混凝土劣化与有害孔洞的物理关系

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摘要：研究了混凝土性能劣化与冻胀损伤的关系，研究表明，混凝土性能劣化是混凝土力学性质因损伤所表现的衰减，混凝土性能劣化与冻胀损伤机理之间存在着一定的内在联系，这种联系具体反映在混凝土内部有害孔洞在冻胀过程中的发展。从物理形态的变化而言，有害孔洞尺寸与分布因冻胀而产生的改变将直接导致结构松散，而结构松散可以通过无损检测、抗压强度试验表现出来，由此结合细观孔结构试验，即可形成检测指标信号与细观孔洞结构变化之间的宏、细观对应关系，进而探讨细观孔洞结构的损伤变化对宏观性能的影响规律。最后得出结论：混凝土的宏观性能损伤与细观孔洞结构改变之间存在明显的对应关系。
关键词：混凝土损伤； 冻融循环；性能劣化； 细观孔洞结构 混凝土结构的耐久性已成为学术与工程研究的热点问题[1 ] 。文献[2 ]以不同的孔洞结构参数定义损伤变量(因子) . 本研究将混凝土置于冻融条件下通过无损检测及孔洞结构的测量，建立无损检测宏观性能指标与冻融损伤孔洞结构的对应关系及其损伤评估方法.1 研究方案 研究配制了C40 和C60 两个强度等级的混凝土，配合比见表1[ 3 ] . 试验方案的冻融制度参照《普通混凝土耐久性和长期性能试验方法( GBJ 82285) 》中的慢冻。 冻融循环制度如下：在- 15～ - 20 ℃下冻4 h ，然后在15～20 ℃的水中或盐溶液中融化4 h 为冻融1 次。 每个配比混凝土的冻融循环次数为300 次，每50 次冻融作为一个试验阶段对混凝土性能进行测试;为避免试件的不均匀性及试验数据的偶然性，每一配比混凝土的每个试验阶段的试件数量均为6 块. 冻融之前将试件浸泡于水中至恒重，冻融之后测试混凝土试件的抗压强度、超声波声速、动弹性模量与压汞法孔洞结构测试等.2 混凝土劣化与平均孔径、有害孔径的关系　　 Powers 提出的静水压假说、Power s 和Helmut h提出的渗透压假说从不同角度分析了孔洞水结冰扩展、进而导致混凝土冻融破坏机理[4 ] 。不论采用何种形式的假定分析，冻融所导致的混凝土结构损伤直至破坏的过程可视为其内部微孔洞的扩展。因混凝土孔洞结构分级包括无害孔级(孔径< 200 μm) 、少害孔级(孔径= 200 ～ 500μm) 、有害孔级(孔径= 500～2 000μm) 和多害孔级(孔径> 2 000μm) [5 ] ，故以平均孔径、比孔容表述抗压强度、无损检测信号与有害孔径的对应关系。2. 1 　平均孔径与劣化的关系 图1 (a) ～ (c) 分别给出了平均孔径与抗压强度损失率σ、超声波声速损失率δ、动弹性模量损失率ω的相互关系。反映了无论是普通混凝土(D-40 ，D-60) 还是高性能混凝土( H-40 ，H-60) ，抗压强度损失率、超声波声速损失率、动弹性模量损失率随冻融过程中平均孔径的变化均表现出显著地特征点现象。其特征点处信息表现为：a、冻融循环初期(50～100 次) 抗压强度损失率的增长较快，其中D-40 ，D-60 抗压强度损失率的增长速率显著地较H-40 ， H-60 的增长速率要快；b、冻融循环初期以后抗压强度损失率的增长速率均有降低，但H-40 ， H-60 的降低程度较D-40 ，D-60 显著；c、达到300 次冻融循环时，同等级混凝土(D-40 与H-40 ，D-60 与H-60) 比较，在平均孔径增加一个单位孔径(μm) 时普通混凝土抗压强度损失率是高性能混凝土的2～3 倍；d、对于D-40 ，D-60的超声波声速损失率、动弹性模量损失率在50～100 次冻融循环之后近似呈加速增长的趋势，而H-40 ，H-60 的增长趋势仅为前者的1/ 5～1/ 3。 有害级孔洞比孔容γ表达了单位质量混凝土中有害级孔洞(孔径= 500～2 000μm) 体积，有害级孔洞比孔容指标越大反映混凝土中有害级孔孔洞密度越高。