盐冻融循环作用下低热大体积混凝土损伤特性研究

卢界江，李鸿盛，宋健，何哲

（1.中国交通建设股份有限公司 西北区域总部，陕西 西安 710065；2.中交一公局重庆万州高速公路有限公司，重庆 404000；3.交通运输部公路科学研究所，北京 100088）

0 引 言

低热硅酸盐水泥又称高贝利特水泥，其CaO与Al2O3含量较少，主要矿物以贝利特为主，相比阿利特矿物，由于其CaO含量较低，故而析出的氢氧化钙以及产生的水化热也相对较低[1]。有研究者对低热水泥的水化热、力学、变形性能等开展了大量试验，进行了低热与中热水泥混凝土的对比研究，验证了低热水泥的使用价值[2-5]。同普通硅酸盐水泥混凝土相比，低热硅酸盐水泥可降低绝对升温3~5℃，凭借其自身干缩低、极限拉伸大、高强低弹模的特性，在大型结构物（尤其是大型水坝等大型海工）的建造中得到了广泛应用[6-7]。但近年来，随着构造形式多样性的不断扩大，大体积混凝土也常出现在如大型桥梁、超高层建筑等结构上，而这些新用途对水泥的强度及耐久性等提出了新要求，因此，对低热硅酸盐水泥进行耐久性研究具有重要意义。

根据我国抗冻区域等级划分[8]，我国仅有华南地区、华东及华中南部、西南东南部不需考虑冻融环境影响，其余地域均需在一定程度上考虑冻融环境对材料耐久性的影响。硫酸盐在我国地域分布同样十分广泛，环境的冻融影响常常伴随着硫酸盐的侵蚀，目前研究已经基本证实硫酸盐会对大体积混凝土产生不利影响[9-10]，因此有必要对混凝土的硫酸盐冻融作用下的性能演化进行研究。金祖权等[11]对普通混凝土在硫酸盐溶液中冻融的损伤与离子传输进行了研究，结果发现，冻融作用会促进硫酸盐溶液中离子向混凝土的扩散速度，将生成更多的反应产物，加深损伤。Soroushian等[12]与Johannesson[13]系统性研究了混凝土在盐冻过程中的微观结构演变，采用微观表征手段量化混凝土中的微观形貌改变以及微孔中冰含量演化。Nishibayashi[14]对比了普通水泥混凝土与再生水泥混凝土在相同盐冻融循环条件下的动弹性模量和质量损失率，结果发现，再生水泥混凝土受盐冻融作用后，性能低于普通水泥混凝土。盐冻融循环对混凝土性能存在较大影响，需慎重考虑。

综上所述，目前的研究多集中在低热水泥混凝土与普通水泥混凝土的对比上，而对低热大体积水泥混凝土的耐久性，尤其是在恶劣盐冻融自然环境下的性能演化则缺乏研究。本文对普通水泥混凝土、低热混凝土以及分别掺加1%、2%水化热抑制剂的低热混凝土试件进行了硫酸盐溶液中的冻融循环，对作用后的物理、力学性能进行了分析，基于随机损伤理论，建立了低热水泥混凝土的随机损伤演化方程，对其在多次重复盐冻融作用下的损伤特征及耐久性进行了描述。

1 试验

1.1 原材料及配合比设计

水泥：陕西秦岭水泥厂产P·O42.5水泥、四川嘉华水泥厂产P·LH42.5低热硅酸盐水泥，物理力学性能见表1；粉煤灰：陕西圣鑫，Ⅰ级，技术性能见表2；细集料：灞河中砂，技术性能见表3；粗集料：泾阳石灰岩破碎石，技术性能见表4：减水剂：聚羧酸类高效减水剂，技术性能见表5；水化热抑制剂：广州华克利建材有限责任公司产，多羟基羧酸酯类，白色粉末，比表面积272 m2/kg。

