对基于动弹性模量的海工混凝土抗冻损伤评价

陆春华，冯晨阳，平 安，杨钰婷

(江苏大学 土木工程与力学学院，江苏 镇江 212013)

处于我国东北，华北等寒冷地区的沿海混凝土结构在其服役过程中往往受冻融循环作用的影响，导致其内部孔隙水结冰及体积膨胀，造成混凝土开裂甚至剥落[1]，严重影响混凝土结构的安全使用及长期寿命[2].因此，针对我国严寒地区的沿海混凝土结构在冻融循环作用下的性能退化等相关问题，亟待进一步研究及有效解决.

国内外学者对冻融环境下混凝土性能退化进行了一定的试验研究与理论分析.多数研究和规范以动弹性模量以及质量的变化作为混凝土冻融损伤的主要评价指标[3-4].Ge等[4]指出质量损失率和相对动弹性模量分别代表混凝土表面和内部的损伤程度.Zhang等[5]通过试验发现混凝土的抗压强度基本随冻融次数线性下降.另有学者提出复掺掺合料的混凝土的抗压强度较单掺混凝土更高[6].Ferreira等[7]提出随冻融次数的增加，混凝土动弹性模量降低，进一步研究表明粉煤灰、高炉矿渣和纳米SiO2均能有效提高混凝土的抗冻性[7-8].海工混凝土正是以矿物掺合料、改性材料、外加剂等组成的具有高耐久性、良好的工作性等特性的混凝土[9].因此，针对于冻融环境下海工混凝土的性能退化研究就显得尤为重要.

鉴于此，本文以海工混凝土为研究对象，将不同配合比、不同冻融次数作为试验变量，通过测定冻融循环作用后海工混凝土的质量、动弹性模量、抗压强度和氯离子迁移系数，深入探讨冻融循环作用下海工混凝土材料的退化规律；将动弹性模量损伤度分别与抗压强度损失率与氯离子扩散系数联系起来，提出用动弹性模量损伤度来衡量海工混凝土材料的抗冻性能.

1 试验材料与方法

1.1 混凝土材料与配合比设计

表1 海工混凝土配合比及力学性能参数

表2 粉煤灰及矿粉的化学组成

1.2 试件设计

本试验共浇筑了3种不同尺寸的海工混凝土试件，具体如下：

(1)冻损试件，主要用来测定冻融循环后混凝土试件的质量损失及相对动弹性模量；试件采用100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体(见图1a)，每种配合比制作1组3个试件；

图1 三种海工混凝土试件

(2)抗压试件，主要用来测定冻融循环后混凝土的抗压强度；由于受冻融箱试件盒尺寸的限制，抗压试件采用100 mm×100 mm×100 mm的立方体试块(见图1b)，每种配合比制作3组(每组3个)抗压试件；

(3)RCM(Rapid Chloride Migration)试件，主要用来测定冻融作用后混凝土的氯离子迁移系数；试件采用直径100 mm、高为50 mm的圆柱体(见图1c)，每种配合比制作5组(每组3个)RCM试件.

1.3 冻融试验方案及性能评价

参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)[10]中的快冻法，采用CABR-HDK9型混凝土快速冻融试验机开展水冻水融条件下的冻融试验；在冷冻和融化过程中，测温试件的中心温度分别控制在-18±2 ℃和5±2 ℃范围内，每次冻融循环在4 h内完成，共进行100次循环.

对于冻损试件，分别测定冻融循环0、25、50、75以及100次后试件的质量和横向基频(见图2)，并以质量损失率ΔWn和动弹性模量损伤度DE来评价三类海工混凝土冻融损伤程度.对于抗压试件，分别测定0、50以及100次循环后试块的抗压强度；对于RCM试件，分别测定0、25、50、75以及100次循环后试件的氯离子迁移系数(RCM试验，见图3)；最后以抗压强度损失率Δfc以及氯离子迁移系数增长率ΔDRCM来评价受冻后海工混凝土性能退化情况.

图2 横向基频测定

图3 RCM试验

2 试验结果与分析

2.1 质量损失率

在冻融试验过程中，每经历25次循环后将冻损试件从试验机中取出，清除试件表面浮渣并擦去表面积水后，观察混凝土表面损伤并称量试件的质量.与冻融前混凝土完好的表面形貌相比，冻融后混凝土表面的小坑蚀逐渐增多；50次冻融循环后，混凝土表面砂浆剥落程度开始加剧；达到100次时，试件表层粗骨料开始脱落，甚至出现了角部缺失的现象.

