔隙中富集水结冰会对多孔混凝土的性能产生较大的影响，所以有关透水混凝土抗冻性研究也需要充分重视。在多孔混凝土的抗冻性方面，万伟[9]研究指出透水混凝土的冻融破坏与普通混凝土有所区别，除静水压力与渗透压力之外，还需要考虑温度应力的作用。胡立国[10]研究认为透水混凝土最佳的孔隙率为18%，最佳浆集比为0.55，最佳水灰比为0.31，硅灰、粉煤灰等掺合料对透水混凝土的抗冻性有明显的提高作用。樊晓红[11]研究表明5～10 mm 粒径碎石，采用0.31的水灰比使用普通硅酸盐水泥可以配制抗压强度大于20 MPa的无砂透水混凝土，抗冻性能优良，且水灰比确定时，水泥浆量越多，透水混凝土抗冻性能越好。

国内有关多孔混凝土的抗冻性展开了一些研究，但有关多孔混凝土的抗冻性能如何表征，抗冻性如何提高仍有待进一步系统的研究。本文参考普通混凝土的试验方法，提出了多孔混凝土抗冻性的试验方法和评价指标，并系统地研究了粉煤灰、矿渣、硅灰、细砂以及抗裂纤维对多孔混凝土的抗冻性能的影响，以期为多孔混凝土尤其是高强承压多孔混凝土的抗冻性能提升途径提供研究方向。

1 试验原材料及试验方法

1.1 试验原材料

水泥采用P·II 42.5R水泥，硅灰密度为2.15 g/cm3，比表面积196 000 cm2/g，具体化学成分和物理力学性能见表1、2。粉煤灰为II级，密度2.30 g/cm3，比表面积5 930 cm2/g。采用减水率为20%的FDN-440T缓凝高效减水剂。碎石采用石灰岩10～20 mm的单一粒径骨料。

表1 水泥及掺合料的化学组成 %

表2 水泥物理力学性能

1.2 试验方法

参照GB/T 50081—2012测试多孔混凝土的7、28日抗压强度(试件规格为100 mm×100 mm×100 mm)。采用《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》中的快冻法[12-14]，冻融循环过程中保持水面超过多孔混凝土试件上表面5 mm，见图1。同时以相对动弹性模量、质量损失率作为抗冻性的评定指标。

图1 抗冻融试验过程

1.3 试验结果计算公式及评定指标

a)相对动弹性模量计算：

(1)

式中P——经n次冻融循环后试件的相对动弹性模量，3个试件的平均值计算，%；fn——n次冻融循环后试件的横向基频，Hz；f0——冻融循环试验前测得的试件横向基频初始值，Hz。

b)冻融后的重量损失率计算：

(2)

式中 ΔWn——n次冻融循环后试件的重量损失率，3个试件的平均值计算，%；G0——冻融循环试验前的试件重量，kg；Gn——n次冻融循环后的试件重量，kg。

c)抗冻融指数计算：

Kn=P×N/300

(3)

式中Kn——多孔混凝土抗冻融指数；N——达到破坏时的冻融循环次数；P——经过n次冻融循环后试件的相对动弹性模量。

2 试验结果及分析

本试验通过分别加入不同的矿物掺合料、细砂和纤维，考察其在冻融条件下对植被型多孔混凝土性能的影响。控制多孔混凝土中的工作性能(扩展度)在(80±2)mm，制备的浆体最大包裹层厚度在0.20～0.30 mm，得到大致相同抗压强度的多孔混凝土，对比不同掺入材料对多孔混凝土抗冻性能的影响[15]。试验的配合比见表3。

表3 多孔混凝土抗冻试件配合比

2.1抗压强度

各系列的多孔混凝土抗压强度7日强度为25.7～32.8 MPa，28日强度为30.2～35.6 MPa(图2、3)。对于7日抗压强度，掺入各类掺合料或纤维，多孔混凝土抗压强度均降低，28日强度中，除掺入10%硅灰抗压强度超过纯水泥多孔混凝土外，其他系列的混凝土均低于纯水泥多孔混凝土。在掺入多孔混凝土中的各类材料中，粉煤灰、矿渣及硅灰具有火山灰活性，细砂和纤维基本不参与水化反应。在水泥水化的碱性环境下，会发生火山灰活性反应，具有一定的强度，在早期水化程度微弱，后期随着水化进程的发展，使得混凝土强度得到提高，尤其是硅灰，含有较多含量的活性二氧化硅和氧化铝，具有较高的火山灰活性。故在7日龄期，多孔混凝土的强度普遍降低，28日龄期强度有所提升。

