冻融条件下高贝利特水泥混凝土的物理、力学性能研究

姜春萌，李双喜，王浩先，叶 弯，刘 建

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2.新疆远测工程技术有限公司，新疆 昌吉 831100；3.新疆新华叶尔羌河流域水利水电开发有限公司，新疆 喀什 844000)

抗冻性能是寒冷地区混凝土耐久性设计需要考虑的首要指标之一。国内外学者从不同角度围绕混凝土材料的冻融损伤进行了大量、深入的研究。例如，Penttala[1]研究了经不同冻融循环次数下混凝土的质量损失情况；邹超英等[2]对冻融循环作用后混凝土力学性能的衰减规律进行了分析；Hanjari等[3]采用相对动弹性模量和抗压强度指标表征混凝土的冻融破坏；Akhras[4]采用超声波对混凝土的冻融损伤过程进行了研究；Jacobsen等[5]利用SEM和MIP方法观察了冻融过程中混凝土内部微裂缝和孔结构特征的变化情况。目前，对于混凝土冻融损伤问题的研究多集中于力学强度、相对动弹性模量等宏观性能测试，对其材料内部的损伤劣化过程鲜有涉及。

硬度是指材料抵抗变形的能力，可用来近似推算材料其他力学性能，其测试具有局部性和即时性，能够反馈材料组分的微结构变化，因此除用于表征金属及陶瓷材料表面强度外，近年来也常被用于水泥基材料的力学性能研究[6- 7]。例如，Yang[8]、Xiong[9]分别通过维氏硬度分布情况描述了水泥石在溶蚀和硫酸盐侵蚀条件下的损伤扩散过程；Yang[10]利用显微硬度对冻融循环与疲劳荷载耦合作用下混凝土的界面过渡区性能进行了表征。

高贝利特水泥是一种以C2S为主导矿物设计的低碳型水泥，具有水化热低、后期强度高和节能环保等特点，在水工混凝土工程中应用较多[11- 12]。目前，针对高贝利特水泥混凝土的研究多集中于热学和力学性能方面[13]，随着工程服役环境的日益复杂，对其抗冻性等耐久性能进行深入研究尤为必要。本文以高贝利特水泥混凝土为研究对象，对比普通硅酸盐水泥混凝土，研究其在冻融循环作用下的质量变化、强度损失、相对动弹性模量等宏观性能变化；采用超声法测定冻融损伤层厚度，并通过试验确定其截面维氏硬度时变行为，探明冻融条件下高贝利特水泥混凝土的物理、力学性能演化规律，以期丰富和发展混凝土冻融损伤相关理论，为高贝利特水泥混凝土的推广应用提供理论支持。

1 试验

1.1 试验材料

试验采用四川嘉华水泥公司生产的高贝利特水泥(HBC)、南京海螺水泥公司生产的42.5级普通硅酸盐水泥(OPC)和南京热电厂生产的F类Ⅱ级粉煤灰(FA)，其化学成分与矿物组成见表1。骨料为细度模数2.71的河砂与粒径5～16mm的连续级配碎石。外加剂采用江苏苏博特公司生产的高性能减水剂和引气剂。

表1 水泥、粉煤灰的化学成分与主要矿物含量 单位：%

1.2 配合比设计与试样制备

参考常见的水工混凝土配合比，设计见表2。

表2 试验配合比

成型100mm×100mm×400mm棱柱体试件和100mm×100mm×100mm立方体试件，标准养护86d后取出置于水中浸泡4d，参照SL 352—2006《水工混凝土试验规程》[14]进行快速冻融试验。试验过程中，试件浸没在水(冰)里，依靠热交换液体的温度变化而连续自动地按规定制度进行冻融循环。每次循环过程约4h，降温、升温阶段结束时的试件中心温度为-18±2℃和8±2℃，试件温度变化如图1所示。

图1 冻融循环过程混凝土试件温度

1.3 试验方法

1.3.1质量损失、相对动弹性模量与抗压强度

分别对混凝土棱柱体试件和立方体试件进行300次冻融循环，每25次循环后测量试件面干质量和横向自振频率，每50次循环后测试试件立方体抗压强度，按式(1)—(3)计算质量损失Wn、相对动弹性模量Pn和相对抗压强度Fn。

(1)

(2)

(3)

