對基于動彈性模量的海工混凝土抗凍損傷評價

陸春華，馮晨陽，平 安，楊鈺婷

(江蘇大學 土木工程與力學學院，江蘇 鎮江 212013)

處于我國東北，華北等寒冷地區的沿?；炷两Y構在其服役過程中往往受凍融循環作用的影響，導致其內部孔隙水結冰及體積膨脹，造成混凝土開裂甚至剝落[1]，嚴重影響混凝土結構的安全使用及長期壽命[2].因此，針對我國嚴寒地區的沿?；炷两Y構在凍融循環作用下的性能退化等相關問題，亟待進一步研究及有效解決.

國內外學者對凍融環境下混凝土性能退化進行了一定的試驗研究與理論分析.多數研究和規范以動彈性模量以及質量的變化作為混凝土凍融損傷的主要評價指標[3-4].Ge等[4]指出質量損失率和相對動彈性模量分別代表混凝土表面和內部的損傷程度.Zhang等[5]通過試驗發現混凝土的抗壓強度基本隨凍融次數線性下降.另有學者提出復摻摻合料的混凝土的抗壓強度較單摻混凝土更高[6].Ferreira等[7]提出隨凍融次數的增加，混凝土動彈性模量降低，進一步研究表明粉煤灰、高爐礦渣和納米SiO2均能有效提高混凝土的抗凍性[7-8].海工混凝土正是以礦物摻合料、改性材料、外加劑等組成的具有高耐久性、良好的工作性等特性的混凝土[9].因此，針對于凍融環境下海工混凝土的性能退化研究就顯得尤為重要.

鑒于此，本文以海工混凝土為研究對象，將不同配合比、不同凍融次數作為試驗變量，通過測定凍融循環作用后海工混凝土的質量、動彈性模量、抗壓強度和氯離子遷移系數，深入探討凍融循環作用下海工混凝土材料的退化規律；將動彈性模量損傷度分別與抗壓強度損失率與氯離子擴散系數聯系起來，提出用動彈性模量損傷度來衡量海工混凝土材料的抗凍性能.

1 試驗材料與方法

1.1 混凝土材料與配合比設計

表1 海工混凝土配合比及力學性能參數

表2 粉煤灰及礦粉的化學組成

1.2 試件設計

本試驗共澆筑了3種不同尺寸的海工混凝土試件，具體如下：

(1)凍損試件，主要用來測定凍融循環后混凝土試件的質量損失及相對動彈性模量；試件采用100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體(見圖1a)，每種配合比制作1組3個試件；

圖1 三種海工混凝土試件

(2)抗壓試件，主要用來測定凍融循環后混凝土的抗壓強度；由于受凍融箱試件盒尺寸的限制，抗壓試件采用100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊(見圖1b)，每種配合比制作3組(每組3個)抗壓試件；

(3)RCM(Rapid Chloride Migration)試件，主要用來測定凍融作用后混凝土的氯離子遷移系數；試件采用直徑100 mm、高為50 mm的圓柱體(見圖1c)，每種配合比制作5組(每組3個)RCM試件.

1.3 凍融試驗方案及性能評價

參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082—2009)[10]中的快凍法，采用CABR-HDK9型混凝土快速凍融試驗機開展水凍水融條件下的凍融試驗；在冷凍和融化過程中，測溫試件的中心溫度分別控制在-18±2 ℃和5±2 ℃范圍內，每次凍融循環在4 h內完成，共進行100次循環.

對于凍損試件，分別測定凍融循環0、25、50、75以及100次后試件的質量和橫向基頻(見圖2)，并以質量損失率ΔWn和動彈性模量損傷度DE來評價三類海工混凝土凍融損傷程度.對于抗壓試件，分別測定0、50以及100次循環后試塊的抗壓強度；對于RCM試件，分別測定0、25、50、75以及100次循環后試件的氯離子遷移系數(RCM試驗，見圖3)；最后以抗壓強度損失率Δfc以及氯離子遷移系數增長率ΔDRCM來評價受凍后海工混凝土性能退化情況.

圖2 橫向基頻測定

圖3 RCM試驗

2 試驗結果與分析

2.1 質量損失率

在凍融試驗過程中，每經歷25次循環后將凍損試件從試驗機中取出，清除試件表面浮渣并擦去表面積水后，觀察混凝土表面損傷并稱量試件的質量.與凍融前混凝土完好的表面形貌相比，凍融后混凝土表面的小坑蝕逐漸增多；50次凍融循環后，混凝土表面砂漿剝落程度開始加??；達到100次時，試件表層粗骨料開始脫落，甚至出現了角部缺失的現象.