参照规范GB/T 50082—2009[10]及文献[3，5，11，12]，采用式(1)计算冻损试件的质量损失率ΔWn；最后取每组3个试件测定结果的算术平均值作为最终质量损失率.

ΔWn=(1-Wn/W0)×100%

(1)

式中：ΔWn为n次冻融循环后试件的质量损失率(%)；W0和Wn分别为冻融循环前和n次冻融循环后试件的质量(kg).

三类海工混凝土冻融循环后的质量及质量损失率如图4所示.从图4中可以看出：(1)三类海工混凝土试件的质量均随冻融循环次数的增加而减少，质量损失率随冻融循环次数的增加而增加；(2)当冻融循环次数小于50次时，试件的质量损失较为缓慢；当超过50次后，试件质量损失的增幅明显增大，这说明当冻融循环次数超过50次后，冻融循环作用对混凝土造成的损伤逐步加剧；(3)对比三类海工混凝土，可以看出在冻融循环次数相同的情况下，试件的质量损失率从大到小排列依次为F3S2>F2S3>F2S3N.其原因主要在于，虽然粉煤灰、矿粉等矿物掺合料都具有后期火山灰活性，但矿粉的火山灰活性要高于粉煤灰、且早于它发生二次水化反应，故F2S3混凝土的抗冻性优于F3S2混凝土；此外，纳米SiO2具有高早期火山灰活性并能促进水泥的水化反应和粉煤灰的二次水化反应[13]，从而进一步提升了F2S3N混凝土的抗冻性.

图4 冻融循环后冻损试件的质量分析

Hong等[14]认为混凝土的质量损失率与冻融循环次数呈现一定的线性关系.鉴于此，对本试验三类海工混凝土的质量损失率ΔWn与冻融循环次数n进行线性拟合(结果见图4b)，两者的关系公式如下.

ΔWn=0.012 9n，R2=0.971

(2)

对比图4(b)中试验结果和拟合曲线来看，虽然线性拟合曲线的相关系数很高(R2=0.971)，但它不能反映质量损失率在不同冻融循环阶段的变化特性；此外，对于不同种类的海工混凝土，需要考虑混凝土抗冻性的差异而分别进行拟合.

2.2 动弹性模量损伤度

规范GB/T 50082—2009[10]给出了快速冻融情况下混凝土动弹性模量E的计算公式，如公式(3)所示.考虑到冻融后E值的下降，可采用动弹性模量损伤度DE来评价混凝土的冻融损伤程度[11，15，16]，具体见公式(4).最后，同样以三个试件的平均值作为试验结果进行分析.

E=13.244×10-4×WL3f2/a4

(3)

式中：W为试件质量(kg)；L、a分别为试件的长和正方形截面的边长(mm)；f分别为试件的横向基频(Hz).

DE=(1-En/E0)×100%

(4)

式中：En为n次冻融后混凝土动弹性模量(MPa)；E0为冻融前混凝土动弹性模量(MPa).

冻融循环后，三类海工混凝土的动弹性模量及其损伤度计算结果如图5所示.从图5中可以看出：(1)掺入纳米SiO2后海工混凝土的动弹性模量显著增大，其值约为未掺加时的1.8倍；(2)冻融循环次数小于25次时，DE相对较小，说明少量的冻融循环作用不足以对海工混凝土造成明显的冻融损伤；而当冻融循环超过25次后，三类试件的DE明显增大，说明内部损伤逐步积累、扩大；(3)对比三类海工混凝土试件，掺入适量纳米SiO2的海工混凝土DE最小；(4)与冻融后混凝土的ΔWn相比，相同情况下DE更大，这说明冻融作用对混凝土造成的内部损伤较外部损伤更为严重，Ge等[4]也得到类似的结论.

Shang等[17]研究认为混凝土的动弹性模量损伤度DE与冻融循环次数n也存在线性关系；采用线性函数对上述试验结果进行拟合分析(见图5b)，相应的拟合公式如下.