式中，G0—试件冻融前质量，kg；Gn—n次冻融循环后试件质量，kg；f0—试件冻融前自振频率，Hz；fn—试件经n次冻融循环后自振频率，Hz；σ0—试件冻融前抗压强度，MPa；σn—试件经n次冻融循环后抗压强度，MPa。

1.3.2损伤层厚度

未冻融前的混凝土一般被视为均质材料，随着冻融次数的增加，表层混凝土产生不同程度的微裂纹。如图2所示，假设冻融混凝土损伤层厚度为h，波在损伤层的传播速度为v1，在未损伤层的传播速度为v2。将发射器至于混凝土表面端部位置发出超声脉冲，当接收器靠近发射器时只能感应到表层并且时间—距离点的斜率为1/v1，平行移动接收器，随着距离的增加，波以临界入射角θ入射时，折射角将平行于两种材料的界面，沿着斜率1/v2外推得到x=0时直线与纵轴的截距ti，则混凝土冻融损伤层厚度表达式为[15]：

图2 冻融混凝土波速传播示意图

(4)

将混凝土棱柱体试件沿纵向8等分，每个测点间距50mm，发射器压在左侧端部表面位置(接触面涂凡士林作为耦合介质)，移动接收器检测每个测点的首波到达时间，计算经0、50、100、150、200次冻融循环后混凝土损伤层厚度。

1.3.3显微维氏硬度

维氏硬度的测试原理是根据压痕单位表面积上的试验力值计算硬度值。如图4所示，将锥面夹角为136°金刚石正四棱锥压头以一定的试验力P压入试样表面并保持一定时间后卸荷，压头棱线将在材料表面形成压痕。通过测量压痕对角线长度计算压痕面积，则维氏硬度可用下式表示：

图3 维氏硬度测试示意图

图4 维氏硬度试验取样示意图

(5)

(6)

式中，HV—维氏硬度，MPa；P—试验力，9.8kN；A—压痕面积，mm2；l1、l2—压痕对角线的长度，mm。

如图4所示，将混凝土立方体试件两端涂环氧树脂密封，经冻融0、50、100、150、200次后取出并从试样中间位置切取尺寸为50mm×50mm×20mm的混凝土块，将其表面充分磨光，测试距冻融面不同深度处的浆体维氏硬度，结果取4个测点的算数平均值，注意测试过程中避开粗骨料。

2 结果及分析

2.1 质量损失、相对动弹性模量与抗压强度

相对动弹性模量和质量损失率是表征混凝土抗冻性能的常用指标，当试件相对动弹性模量下降到60%或质量损失率达5%时，可判定混凝土冻融破坏。根据表3可知，3组配合比混凝土的试件质量、相对动弹性模量和立方体抗压强度都随冻融循环次数的增加而下降，均可经受300次冻融循环；相同配合比条件下，HBC混凝土的90d抗压强度高于OPC混凝土，掺入30%粉煤灰的H- 30F混凝土抗压强度最低。

表3 冻融循环实验结果

由图5可知，相同冻融次数下，HBC混凝土与OPC混凝土的质量损失、相对动弹性模量和抗压强度相近且衰减规律相似，HBC混凝土的抗冻性能略优于OPC混凝土；掺入30%粉煤灰后，H- 30F试件的质量、相对动弹性模量在200次冻融循环后快速下降，且相对抗压强度最低，其抗冻性能较差。

图5 质量损失、相对动弹性模量及强度损失率与冻融次数关系曲线

2.2 冻融损伤层厚度

测试冻融作用下各组混凝土试件不同位置处的超声波传播时间，绘制关系曲线并计算混凝土冻融损伤层厚度(THK)，结果见表4。以冻融200次的HBC试件为例，冻融损伤层厚度计算过程见表5和图6。

表4 混凝土冻融损伤层厚度计算结果

表5 超声波在冻融200次后HBC混凝土中的传播时间

图6 冻融200次HBC混凝土超声波波时与测距关系图

由表4知，经200次冻融循环后，OPC混凝土、HBC混凝土和H- 30F混凝土的损伤层厚度分别为24.6、26.0、28.2mm，当确定服役环境的年平均冻融次数时即可推算混凝土结构的可使用年限。以冻融损伤层厚度为评价指标，经过200次冻融循环试验后，HBC混凝土的抗冻性能略优于OPC混凝土，掺入30%粉煤灰时H- 30F混凝土的抗冻性能有明显降低。