图2 多孔混凝土7日抗压强度

图3 多孔混凝土28日抗压强度

2.2 横向基频和相对动弹性模量

混凝土的相对动弹性模量损失率用来反映混凝土内部的总体缺陷发展。多孔混凝土的横向基频和相对动弹性模量见图4、5。由图可知，横向基频和相对冻弹模量均呈下降趋势，这可能是因为随着冻融循环次数的增加，多孔混凝土的内部会逐渐产生微细裂缝，缺陷逐渐增加所造成的。从图4可看出，经过30次循环后，单掺粉煤灰试件2、细砂试件5和纤维试件6的动弹性模量分别只有67.50%、60.52%和67.18%，都已经接近冻融破坏的临界值60%，而空白样试件1和单掺硅灰的试件2动弹性模量仍有77.36%和77.19%。当冻融循环达到45次时，单掺粉煤灰试件2、矿渣试件3、细砂试件5和掺入纤维试件6的相对动弹性模量都已经在60%下，试件遭受冻融破坏。与此同时，纯水泥试件1和掺入硅灰试件4的抗冻融性能一直很好，当循环次数达到60次的时候，试件1、4的相对动弹性模量分别为63.42%和65.21%。因此，这两组试件的抗冻耐久性均在60次循环以上。

图4 多孔混凝土的冻融循环次数-横向基频

图5 多孔混凝土的冻融循环次数-相对动弹性模量

2.3 质量和质量损失率

多孔混凝土在不同冻融循环次数下的质量及其质量损失率见图6、7。由图6可以看出，当多孔混凝土的冻融循环进行到15次的时候，各个编号的混凝土试件重量均有不同程度的增加。这可能是因为，多孔混凝土试件在冻融过程中，一方面可能由于孔隙的孔径会相应增大，孔隙率随之增大，提高了吸水率，吸收外界水分而使质量增加，另一方面由于冻融循环使其表面胶结材浆体逐渐从粗骨料上剥离，试件质量减小，这两者的综合结果体现出试件质量损失的变化。多孔混凝土的有效孔隙率均在27%左右，冻融初期，多孔混凝土里面尚未产生大范围的剥蚀，并且还能继续吸入水量，因此其重量并未发生损失反而增加了。当循环次数达到30次时，此时试件1、3、5都出现不同程度的表层剥落，试件3的表层已经有损害发生，少许浆体和骨料剥落(图8)，试件5的边角有掉料现象，因此其质量损失率最大，达到4.91%。而试件2、4、6由于其剥蚀程度不严重，因此质量损失率还为负值，试件6的总体状态很好(图9)。当经过45次循环后，试件5表面已经出现了明显的裂缝，质量损失率已经达到9.36%，超出了标准规定的5%的范围，试件遭受冻融破坏，一取出来随即断裂开来(图10)。试件6的质量损失率也达到了5.35%，遭受冻融破坏，其表面有骨料脱落，手用力一碰即裂开，强度很低。当经过60次循环后，试件2粉煤灰(图11)和试件3矿渣也高于抗冻融质量损失值5%，分别达到5.82%和6.12%。试件4硅灰的质量损失率最小，仅为0.28%(图12)，试件1水泥次之(图13)，为3.18%。

图6 多孔混凝土冻融循环次数-质量

图7 多孔混凝土冻融循环次数-质量损失率

图8 编号3试件30个循环后情形

图9 编号6试件30个循环后情形

图10 编号5试件45个循环后情形

图11 编号2试件60个循环后情形

图12 编号1试件60个循环后未被冻坏

图13 编号4试件60个循环后未被冻坏

从图7可以看出，当多孔混凝土试件2、4和5的质量损失率超过5%(破坏标准)的时候，其对应的相对动弹性模量基本都在60%左右。由于动弹性模量损失率是在无损测试状态下反映多孔混凝土内部的总体缺陷发展，质量损失率反映的是多孔混凝土在破坏过程中的剥落状况，因此说明多孔混凝土动弹性模量的下降和质量损失率的发展保持在相同的程度，即质量损失率所呈现的剥落状况与动弹性模量所反映的混凝土内部劣化程度基本是一致的。