表1 水泥的物理力学性能

表2 粉煤灰的技术性能

表3 中砂的技术性能

表4 碎石的技术性能

表5 减水剂的技术性能

根据王滋元[15]的研究结果，本试验中普通水泥混凝土C40的水胶比为0.41，粉煤灰占胶凝材料质量的35%，砂率40%，减水剂掺量为胶凝材料质量的0.8%；为保证混凝土的工作性，低热混凝土P-C40-0的水胶比略低；在P-C40-0基础上分别掺1%、2%水化热抑制剂，制备P-C40-1、P-C40-2低热混凝土。具体配合比见表6。根据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准》进行拌合与成型，最终试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm与100 mm×100 mm×400 mm两类。成型后带模养护1 d以及标养室养护30 d后进行后续试验。

表6 混凝土的配合比

1.2 试验方法

冻融循环采用混凝土快速冻融试验机进行，盐溶液使用质量浓度5%的Na2SO4盐溶液，参考GB/T 50082—2009，提前4 d将试件浸泡于20℃盐溶液中，溶液需高出试件10 mm以上，冻融温度分别为-17℃和8℃，每次冻融时长4 h。以25次冻融循环为1组，取出试件进行相关物理力学性能测试。后续试件上下掉头后放入模具继续进行冻融，以保证冻融损伤均匀。使用数显压力试验机进行混凝土抗压强度测试；使用非金属超声波检测仪进行混凝土相对动态模量的测试。

2 试验结果与分析

2.1 低热与普通水泥混凝土的力学性能（见表7）

由表7可见，普通水泥混凝土C40在各龄期的抗压强度均为最高；低热水泥中产生水化热的成分减少，在降低水化热的同时也降低了水化反应程度，因此导致P-C40-0的抗压强度有所降低；水化热抑制剂的掺入进一步降低了水化热，也因此导致了P-C40-1、P-C40-2早期强度的不足，但在28 d龄期时，这2组混凝土的抗压强度超过P-C40-0。主要是由于水化热抑制剂延缓了早期的集中放热，使得水化反应更加充分，提高了混凝土的后期强度。

表7 不同养护龄期混凝土的抗压强度及弹性模量

4组混凝土的弹性模量与抗压强度有类似的变化趋势。有研究指出[16]，低模量混凝土在温度变化时可以通过变形耗散部分温度应力，减小开裂风险；相反，高模量混凝土在温度变化时受到自身小变形约束会产生较大温度应力，当温度应力超过极限抗拉强度，就会发生开裂。从表7可以看出，低热混凝土各龄期的弹性模量始终小于普通水泥混凝土，而水化热抑制剂的掺入会进一步降低早期弹性模量，带来更好的变形能力，因此更适用于大体积混凝土构件。虽然低热混凝土应用于大体积混凝土构件可以有效降低开裂风险，但也会造成早期强度不足；水化热抑制剂的掺入一方面可进一步降低水化热，另一方面也会对28 d抗压强度不足的问题稍有弥补。

2.2 盐冻融循环物理特征分析

低热大体积混凝土在盐冻融循环作用下遭受的是一个逐渐变化的损伤过程，P-C40-0经盐冻融循环后表面变化见图1。

图1 P-C40-0试件经盐冻融循环作用后表面的变化

由图1可见，低热混凝土在盐溶液中冻融损伤较为严重，且随着冻融循环次数的增加，表面侵蚀越来越严重。冻融50次以前，损伤并不明显；冻融150次以上，试件表面开始出现剥落，但并不严重；冻融250次以上，试件集料已部分出现外露。在冻融初始阶段，低热混凝土整体性较好，因此侵蚀作用不明显。随着冻融次数的增加，盐溶液与水泥作用产生的侵蚀产物不断在试件表面累积，由于侵蚀产物与混凝土在冻融作用下的膨胀不协调性，使得混凝土损伤加剧。

