混凝土劣化與有害孔洞的物理關系
2006-05-07 00:00
摘要：研究了混凝土性能劣化與凍脹損傷的關系，研究表明，混凝土性能劣化是混凝土力學性質因損傷所表現的衰減，混凝土性能劣化與凍脹損傷機理之間存在著一定的內在聯系，這種聯系具體反映在混凝土內部有害孔洞在凍脹過程中的發展。從物理形態的變化而言，有害孔洞尺寸與分布因凍脹而產生的改變將直接導致結構松散，而結構松散可以通過無損檢測、抗壓強度試驗表現出來，由此結合細觀孔結構試驗，即可形成檢測指標信號與細觀孔洞結構變化之間的宏、細觀對應關系，進而探討細觀孔洞結構的損傷變化對宏觀性能的影響規律。最后得出結論：混凝土的宏觀性能損傷與細觀孔洞結構改變之間存在明顯的對應關系。
關鍵詞：混凝土損傷； 凍融循環；性能劣化； 細觀孔洞結構
混凝土結構的耐久性已成為學術與工程研究的熱點問題[1 ] 。文獻[2 ]以不同的孔洞結構參數定義損傷變量(因子) . 本研究將混凝土置于凍融條件下通過無損檢測及孔洞結構的測量，建立無損檢測宏觀性能指標與凍融損傷孔洞結構的對應關系及其損傷評估方法.
1 研究方案
研究配制了C40 和C60 兩個強度等級的混凝土，配合比見表1[ 3 ] . 試驗方案的凍融制度參照《普通混凝土耐久性和長期性能試驗方法( GBJ 82285) 》中的慢凍。 凍融循環制度如下：在- 15～ - 20 ℃下凍4 h ，然后在15～20 ℃的水中或鹽溶液中融化4 h 為凍融1 次。
每個配比混凝土的凍融循環次數為300 次，每50 次凍融作為一個試驗階段對混凝土性能進行測試;為避免試件的不均勻性及試驗數據的偶然性，每一配比混凝土的每個試驗階段的試件數量均為6 塊. 凍融之前將試件浸泡于水中至恒重，凍融之后測試混凝土試件的抗壓強度、超聲波聲速、動彈性模量與壓汞法孔洞結構測試等.
2 混凝土劣化與平均孔徑、有害孔徑的關系
Powers 提出的靜水壓假說、Power s 和Helmut h提出的滲透壓假說從不同角度分析了孔
洞水結冰擴展、進而導致混凝土凍融破壞機理[4 ] 。不論采用何種形式的假定分析，凍融所導致的混凝土結構損傷直至破壞的過程可視為其內部微孔洞的擴展。因混凝土孔洞結構分級包括無害孔級(孔徑< 200 μm) 、少害孔級(孔徑= 200 ～ 500μm) 、有害孔級(孔徑= 500～2 000μm) 和多害孔級(孔徑> 2 000μm) [5 ] ，故以平均孔徑、比孔容表述抗壓強度、無損檢測信號與有害孔徑的對應關系。
2. 1 平均孔徑與劣化的關系
圖1 (a) ～ (c) 分別給出了平均孔徑與抗壓強度損失率σ、超聲波聲速損失率δ、動彈性模量損失率ω的相互關系。反映了無論是普通混凝土(D-40 ，D-60) 還是高性能混凝土( H-40 ，H-60) ，抗壓強度損失率、超聲波聲速損失率、動彈性模量損失率隨凍融過程中平均孔徑的變化均表現出顯著地特征點現象。其特征點處信息表現為：a、凍融循環初期(50～100 次) 抗壓強度損失率的增長較快，其中D-40 ，D-60 抗壓強度損失率的增長速率顯著地較H-40 ， H-60 的增長速率要快；b、凍融循環初期以后抗壓強度損失率的增長速率均有降低，但H-40 ， H-60 的降低程度較D-40 ，D-60 顯著；c、達到300 次凍融循環時，同等級混凝土(D-40 與H-40 ，D-60 與H-60) 比較，在平均孔徑增加一個單位孔徑(μm) 時普通混凝土抗壓強度損失率是高性能混凝土的2～3 倍；d、對于D-40 ，D-60的超聲波聲速損失率、動彈性模量損失率在50～100 次凍融循環之后近似呈加速增長的趨勢，而H-40 ，H-60 的增長趨勢僅為前者的1/ 5～1/ 3。