2.4 抗冻融指数

表4显示的是不同冻融循环次数下不同编号的多孔混凝土的抗冻融指数。经分析可知，掺入不同掺合料或纤维的多孔混凝土其抗冻融指数都随着冻融循环次数的增加而增加。当到了第45次循环后，抗冻融指数的大小按编号依次为：2<5<3<6<1<4。这说明掺加粉煤灰后多孔混凝土的抗冻性能是最差的，其次是细砂，而对提高抗冻性能有帮助的是掺加硅灰。

表4 多孔混凝土不同冻融循环次数下的抗冻融指数

2.5 抗冻融机理分析

根据T.C Powers的膨胀压和渗透压理论，由于表面张力作用，混凝土中毛细孔的冰点随着孔径的减少而降低，因而在粗孔中的水结冰后，由冰与过冷水的饱和蒸汽气压差和过冷水之间盐分浓度差引起水分迁移而形成渗透压[15]。当混凝土中的毛细孔在某负温下发生物态变化，由水转化成冰时体积膨胀9%，因受毛细孔的约束产生拉应力。虽然多孔混凝土含有较多的连通孔隙，部分毛细孔中的水在受冻膨胀过程中会向这些大孔隙中挤压，但总有部分水向相邻的毛细孔移动，从而产生较大的膨胀压力及渗透压力，连续的冻融循环使多孔混凝土内部的损伤(已有的和新发展的)不断扩展，逐渐形成裂缝，导致结构表面开裂脱落，性能降低失效[16-18]。在观察冻融循环作用下多孔混凝土部分试件中粗骨料与浆体脱黏的情况发现，随着冻融循环次数的增加，试件四角脱黏现象比较明显，并且包裹粗骨料的胶结材浆体出现许多微细裂缝，而且随着冻融循环逐渐发展。这可能是由于多孔混凝土的胶结材用量比一般混凝土少，因此骨料间相互黏结力比普通混凝土小。当遭受冻融循环时，膨胀力和渗透压力会最先出现在多孔混凝土骨料之间浆体黏结处特别是试件4个角落的骨料浆体黏结处[19-20]。因此，提高多孔混凝土的抗冻融性能，在骨料品质一定的情况下，最主要的就是要解决包裹粗骨料的浆体如何克服其膨胀和渗透压力。

硅灰能够提高多孔混凝土浆体的抗冻性能，作为一种活性很高的火山灰质掺合料，硅灰的掺入提高了浆体的黏稠度，减少了材料的离析，使包裹骨料浆体密实度增加，冻融循环时产生液体压力就比较难；同时，水泥石中的凝胶孔孔径很小，凝胶孔中水冰点很低，并不结冰，硅灰的掺入增加了C-S-H凝胶的数量，提高了界面之间的黏结力，强化界面，改善了混凝土的抗冻性，起到阻裂增强增韧的作用。因此硅灰改善了混凝土的内部结构，起到了提高抗冻能力的效果。掺加细砂、矿渣或者纤维的多孔混凝土其抗冻融指数基本与未掺空白样的持平，而掺加粉煤灰后的多孔混凝土其抗冻融指数最低，粉煤灰活性效应远不如硅灰，发生二次水化反应速度很慢，生成水化产物的数量和结构较少。

3 结论

a)单掺粉煤灰、细砂和纤维的多孔混凝土冻融循环后动弹性模量相对较低，纯水泥和掺入硅灰的多孔混凝土冻融循环后动弹性模量相对较高，当循环次数达到60次的时候，分别为63.42%和66.80%，均在60次循环以上；单掺硅灰和纯水泥的质量损失率最小，分别为0.35%和3.18%；掺加粉煤灰后多孔混凝土的抗冻性能是最差的，其次是细砂，而对提高抗冻性能有帮助的是掺加硅灰。

b)多孔混凝土含有较多的连通孔隙，但仍然有可能遭受水结冰后产生体积膨胀的损害。提高多孔混凝土的抗冻融性能，在骨料品质一定的情况下，最主要的就是要解决包裹粗骨料的浆体如何克服其膨胀和渗透压力。硅灰的掺入增加了C-S-H凝胶的数量，提高了界面之间的黏结力，强化界面，改善了混凝土的抗冻性。