混凝土的冻融以及盐溶液的侵蚀作用方向均是由外向内，在混凝土表面空隙中汇集的盐溶液会在冻融作用下产生冻胀力与渗透压力，在2种力的反复作用下，混凝土表面逐渐脱落，产生质量损失。4组混凝土在冻融循环下的质量损失率见图2。

图2 4组混凝土经冻融循环后的质量损失率

由图2可见：

（1）4组水泥混凝土在冻融循环作用下的质量变化均呈现3个阶段：即初始质量迅速减少，中期质量稳定减少以及后期质量加速减少。在冻融初始阶段，试件表面存在的不平整处的水泥砂浆会由于应力集中现象而遭受更大的冻胀力以及渗透压力，因此会首先剥落，导致质量损失在冻融初期（25次之前）迅速增大；随着冻融的持续，试件表面自带缺陷消失，质量损失呈线性发展；在冻融后期，试件由于冻融导致表面出现新的缺陷，伴随盐溶液侵蚀产物增加，再一次导致应力集中现象增强，质量损失加速增加[17]。

（2）在冻融的第Ⅰ和第Ⅱ阶段，低热混凝土的质量损失率小于普通水泥混凝土，而在冻融的第Ⅲ阶段，低热混凝土的质量损失率大于普通水泥混凝土。低热混凝土的水化热较低，因此在试件成型过程中均匀性和整体性较好，表面缺陷较少，因此在冻融前半段质量损失率较小。但低热混凝土的整体强度稍低于普通硅酸盐水泥混凝土，因此对冻胀力及渗透压力的抵抗力弱于普通硅酸盐水泥混凝土，因此在第Ⅲ阶段质量损失率较大。水化热抑制剂的掺入可以减小低热混凝土在冻融作用下的质量损失，且增加了低热混凝土在冻融循环作用下进入加速质量损失期的循环次数。

2.3 盐冻融循环力学特征分析

冻融作用的损伤本质是冻胀力以及渗透压力的反复作用，为典型由外向内的损伤过程，而盐溶液与水泥作用产生的膨胀产物则会加速这一过程。相对动弹性模量是反映混凝土内部状态的物理量，能够在一定程度上表征内部损伤情况。4组混凝土在不同冻融循环次数的相对动弹性模量见图3。

由图3可见，混凝土的相对动弹性模量随冻融循环次数的增加大致上也呈现3个阶段变化，分别为：初始迅速下降阶段、中期稳定下降阶段以及后期加速下降阶段。低热混凝土的相对动弹性模量在稳定下降阶段的下降速率大于同期普通水泥混凝土，说明在冻融进行一段时间后，低热混凝土的损伤发展更快。而掺入水化热抑制剂后，在冻融前半段（小于200次）相对动弹模量小于P-C40-0，而在后半段（大于200次）反超了P-C40-0。这是由于水化热抑制剂可以有效延缓水化热的集中期，使水化反应更充分，因此在冻融后期掺入水化热抑制剂的试件表现出更好的力学性能。

图3 4组混凝土经冻融循环后的相对动弹性模量

2.4 盐冻融损伤演化方程

混凝土属于带孔隙非绝对密实的材料，在水化反应过程中会在混凝土内部滞留一部分未与水泥发生反应的水分，随着这些水分的蒸发，会产生大量的气孔，受到冻融作用时，这些气孔扩张形成微裂缝，随着冻融循环次数的增加，内部的微裂缝不断累积，在荷载作用下产生应力集中，对大体积混凝土构件造成不利影响。

因此可以得出：盐冻融损伤的本质是混凝土内部微裂纹的累积。研究冻融损伤就必需考虑混凝土内部微裂纹的分布和累积规律。目前研究已经证实[18-19]，混凝土各组成材料具有随机分布的特征，因此无论是混凝土中气孔还是后续形成的微裂纹均是随机分布的。事实上，混凝土组成成分的随机分布也必然会导致其在冻融作用影响下产生力学性能的随机演化特征，即微观成分的随机性分布导致宏观损伤的随机性演化。因此，本文根据混凝土成分的随机分布特征建立了混凝土的冻融随机损伤演化方程。相较于传统以确定性力学表达为依据的损伤演化方程，本文提出的随机损伤演化方程更符合混凝土的内部实际状态。