參照規范GB/T 50082—2009[10]及文獻[3，5，11，12]，采用式(1)計算凍損試件的質量損失率ΔWn；最后取每組3個試件測定結果的算術平均值作為最終質量損失率.

ΔWn=(1-Wn/W0)×100%

(1)

式中：ΔWn為n次凍融循環后試件的質量損失率(%)；W0和Wn分別為凍融循環前和n次凍融循環后試件的質量(kg).

三類海工混凝土凍融循環后的質量及質量損失率如圖4所示.從圖4中可以看出：(1)三類海工混凝土試件的質量均隨凍融循環次數的增加而減少，質量損失率隨凍融循環次數的增加而增加；(2)當凍融循環次數小于50次時，試件的質量損失較為緩慢；當超過50次后，試件質量損失的增幅明顯增大，這說明當凍融循環次數超過50次后，凍融循環作用對混凝土造成的損傷逐步加??；(3)對比三類海工混凝土，可以看出在凍融循環次數相同的情況下，試件的質量損失率從大到小排列依次為F3S2>F2S3>F2S3N.其原因主要在于，雖然粉煤灰、礦粉等礦物摻合料都具有后期火山灰活性，但礦粉的火山灰活性要高于粉煤灰、且早于它發生二次水化反應，故F2S3混凝土的抗凍性優于F3S2混凝土；此外，納米SiO2具有高早期火山灰活性并能促進水泥的水化反應和粉煤灰的二次水化反應[13]，從而進一步提升了F2S3N混凝土的抗凍性.

圖4 凍融循環后凍損試件的質量分析

Hong等[14]認為混凝土的質量損失率與凍融循環次數呈現一定的線性關系.鑒于此，對本試驗三類海工混凝土的質量損失率ΔWn與凍融循環次數n進行線性擬合(結果見圖4b)，兩者的關系公式如下.

ΔWn=0.012 9n，R2=0.971

(2)

對比圖4(b)中試驗結果和擬合曲線來看，雖然線性擬合曲線的相關系數很高(R2=0.971)，但它不能反映質量損失率在不同凍融循環階段的變化特性；此外，對于不同種類的海工混凝土，需要考慮混凝土抗凍性的差異而分別進行擬合.

2.2 動彈性模量損傷度

規范GB/T 50082—2009[10]給出了快速凍融情況下混凝土動彈性模量E的計算公式，如公式(3)所示.考慮到凍融后E值的下降，可采用動彈性模量損傷度DE來評價混凝土的凍融損傷程度[11，15，16]，具體見公式(4).最后，同樣以三個試件的平均值作為試驗結果進行分析.

E=13.244×10-4×WL3f2/a4

(3)

式中：W為試件質量(kg)；L、a分別為試件的長和正方形截面的邊長(mm)；f分別為試件的橫向基頻(Hz).

DE=(1-En/E0)×100%

(4)

式中：En為n次凍融后混凝土動彈性模量(MPa)；E0為凍融前混凝土動彈性模量(MPa).

凍融循環后，三類海工混凝土的動彈性模量及其損傷度計算結果如圖5所示.從圖5中可以看出：(1)摻入納米SiO2后海工混凝土的動彈性模量顯著增大，其值約為未摻加時的1.8倍；(2)凍融循環次數小于25次時，DE相對較小，說明少量的凍融循環作用不足以對海工混凝土造成明顯的凍融損傷；而當凍融循環超過25次后，三類試件的DE明顯增大，說明內部損傷逐步積累、擴大；(3)對比三類海工混凝土試件，摻入適量納米SiO2的海工混凝土DE最??；(4)與凍融后混凝土的ΔWn相比，相同情況下DE更大，這說明凍融作用對混凝土造成的內部損傷較外部損傷更為嚴重，Ge等[4]也得到類似的結論.

Shang等[17]研究認為混凝土的動彈性模量損傷度DE與凍融循環次數n也存在線性關系；采用線性函數對上述試驗結果進行擬合分析(見圖5b)，相應的擬合公式如下.