DE=0.1207n，R2=0.953

(5)

与ΔWn的线性拟合结果相似，混凝土DE与冻融循环次数n之间的线性拟合也需要考虑不同冻融阶段以及混凝土种类的影响.

2.3 抗压强度损失率

对于边长100的立方体抗压试块，可按规范GB/T 50081—2019[18]给出的方法(见下式(6))推算其150 mm标准立方体试块抗压强度fcu(MPa)，并取每组三个试件测定结果的算术平均值进行分析.这里，考虑到冻融后混凝土fcu的下降，参照文献[2]，同样提出用混凝土抗压强度损失率Δfc(%)来评价混凝土的冻融损伤程度，具体见公式(7).

fcu=0.95F/A

(6)

式中：F为抗压试块的破坏荷载(N)；A为抗压试块的承压面积(mm2).

Δfc=(1-fcu，n)/fcu，0)×100%

(7)

式中：fcu，0和fcu，n分别为冻融循环前和n次冻融循环后试块的立方体抗压强度(MPa).

图6给出了冻融过程中三类海工混凝土的fcu及Δfc的变化情况.需要说明的是，考虑到大掺量矿物掺合料混凝土的水化进程相对较长，故冻融试验是在试件养护90 d后进行的，此时测得冻融循环前三类海工混凝土的fcu分别为55.47 MPa、61.92 MPa和50.40 MPa，均高于表1中的28 d强度值.从图6中还可以看出：在冻融循环50次前后，试件的Δfc由慢变快，说明随冻融循环次数的增加，三类海工混凝土的冻融损伤程度逐步加快；同样地，掺入适量纳米SiO2的海工混凝土Δfc值最小.

图6 冻融循环作用后试块的抗压强度分析

Zhang等[5]认为混凝土的抗压强度损失率Δfc与冻融循环次数n之间也存在线性关系.经线性拟合，可得Δfc与n的拟合结果如下式(8)所示.

Δfc=0.143 1n，R2=0.965

(8)

2.4 氯离子迁移系数增长率

将完成一定冻融循环后的圆柱体试件进行RCM试验[10]，并按下式(9)求得混凝土的非稳态氯离子迁移系数DRCM(m2/s)，同样取三个试件测得的算术平均值进行分析.对比冻融前后混凝土DRCM值的变化，采用公式(10)来计算冻融后混凝土氯离子迁移系数增长率ΔDRCM(%)，以此来表达冻融作用对混凝土损伤及渗透性能影响.

(9)

式中：T为阳极溶液初始温度与结束温度的平均值(℃)；L为试块厚度(mm)；U为电压值(V)；t为试验持续时间(h)；Xd为氯离子渗透深度(mm).

ΔDRCM=(DRCM，n/DRCM，0-1)×100%

(10)

式中：DRCM，0和DRCM，n分别为冻融循环前和n次后试块的非稳态氯离子迁移系数DRCM(m2/s).

经计算，三类海工混凝土的DRCM和ΔDRCM随冻融循环次数n的变化关系见图7.由图中结果可知，当冻融循环次数小于25次时，三类海工混凝土的氯离子迁移系数略有增长；而当冻融循环次数超过25次后，ΔDRCM值迅速增大；到100次冻融循环时，三类海工混凝土的ΔDRCM值在400%(F2S3N试件)～540%(F3S2试件)之间.上述结果表明，快速冻融循环次数达到25次后，海工混凝土抗氯离子渗透能力的下降速度逐步加大.

图7 冻融循环作用后试块的氯离子迁移系数分析

由图7(b)给出的ΔDRCM和n的关系曲线可知，两者也存在一定的线性关系.经线性拟合，两者关系如下式(11)所示.从拟合结果和试验结果对比来看，两者的拟合效果较好(相关系数R2=0.959)，尤其是冻融循环超过50次后的情况.

ΔDRCM=4.379 4n，R2=0.959

(11)

3 基于动弹性模量损伤度分析受冻混凝土性能退化

一般而言，动弹性模量和质量的变化均可作为混凝土冻融损伤的评价指标.但从图5和图7中的结果对比可知，冻融循环作用下海工混凝土的质量损失率数值过小，容易造成一定的误差，故本文选用动弹性模量损伤度DE作为混凝土冻融损伤的主要评价指标.