基于随机损伤理论构建损伤演化方程，首先需要定义随机变量。本文定义“经历n次冻融循环作用发生损伤”这一事件为N，因此可以得到N的概率分布为：

F（n）的物理含义为：在n次冻融后，即[0，n]作用区间内，混凝土发生损伤的概率。

根据经典连续损伤力学[20]，事件N可以由n次冻融后混凝土内部状态的改变来描述，因此式（1）的右半部分可以表示为n次冻融后相对动弹性模量的衰减，即：

式中：ER（n）——混凝土试件在n次冻融后的相对动弹性模量；

ER0——混凝土试件在冻融前的相对动弹性模量，ER0可以取为1。

根据目前文献研究结论[21]，Weibull分布可以较好地反映混凝土冻融损伤作用下的性能演化，因此本文假设事件N服从两参数Weibull分布，见式（3）：

式中：λ——尺度因子；

α——形状因子；

n——冻融循环次数。

将式（2）、式（3）带入式（1）可以得到式（4）：

由式（4）可知，当n=0时，等号左右两边均为0，表示未冻融试件的损伤度为0；当n→∞时，ER（n）→0，等号左右两边均趋于1，表示冻融次数无限大时，试件损伤度为1，完全损伤。说明构建的损伤演化方程与实际情况相符，具有物理意义。

图4 方程拟合结果

根据参数求解结果，低热混凝土的损伤演化方程见式（5）：

均方根误差为2.5×10-3，因此可以证明本文所构建的低热混凝土损伤演化方程具有一定精度，可以用来预测低热混凝土在盐冻融循环作用下的损伤值。

利用根据2.2节中C40、P-C40-1、P-C40-2的相对动弹性模量试验结果对模型进行验证，结果见图5。

由图5可见，模型计算值与验证值稍有出入，原因在于低热水泥以及水化热抑制剂对混凝土内部结构产生了影响，导致基于相对动弹性模量的计算数据出现了一些偏差。但验证结果总体上可以说明本文基于混凝土成分随机分布构建的随机损伤模型具有一定的精度。

图5 模型验证

3 结 论

（1）低热混凝土的弹性模量始终小于普通水泥混凝土，因此更适用于大体积混凝土构件，但其早期抗压强度较低。虽然低热混凝土应用于大体积混凝土构件可以有效降低开裂风险，但也会造成早期强度不足，而水化热抑制剂的掺入一方面可以进一步降低水化热，另一方面也会对28 d抗压强度不足的问题稍有弥补。

（2）多次盐冻融循环后普通水泥混凝土与低热混凝土的质量损失率与相对动弹性模量均呈初始迅速损伤、中期稳定损伤及后期加速损伤3个阶段变化。在冻融前半段（＜200次），低热混凝土冻融损伤速度小于普通水泥混凝土，说明在盐冻融初始阶段低热混凝土性能保持优于普通水泥混凝土，而冻融后半段（＞200次），低热混凝土的冻融损伤速度大于普通水泥混凝土，说明其对盐冻融作用敏感性较大。

（3）掺入水化热抑制剂可以减小冻融作用下的质量损失，且增加了低热水泥在冻融循环作用下进入加速质量损失期的循环次数。另外，由于水化热抑制剂可以有效延缓水化热的集中期，而使水化反应更加充分，因此在冻融后期掺水化热抑制剂的试件表现出更加良好的力学性能。

（4）在Weibull分布的基础上构建了随机损伤演化方程，经过分析表明，方程符合实际情况具有一定的物理意义，数据验证结果显示，损伤演化方程具有一定精度，可以用来预测低热混凝土在盐冻融循环作用下的损伤值。