DE=0.1207n，R2=0.953

(5)

與ΔWn的線性擬合結果相似，混凝土DE與凍融循環次數n之間的線性擬合也需要考慮不同凍融階段以及混凝土種類的影響.

2.3 抗壓強度損失率

對于邊長100的立方體抗壓試塊，可按規范GB/T 50081—2019[18]給出的方法(見下式(6))推算其150 mm標準立方體試塊抗壓強度fcu(MPa)，并取每組三個試件測定結果的算術平均值進行分析.這里，考慮到凍融后混凝土fcu的下降，參照文獻[2]，同樣提出用混凝土抗壓強度損失率Δfc(%)來評價混凝土的凍融損傷程度，具體見公式(7).

fcu=0.95F/A

(6)

式中：F為抗壓試塊的破壞荷載(N)；A為抗壓試塊的承壓面積(mm2).

Δfc=(1-fcu，n)/fcu，0)×100%

(7)

式中：fcu，0和fcu，n分別為凍融循環前和n次凍融循環后試塊的立方體抗壓強度(MPa).

圖6給出了凍融過程中三類海工混凝土的fcu及Δfc的變化情況.需要說明的是，考慮到大摻量礦物摻合料混凝土的水化進程相對較長，故凍融試驗是在試件養護90 d后進行的，此時測得凍融循環前三類海工混凝土的fcu分別為55.47 MPa、61.92 MPa和50.40 MPa，均高于表1中的28 d強度值.從圖6中還可以看出：在凍融循環50次前后，試件的Δfc由慢變快，說明隨凍融循環次數的增加，三類海工混凝土的凍融損傷程度逐步加快；同樣地，摻入適量納米SiO2的海工混凝土Δfc值最小.

圖6 凍融循環作用后試塊的抗壓強度分析

Zhang等[5]認為混凝土的抗壓強度損失率Δfc與凍融循環次數n之間也存在線性關系.經線性擬合，可得Δfc與n的擬合結果如下式(8)所示.

Δfc=0.143 1n，R2=0.965

(8)

2.4 氯離子遷移系數增長率

將完成一定凍融循環后的圓柱體試件進行RCM試驗[10]，并按下式(9)求得混凝土的非穩態氯離子遷移系數DRCM(m2/s)，同樣取三個試件測得的算術平均值進行分析.對比凍融前后混凝土DRCM值的變化，采用公式(10)來計算凍融后混凝土氯離子遷移系數增長率ΔDRCM(%)，以此來表達凍融作用對混凝土損傷及滲透性能影響.

(9)

式中：T為陽極溶液初始溫度與結束溫度的平均值(℃)；L為試塊厚度(mm)；U為電壓值(V)；t為試驗持續時間(h)；Xd為氯離子滲透深度(mm).

ΔDRCM=(DRCM，n/DRCM，0-1)×100%

(10)

式中：DRCM，0和DRCM，n分別為凍融循環前和n次后試塊的非穩態氯離子遷移系數DRCM(m2/s).

經計算，三類海工混凝土的DRCM和ΔDRCM隨凍融循環次數n的變化關系見圖7.由圖中結果可知，當凍融循環次數小于25次時，三類海工混凝土的氯離子遷移系數略有增長；而當凍融循環次數超過25次后，ΔDRCM值迅速增大；到100次凍融循環時，三類海工混凝土的ΔDRCM值在400%(F2S3N試件)～540%(F3S2試件)之間.上述結果表明，快速凍融循環次數達到25次后，海工混凝土抗氯離子滲透能力的下降速度逐步加大.

圖7 凍融循環作用后試塊的氯離子遷移系數分析

由圖7(b)給出的ΔDRCM和n的關系曲線可知，兩者也存在一定的線性關系.經線性擬合，兩者關系如下式(11)所示.從擬合結果和試驗結果對比來看，兩者的擬合效果較好(相關系數R2=0.959)，尤其是凍融循環超過50次后的情況.

ΔDRCM=4.379 4n，R2=0.959

(11)

3 基于動彈性模量損傷度分析受凍混凝土性能退化

一般而言，動彈性模量和質量的變化均可作為混凝土凍融損傷的評價指標.但從圖5和圖7中的結果對比可知，凍融循環作用下海工混凝土的質量損失率數值過小，容易造成一定的誤差，故本文選用動彈性模量損傷度DE作為混凝土凍融損傷的主要評價指標.