有害級孔洞比孔容γ表達了單位質量混凝土中有害級孔洞(孔徑= 500～2 000μm) 體積，有害級孔洞比孔容指標越大反映混凝土中有害級孔孔洞密度越高。因此圖1 ( d) 給出大于直徑500μm的有害級孔洞比孔容與平均孔徑的相互關系。由圖1 (d) 可見，D-40 ，D-60 與H-40 ，H-60 比較有顯著的差異。其特點表現為：a。同等級比較，由于添加了高性能混凝土中的Ⅰ級粉煤灰，使得H-40 ，H-60 中平均孔徑大大降低的同時初始有害級孔洞比孔容也隨之減少； b. 在凍融循環過程中，D-40 ，D-60 的有害孔比孔容隨平均孔徑的變化顯著高于H-40 ， H-60 ，并且在循環次數增加D-40 ，D-60 中的有害級孔洞隨平均孔徑加速增長，而H-40 ，H-60 中的有害級孔洞增長極慢。由此說明，由于在H-40 ， H-60 中添加的引氣劑使得混凝土中得孔洞更加細小、分布更均勻，從而提高其抗凍性。
本次試驗中的另一個現象是D-60 的平均孔徑大于H-40。在圖1 (a) ～ (d) 中也反映出隨凍融循環次數增加時相關檢測信號變化規律的差異。以抗壓強度損失率σ變化而言，二者的變化規律基本相似，但在抗壓強度損失率均為10 %時(相當于凍融循環300 次) ，D-60 的平均孔徑增加了約14. 4 % ，而H-40 只增加9 %。而同時期的超聲波聲速損失率、動彈性模量損失率與有害孔比孔容的變化規律不同于抗壓強度損失率。主要差異表現為H-40 的超聲波聲速損失率、動彈性模量損失率與有害孔比孔容隨平均孔徑基本上呈直線變化，而D-60 的特點是在凍融循環初期(50～100次) 超聲波聲速與動彈性模量損失率的變化及有害孔比孔容的增加幅度均不顯著，但在此之后三種檢測數據均呈加速增長。
上述試驗數據的分析有兩點值得總結。其一是高性能混凝土含有引氣劑、粉煤灰、膠結料，它們的作用在于充填混凝土中骨料周邊因水泥水化作用產生的孔洞、水泥漿體中的細小孔洞分布均勻化. 因此，在凍融過程中孔洞水的結冰集中在有害孔級孔洞之中(見圖1 ( d) ) ，從而使得D-60 的超聲波聲速與動彈性模量損失率隨平均孔徑的增長顯著高于H-40。 由此說明H-40 有較D-60 高的抗凍性。其二是就檢測方法而言，超聲波、動彈性模量對凍融過程中的性能劣化有較敏感信號反應，特別是有害孔級孔洞的增長，這一特點在圖2中得到了較好展現并具有類似于圖1 (a) 的特點。
2. 2 總比孔容與劣化的關系
類似于比孔容，總比孔容則是表達單位質量混凝土中的所有孔洞體積。總比孔容指標越大反映混凝土中整體孔洞密度越高。從圖3 中可見無論普通或高性能混凝土，等級越高則總比孔容越大，孔洞含量越高(即所占據的體積越大) ，這是否意味著混凝土強度等級越高，其抗凍耐久性越低呢？然而根據抗壓強度損失率、超聲波聲速損失率、動彈性模量損失率與有害孔級比孔容和總比孔容的對應關系證明其恰好相反。對于普通混凝土而言(圖3 (a) ) ，抗壓強度損失率的變化在凍融循環50～100 次以內較大于100 次要快，達到300次循環時，D240 的抗壓強度損失率較D-60 提高了1. 5 倍以上，同時D240 總比孔容增加超過1. 0倍，而D-60 總比孔容僅增加20 %左右. 類似對于H-40 ，H-60 ，達到300 次循環時， H-40 的抗壓強度損失率較H-60 提高了1. 0 倍左右， H-40 總比孔容增加超過2. 0 倍，而H-60 總比孔容僅增加15 %左右。類似的規律在圖3 ( b) ～ (d) 中均有體現。應當特別說明的是圖3 (d) 所示的有害孔比孔容與總比孔容的關系。對于凍融循環過程中D-40 ，D-60 而言，總比孔容的增長主要來源于有害孔比孔容的增加，而H-40 ， H-60 由于引氣劑、粉煤灰對孔洞孔徑及分布的均勻化作用，凍融循環作用對于微細小孔洞的體積增加并不明顯，而初始有害孔洞較少，因此使得有害孔比孔容僅增加1 %～2 %。由此進一步說明，混凝土等級的提高、引氣劑與粉煤灰的添加有利于抗凍耐久性的提高。
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