因此图1 ( d) 给出大于直径500μm的有害级孔洞比孔容与平均孔径的相互关系。由图1 (d) 可见，D-40 ，D-60 与H-40 ，H-60 比较有显著的差异。其特点表现为：a。同等级比较，由于添加了高性能混凝土中的Ⅰ级粉煤灰，使得H-40 ，H-60 中平均孔径大大降低的同时初始有害级孔洞比孔容也随之减少； b. 在冻融循环过程中，D-40 ，D-60 的有害孔比孔容随平均孔径的变化显著高于H-40 ， H-60 ，并且在循环次数增加D-40 ，D-60 中的有害级孔洞随平均孔径加速增长，而H-40 ，H-60 中的有害级孔洞增长极慢。由此说明，由于在H-40 ， H-60 中添加的引气剂使得混凝土中得孔洞更加细小、分布更均匀，从而提高其抗冻性。 本次试验中的另一个现象是D-60 的平均孔径大于H-40。在图1 (a) ～ (d) 中也反映出随冻融循环次数增加时相关检测信号变化规律的差异。以抗压强度损失率σ变化而言，二者的变化规律基本相似，但在抗压强度损失率均为10 %时(相当于冻融循环300 次) ，D-60 的平均孔径增加了约14. 4 % ，而H-40 只增加9 %。而同时期的超声波声速损失率、动弹性模量损失率与有害孔比孔容的变化规律不同于抗压强度损失率。主要差异表现为H-40 的超声波声速损失率、动弹性模量损失率与有害孔比孔容随平均孔径基本上呈直线变化，而D-60 的特点是在冻融循环初期(50～100次) 超声波声速与动弹性模量损失率的变化及有害孔比孔容的增加幅度均不显著，但在此之后三种检测数据均呈加速增长。
上述试验数据的分析有两点值得总结。其一是高性能混凝土含有引气剂、粉煤灰、胶结料，它们的作用在于充填混凝土中骨料周边因水泥水化作用产生的孔洞、水泥浆体中的细小孔洞分布均匀化. 因此，在冻融过程中孔洞水的结冰集中在有害孔级孔洞之中(见图1 ( d) ) ，从而使得D-60 的超声波声速与动弹性模量损失率随平均孔径的增长显著高于H-40。 由此说明H-40 有较D-60 高的抗冻性。其二是就检测方法而言，超声波、动弹性模量对冻融过程中的性能劣化有较敏感信号反应，特别是有害孔级孔洞的增长，这一特点在图2中得到了较好展现并具有类似于图1 (a) 的特点。 2. 2 　总比孔容与劣化的关系 类似于比孔容，总比孔容则是表达单位质量混凝土中的所有孔洞体积。总比孔容指标越大反映混凝土中整体孔洞密度越高。从图3 中可见无论普通或高性能混凝土，等级越高则总比孔容越大，孔洞含量越高(即所占据的体积越大) ，这是否意味着混凝土强度等级越高，其抗冻耐久性越低呢？然而根据抗压强度损失率、超声波声速损失率、动弹性模量损失率与有害孔级比孔容和总比孔容的对应关系证明其恰好相反。对于普通混凝土而言(图3 (a) ) ，抗压强度损失率的变化在冻融循环50～100 次以内较大于100 次要快，达到300次循环时，D240 的抗压强度损失率较D-60 提高了1. 5 倍以上，同时D240 总比孔容增加超过1. 0倍，而D-60 总比孔容仅增加20 %左右. 类似对于H-40 ，H-60 ，达到300 次循环时， H-40 的抗压强度损失率较H-60 提高了1. 0 倍左右， H-40 总比孔容增加超过2. 0 倍，而H-60 总比孔容仅增加15 %左右。类似的规律在图3 ( b) ～ (d) 中均有体现。应当特别说明的是图3 (d) 所示的有害孔比孔容与总比孔容的关系。对于冻融循环过程中D-40 ，D-60 而言，总比孔容的增长主要来源于有害孔比孔容的增加，而H-40 ， H-60 由于引气剂、粉煤灰对孔洞孔径及分布的均匀化作用，冻融循环作用对于微细小孔洞的体积增加并不明显，而初始有害孔洞较少，因此使得有害孔比孔容仅增加1 %～2 %。由此进一步说明，混凝土等级的提高、引气剂与粉煤灰的添加有利于抗冻耐久性的提高。

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