混凝土高负温冻融损伤特性研究

2021-04-29沈晨曦宋方疆

三峡大学学报(自然科学版) 2021年3期

沈晨曦王青刘俊宋方疆

(1.三峡大学防灾减灾湖北省重点实验室,湖北宜昌 443002;2.三峡大学土木与建筑学院,湖北宜昌443002)

冻融破坏是影响混凝土结构耐久性的主要因素之一[1],国内外学者围绕混凝土冻融损伤机理[2-4]、冻融破坏影响因素[5-7]、提高抗冻性能方法[8-9]及不同冻融类型间的相关性[10]等方面进行了大量研究,但所采用的冻融试验方法几乎均基于相关试验标准[11-14],较少关注冻融试验方法差异对结果的影响,文献[15-17]研究表明降温速率、冻结温度等均可能导致混凝土冻融损伤相差较大.此外,我国幅员辽阔,冬季不同地区温差较大,对于不同地区的工程结构采用试验标准规定的单一冻融制度评定混凝土的抗冻性显然不是很合理.考虑到西安等部分地区,一月份平均最低气温为-5℃左右,为此,本文试将混凝土快速冻融试验法中试件的冻结温度由(-18±2)℃上调为(-5±2)℃进行冻融试验,并考虑冻融介质的影响,采用多种评价方法探讨了混凝土在较高冻结温度下水和盐冻融的性能,以期为我国部分冬暖显著地区混凝土结构抗冻融耐久性性能评测提供依据.

1 试验介绍

1.1 原材料及配合比

采用强度等级为C30,抗冻等级为F150的混凝土作为本文的研究对象.水泥为华新水泥股份有限公司生产的的P·O42.5.石子为粒径5～20 mm连续粒级且最大骨料粒径不超过20 mm的碎石,砂为Ⅱ区中砂,细度模数为2.9.减水剂为陕西秦奋建材有限公司生产的HPWR标准型高性能减水剂,引气剂采用SA-20型聚羧酸专用引气剂.

前期的试配和相关抗冻文献的研究表明,水胶比为0.5,含气量为3%的混凝土能够满足C30F150的要求,采用0.5水胶比,取混凝土的密度为2 400 kg/m3,水泥用量为390 kg/m3,采用质量法设计混凝土的配合比,通过调整减水剂和引气剂的用量使混凝土满足含气量要求和基本插捣要求,混凝土试件的配合比见表1.

表1 混凝土配合比

按水质不同,浇混凝土分为普通和盐浇两类,后者浇筑用水为同质量含3.5%NaCl的溶液.两类混凝土28 d标养立方体抗压强度平均值分别为35 MPa和36 MPa.

1.2 试件设计及分组

设计并成型两种尺寸的试件:100 mm×100 mm×400 mm的试件用于评测其质量、相对动弹性模量、超声波速随冻融循环次数的变化,分为4组(A、B、C、D),每组3个;另设计6个同尺寸试件用于硝酸银显色试验测试氯离子侵蚀面积.采用100 mm3立方体试件测试其劈拉强度损失率和氯离子扩散系数,与A、B两组同时冻融,每组21个.试验分组及冻融循环温度见表2.

表2 试件分组及冻融循环温度

1.3 试验方法

冻融循环试验采用上海砼瑞仪器设备有限公司生产的TDRF-2型风冷式混凝土快速冻融试验箱,参考《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的快冻法[11]进行.考虑到冻结温度为-5℃的冻融破坏可能不大,各损伤指标每50次冻融循环测试一次.

损伤指标测试时,试件的质量使用感量为0.1 g的电子台秤称量,动弹性模量采用DT-12W型动弹仪测试,超声波速使用NM-4A型非金属超声检测分析仪测试,劈拉强度试验依据《混凝土物理力学性能试验方法标准》[18]进行,混凝土的扩散系数采用NEL法[19]测量.NEL法测试试件尺寸为100 mm×100 mm×50 mm,由100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件采用水冷式切割制成.

2 试验结果及分析

2.1 无损指标检测结果

各组试件冻融循环150次后的宏观表象如图1所示.150次冻融循环后,各组试件冻融损伤均不太明显,A、B组试件表面无明显脱落,C、D组表面有轻微脱落.质量测试结果表明A组质量基本无变化,B组质量增加0.4%,C组质量损失为1%,D组质量损失为1.4%.B组试件质量增加,出现这种现象的原因可能为:由于盐的吸湿特性,使混凝土内渗透压增大,导致混凝土的饱和度增加[20],随着盐冻次数的增加,混凝土内饱和度继续增大[21],试件内水分增多导致其总质量的增加.C、D组由于内部含盐溶液,随着试件冻融损伤程度的增加,剥落量均不断增大,质量损失率均为正值.

各组试件的相对动弹性模量变化如图2所示.A、B、C组试件的变化曲线较为相近,150次冻融循环后相对动弹性模量分别下降至98.7%、98%和97.6%.D组试件相对动弹性模量损失最大,150次冻融循环后下降至94.8%,与质量损失表现出一致性.较文献[10]而言,盐与水冻融循环间的差异并没有标准冻融后大.

图1 各组试件150次冻融循环后宏观表象图

图2 不同试件相对动弹性模量

进一步分析各试件超声波速损失率,如图3所示.水冻融与盐冻融试件表现出较大的差异性,A组与C组曲线基本重合,150次冻融循环后超声波速未减小,且略有增大.B组与D组减小较为明显,150次冻融循环后超声波速损失率分别为3.07%和3.95%.