2.3 显微维氏硬度

各组混凝土浆体在不同冻融循环次数下的显微维氏硬度如图7所示。

图7 冻融混凝土显微维氏硬度

由图7可知，不同冻融循环次数下HBC混凝土浆体的显微维氏硬度略高于OPC混凝土，说明以C2S为主要矿物成分的高贝利特水泥水化更加充分和密实，后期强度更高；H- 30F混凝土浆体的维氏硬度明显低于OPC和HBC混凝土，主要是由于掺入粉煤灰后水泥水化产物减少所造成的。

OPC、HBC和H- 30F混凝土试件浆体的显微维氏硬度均随着冻融次数的增加而降低，且降低幅度与距混凝土表面距离基本呈正相关。通常认为，混凝土的冻融损伤是由于微观物理变化造成的一个由表及里的劣化过程。图8说明混凝土冻融损伤是一个由表及里与整体劣化共同作用的行为，前者作用较后者更为明显，其原因一方面与混凝土试件表面的钙离子溶出有关，另一方面是由于冻融过程中试件不同位置处的孔隙含水率不同，另外冻融循环实验的温变机制造成的混凝土试件表面、中心位置温变幅度差对此也有一定影响。

3 混凝土冻融损伤模型

3.1 基于损伤厚度的维氏硬度分区

计算三组试件经不同冻融次数后混凝土浆体表面的维氏硬度损失率，结合相应冻融次数下混凝土冻融损伤层厚度进行分析，结果分别见表6和图8。

表6 冻融循环作用下混凝土损伤层厚度与浆体显微维氏硬度

图8 不同冻融次数后混凝土浆体维氏硬度降低率

根据表6、图8中冻融混凝土的损伤层厚度和维氏硬度损失率，可认为随着冻融循环次数的增加，混凝土的损伤劣化是一个连续且不同步的过程。混凝土材料的性能参数不会在损伤层厚度面处产生突变，可以通过浆体截面的维氏硬度量化这些指标。以HBC试件为例，经历50、100、150、200次冻融循环后，当其维氏硬度分别降低7.0%、13.7%、19.1%、22.1%时即可判定混凝土发生冻融破坏。

3.2 冻融混凝土维氏硬度预测模型

为建立冻融混凝土维氏硬度预测模型，首先做如下假定：

(1)冻融过程中，混凝土强度和硬度等力学性能逐渐劣化，损伤区域内仍有残余强度，即假设作用于试样上的荷载由损伤层和未损伤层共同承担。

(2)随着冻融次数的增加，表层混凝土的力学性能逐渐劣化，假设损伤层力学性能与冻融次数呈线性负相关。

基于以上假定，采用Logistic函数对冻融混凝土的维氏硬度进行拟合，函数表达式如式(6)[16]：

(6)

式中，x—自变量，HV—因变量。当x=0时，HV=A1；当x→∞时，HV=A2；当x=x0时，HV=(A1+A2)/2，p是与曲线形状有关的经验参数，文中P取值为0.5。

(7)

将式(7)带入式(6)，得到：

(8)

根据表7数据，利用式(8)模拟计算三组配合比混凝土试件的浆体维氏硬度HV随截面深度x和冻融循环次数的变化规律，预测模型函数图像如图9所示。由图中试验值的拟合结果可知，式(8)拟合精度较高，该模型能够较准确地预测不同冻融循环次数后混凝土试件任一点处的维氏硬度。

表7 各组试件溶蚀区域的初始维氏硬度最终维氏硬度完好区域维氏硬度A2值和x0

图9 冻融混凝土浆体截面维氏硬度模拟函数曲线

4 结语

(1)高贝利特水泥混凝土的抗冻性能略优于普通硅酸盐水泥混凝土，当掺入30%粉煤灰时，其抗冻性能有明显下降。

(2)混凝土冻融破坏是一个由表及里损伤与整体劣化共同作用的过程，并且前者通常发挥主导作用，这与混凝土浆体的水化程度、孔隙结构以及含水率等因素有关，并受到冻融循环过程温变机制的影响。

(3)冻融混凝土的劣化行为是连续且不同步的，维氏硬度可以量化其内部损伤程度。经历50、100、150、200次冻融循环后，当高贝利特水泥混凝土的维氏硬度降低7.0%、13.7%、19.1%、22.1%时即可判定其发生冻融破坏。

(4)基于Logistic函数建立的冻融混凝土维氏硬度分布模型可用于预测指定冻融次数和位置处的浆体硬度，计算精度较高，可为高贝利特水泥混凝土的抗冻性能评价和预测提供参考。