3.1 动弹性模量损伤度随冻融循环次数的变化分析

已有研究表明，冻融作用下混凝土的动弹性模量损伤度DE与冻融循环次数n存在一定的关系，常见的有线性关系[5]、幂函数关系[15]、指数函数[15]、多项式关系[19]等.这里，分别采用上述关系对本文试验结果进行回归分析，结果如图8所示.

图8 DE与n之间关系模型

从图8中可以看出，对于本文中的海工混凝土试件，采用幂函数来表达动弹性模量损伤度DE与冻融循环次数n之间的关系时效果最好.鉴于此，在本文试验数据基础上，又收集了现有文献[5，19-23](均为掺有矿物掺合料的混凝土)共35个试验结果，采用幂函数对DE与n关系进行拟合(见图9)，结果见下式(12).可以看出，幂函数关系能较好地反映海工混凝土DE与n两者之间的关系，拟合效果较好.

图9 DE与n之间幂函数模型

DE=0.094 1n1.105 2，R2=0.873 9

(12)

3.2 动弹性模量损伤度与抗压强度损失率的关系

对比图5b和图6b的相关结果，可以看出在相同冻融循环次数下，动弹性模量损伤度较低的海工混凝土，其抗压强度损失率也较小，即受冻混凝土的性能退化与动弹性模量损伤度存在一定的对应关系.鉴于此，结合本文试验及现有文献[5，12，16，19，22-28]共49个试验结果，对冻融作用下混凝土的抗压强度损失率Δfc与动弹性模量损伤度DE之间的关系进行了分析，结果如图10所示.

图10 Δfc与DE之间的关系

从图10中给出的Δfc与DE的对应关系来看，两者之间存在较好的线性关系.经采用线性函数拟合，可得Δfc与DE的关系公式如式(13)所示.

Δfc=1.085 4DE，R2=0.973 4

(13)

从结果来看，两者拟合效果很好(相关系数R2=0.973 4)，且关系系数接近1.0.这说明冻融循环作用后，混凝土的DE与Δfc两者较接近，由此可见用Δfc也能很好的衡量混凝土的冻融损伤程度.

3.3 动弹性模量损伤度与氯离子迁移系数增长率的关系

相应地，基于本文试验及现有文献[5，7，29]共28个试验结果，图11给出了受冻混凝土的氯离子迁移系数增长率ΔDRCM与动弹性模量损伤度DE之间的关系.从图11中不难看出，ΔDRCM的值随损伤度DE的增大而逐渐增大，两者之间呈现良好的线性关系.对图11中结果进行线性拟合，可得到ΔDRCM与DE的关系公式，见式(14).

图11 ΔDRCM与DE之间的关系

ΔDRCM=30.937 1DE，R2=0.911 7

(14)

从结果来看，两者拟合效果也较好，说明冻融循环作用后混凝土的抗氯离子渗透性能的降低与其动弹性模量损伤度的增大有明显的线性对应关系，也能很好地反映冻融作用引起的混凝土损伤程度.

4 结论

通过对三种配合比的海工混凝土进行了快速冻融试验，研究了海工混凝土抗压强度损失率、氯离子迁移系数增长率和动弹性模量损伤度的关系及动弹性模量损伤度随冻融循环次数增长的退化规律，主要结论如下：

(1)冻融循环作用后，三种配合比的海工混凝土抗冻性能退化规律相似.将粉煤灰与矿粉的掺量从3∶2调整至2∶3，能提高海工混凝土的抗冻性能，且掺入纳米SiO2可以进一步提高海工混凝土抗冻性能；究其原因，主要是矿粉会先于粉煤灰发生二次水化反应，增加矿粉含量可以生成更多C-S-H凝胶，填充微裂缝，提高抗冻性能；而纳米SiO2的加入能促进水泥的水化反应及粉煤灰的二次水化反应，对提高抗冻性能有利；

(2)结合本文及已有的试验结果，建立冻融循环次数与海工混凝土动弹性模量的幂函数关系，该关系相对于线性与指数关系，拟合精度更高；

(3)冻融循环作用后，海工混凝土的动弹性模量损伤度与抗压强度损失率和氯离子迁移系数增长率存在较好的线性关系，其中抗压强度损失率与动弹性模量损伤度两者相接近，用抗压强度损失率也能很好地衡量海工混凝土的冻融损伤程度.