图3 不同试件超声波速损失率

综上,将B、C组各项无损检测指标进行对比分析,可知:①盐冻融或含盐试件冻融损伤程度明显高于不含盐、水冻试件;②同氯离子浓度水浇盐冻试件(B组)较盐浇水冻试件(C组)冻融损伤程度更大,说明外部环境含氯离子较内部掺氯离子对混凝土试件抗冻性影响更显著;③混凝土同时受到内外氯离子叠加作用,冻融损伤程度会更大,如D组,因此在不能避免外部氯离子环境下,对内部氯离子浓度的要求会更高,这是除氯离子会引起钢筋锈蚀外混凝土浇筑时严格控制氯离子含量的另一个重要原因[19].

考虑到在实际工程中,混凝土浇筑时对氯离子的控制十分严格,为此,对盐冻融(B组)与水冻融(A组)试件进一步进行对比分析.

2.2 劈拉强度损失率

在冻融循环过程中,每隔50次,取试件量测其劈裂截面的周长并假定试件表面均匀剥蚀,得出各组试件劈裂截面的平均面积,进而计算得出A、B组混凝土劈拉强度见表3,劈拉强度损失率如图4所示.

表3 -5℃水冻和盐冻下劈拉强度 (单位:MPa)

图4 不同试件劈拉强度损失率

由表3可知,前50次冻融循环内,水冻与盐冻环境下混凝土试件劈拉强度基本没有变化;之后,两类试件劈拉强度损失率均逐渐增大,且盐冻融环境下混凝土劈拉强度损失更快,150次冻融循环后,盐、水冻融试件劈拉强度分别损失19%和16%.

2.3 氯离子扩散系数增长率

采用NEL法测得各冻融损伤阶段A、B组混凝土氯离子变化如图5所示.可见,冻融循环100次内,两组试件氯离子扩散系数变化不大,冻融循环100次以后,氯离子扩散系数显著增大,且盐冻融试件增大率更高,分别增大到14.8%和24.8%.

综上可知,按标准方法设计抗冻次数为150次的试件,采用(-5±2)～(5±2)℃的冻融制度进行试验,冻融循环150次后,盐冻融或水冻融试件的多种抗冻性能评价指标均远未达到混凝土按照设计抗冻次数停止试验的标准[11-14].但是,考虑到盐冻融试件由于氯离子渗入可能引起钢筋锈蚀,为此进一步探讨盐冻融环境下氯离子的传输速率是否较相同浓度下盐溶液浸泡有明显增加.

图5 不同试件氯离子扩散系数增大率

2.4 氯离子侵蚀面积占比

评价氯离子在混凝土中侵蚀进程的试验方法,大多采用一维侵蚀法,即将非侵蚀面用环氧树脂等防水材料密封.考虑到本文试件氯离子测试是在冻融损伤后进行,无法采用一维侵蚀法评测,为此提出氯离子侵蚀面积占比法.具体试验步骤如下:

1)首先将盐冻融一定次数的试块取出清洗、擦干,并画好标记准备切割;

2)为了避免由于试件上下两头复杂的侵蚀情况导致试验结果不稳定,先切除试块上下两头各100 mm;

3)将余下尺寸的试块平均切割成4个尺寸为100 mm×100 mm×50 mm的待测试件,如图6所示;

图6 试件切割方式

4)参考文献[22],采用0.035 mol/L的硝酸银溶液喷洒在测试面上,待0.5～1 h化学反应基本结束、试件测试面也已干燥后,在试件测试面上用极细型记号笔画出变色边界;

5)使用上型固端物扫描仪[23]扫描试件测试面得到俯视图,软件自动计算两个闭合曲线所围的面积;

6)n次冻融循环后第i个切割试块的氯离子侵蚀面积占比按下式计算:

式中:ΔAni为试块的氯离子侵蚀面积占比(%),精确至0.1;A0为试块的外轮廓所围面积(当试件表面因冻融损伤产生剥蚀时,将100 mm×100 mm的硬纸板固定在相同尺寸的废试块上和测试试件同时扫描,如图7所示,然后用CAD计算出的硬纸板外轮廓所围面积代替);Ani为试块的显色边界所围面积.

图7 与100 mm×100 mm的硬纸板同时扫描的试件

取各试块的平均值作为该组混凝土试件的氯离子侵蚀面积占比.

为探讨盐冻融环境下氯离子的传输速率是否较相同浓度下盐溶液浸泡有明显增加,将-5℃盐冻融环境下混凝土试件与同时进行的室内正温自然浸泡环境下混凝土试件的氯离子侵蚀面积占比进行比较.

采用上述方法测得的盐冻和同步自然浸泡试件氯离子侵蚀面积占比如图8所示.

图8 盐冻和同步自然浸泡试件氯离子侵蚀面积占比

对比两类试件的氯离子扩散深度,如图8所示,100次冻融循环以内,盐冻融试件的更小,之后才出现陡增达到常温试件水平.究其原因,一方面是氯离子扩散系数变化,如图5所示,100次冻融循环后才增大;另一方面,有研究指出在负温条件下混凝土中氯离子传输极慢[24].综合导致150次冻融试验后,氯离子传输深度无明显增大.