3.1 動彈性模量損傷度隨凍融循環次數的變化分析

已有研究表明，凍融作用下混凝土的動彈性模量損傷度DE與凍融循環次數n存在一定的關系，常見的有線性關系[5]、冪函數關系[15]、指數函數[15]、多項式關系[19]等.這里，分別采用上述關系對本文試驗結果進行回歸分析，結果如圖8所示.

圖8 DE與n之間關系模型

從圖8中可以看出，對于本文中的海工混凝土試件，采用冪函數來表達動彈性模量損傷度DE與凍融循環次數n之間的關系時效果最好.鑒于此，在本文試驗數據基礎上，又收集了現有文獻[5，19-23](均為摻有礦物摻合料的混凝土)共35個試驗結果，采用冪函數對DE與n關系進行擬合(見圖9)，結果見下式(12).可以看出，冪函數關系能較好地反映海工混凝土DE與n兩者之間的關系，擬合效果較好.

圖9 DE與n之間冪函數模型

DE=0.094 1n1.105 2，R2=0.873 9

(12)

3.2 動彈性模量損傷度與抗壓強度損失率的關系

對比圖5b和圖6b的相關結果，可以看出在相同凍融循環次數下，動彈性模量損傷度較低的海工混凝土，其抗壓強度損失率也較小，即受凍混凝土的性能退化與動彈性模量損傷度存在一定的對應關系.鑒于此，結合本文試驗及現有文獻[5，12，16，19，22-28]共49個試驗結果，對凍融作用下混凝土的抗壓強度損失率Δfc與動彈性模量損傷度DE之間的關系進行了分析，結果如圖10所示.

圖10 Δfc與DE之間的關系

從圖10中給出的Δfc與DE的對應關系來看，兩者之間存在較好的線性關系.經采用線性函數擬合，可得Δfc與DE的關系公式如式(13)所示.

Δfc=1.085 4DE，R2=0.973 4

(13)

從結果來看，兩者擬合效果很好(相關系數R2=0.973 4)，且關系系數接近1.0.這說明凍融循環作用后，混凝土的DE與Δfc兩者較接近，由此可見用Δfc也能很好的衡量混凝土的凍融損傷程度.

3.3 動彈性模量損傷度與氯離子遷移系數增長率的關系

相應地，基于本文試驗及現有文獻[5，7，29]共28個試驗結果，圖11給出了受凍混凝土的氯離子遷移系數增長率ΔDRCM與動彈性模量損傷度DE之間的關系.從圖11中不難看出，ΔDRCM的值隨損傷度DE的增大而逐漸增大，兩者之間呈現良好的線性關系.對圖11中結果進行線性擬合，可得到ΔDRCM與DE的關系公式，見式(14).

圖11 ΔDRCM與DE之間的關系

ΔDRCM=30.937 1DE，R2=0.911 7

(14)

從結果來看，兩者擬合效果也較好，說明凍融循環作用后混凝土的抗氯離子滲透性能的降低與其動彈性模量損傷度的增大有明顯的線性對應關系，也能很好地反映凍融作用引起的混凝土損傷程度.

4 結論

通過對三種配合比的海工混凝土進行了快速凍融試驗，研究了海工混凝土抗壓強度損失率、氯離子遷移系數增長率和動彈性模量損傷度的關系及動彈性模量損傷度隨凍融循環次數增長的退化規律，主要結論如下：

(1)凍融循環作用后，三種配合比的海工混凝土抗凍性能退化規律相似.將粉煤灰與礦粉的摻量從3∶2調整至2∶3，能提高海工混凝土的抗凍性能，且摻入納米SiO2可以進一步提高海工混凝土抗凍性能；究其原因，主要是礦粉會先于粉煤灰發生二次水化反應，增加礦粉含量可以生成更多C-S-H凝膠，填充微裂縫，提高抗凍性能；而納米SiO2的加入能促進水泥的水化反應及粉煤灰的二次水化反應，對提高抗凍性能有利；

(2)結合本文及已有的試驗結果，建立凍融循環次數與海工混凝土動彈性模量的冪函數關系，該關系相對于線性與指數關系，擬合精度更高；

(3)凍融循環作用后，海工混凝土的動彈性模量損傷度與抗壓強度損失率和氯離子遷移系數增長率存在較好的線性關系，其中抗壓強度損失率與動彈性模量損傷度兩者相接近，用抗壓強度損失率也能很好地衡量海工混凝土的凍融損傷程度.