混凝土劣化與有害孔洞的物理關(guān)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(guān)系，研究表明，混凝土性能劣化是混凝土力學(xué)性質(zhì)因損傷所表現(xiàn)的衰減，混凝土性能劣化與凍脹損傷機(jī)理之間存在著一定的內(nèi)在聯(lián)系，這種聯(lián)系具體反映在混凝土內(nèi)部有害孔洞在凍脹過程中的發(fā)展。從物理形態(tài)的變化而言，有害孔洞尺寸與分布因凍脹而產(chǎn)生的改變將直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)松散，而結(jié)構(gòu)松散可以通過無損檢測(cè)、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)表現(xiàn)出來，由此結(jié)合細(xì)觀孔結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，即可形成檢測(cè)指標(biāo)信號(hào)與細(xì)觀孔洞結(jié)構(gòu)變化之間的宏、細(xì)觀對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而探討細(xì)觀孔洞結(jié)構(gòu)的損傷變化對(duì)宏觀性能的影響規(guī)律。最后得出結(jié)論：混凝土的宏觀性能損傷與細(xì)觀孔洞結(jié)構(gòu)改變之間存在明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
關(guān)鍵詞：混凝土損傷； 凍融循環(huán)；性能劣化； 細(xì)觀孔洞結(jié)構(gòu)
混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性已成為學(xué)術(shù)與工程研究的熱點(diǎn)問題[1 ] 。文獻(xiàn)[2 ]以不同的孔洞結(jié)構(gòu)參數(shù)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(cè)及孔洞結(jié)構(gòu)的測(cè)量，建立無損檢測(cè)宏觀性能指標(biāo)與凍融損傷孔洞結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)關(guān)系及其損傷評(píng)估方法.
1 研究方案
研究配制了C40 和C60 兩個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，配合比見表1[ 3 ] . 試驗(yàn)方案的凍融制度參照《普通混凝土耐久性和長期性能試驗(yàn)方法( GBJ 82285) 》中的慢凍。 凍融循環(huán)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(gè)配比混凝土的凍融循環(huán)次數(shù)為300 次，每50 次凍融作為一個(gè)試驗(yàn)階段對(duì)混凝土性能進(jìn)行測(cè)試;為避免試件的不均勻性及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的偶然性，每一配比混凝土的每個(gè)試驗(yàn)階段的試件數(shù)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(cè)試混凝土試件的抗壓強(qiáng)度、超聲波聲速、動(dòng)彈性模量與壓汞法孔洞結(jié)構(gòu)測(cè)試等.
2 混凝土劣化與平均孔徑、有害孔徑的關(guān)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(jié)冰擴(kuò)展、進(jìn)而導(dǎo)致混凝土凍融破壞機(jī)理[4 ] 。不論采用何種形式的假定分析，凍融所導(dǎo)致的混凝土結(jié)構(gòu)損傷直至破壞的過程可視為其內(nèi)部微孔洞的擴(kuò)展。因混凝土孔洞結(jié)構(gòu)分級(jí)包括無害孔級(jí)(孔徑< 200 μm) 、少害孔級(jí)(孔徑= 200 ～ 500μm) 、有害孔級(jí)(孔徑= 500～2 000μm) 和多害孔級(jí)(孔徑> 2 000μm) [5 ] ，故以平均孔徑、比孔容表述抗壓強(qiáng)度、無損檢測(cè)信號(hào)與有害孔徑的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
2. 1 平均孔徑與劣化的關(guān)系
圖1 (a) ～ (c) 分別給出了平均孔徑與抗壓強(qiáng)度損失率σ、超聲波聲速損失率δ、動(dòng)彈性模量損失率ω的相互關(guān)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(qiáng)度損失率、超聲波聲速損失率、動(dòng)彈性模量損失率隨凍融過程中平均孔徑的變化均表現(xiàn)出顯著地特征點(diǎn)現(xiàn)象。其特征點(diǎn)處信息表現(xiàn)為：a、凍融循環(huán)初期(50～100 次) 抗壓強(qiáng)度損失率的增長較快，其中D-40 ，D-60 抗壓強(qiáng)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(huán)初期以后抗壓強(qiáng)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(dá)到300 次凍融循環(huán)時(shí)，同等級(jí)混凝土(D-40 與H-40 ，D-60 與H-60) 比較，在平均孔徑增加一個(gè)單位孔徑(μm) 時(shí)普通混凝土抗壓強(qiáng)度損失率是高性能混凝土的2～3 倍；d、對(duì)于D-40 ，D-60的超聲波聲速損失率、動(dòng)彈性模量損失率在50～100 次凍融循環(huán)之后近似呈加速增長的趨勢(shì)，而H-40 ，H-60 的增長趨勢(shì)僅為前者的1/ 5～1/ 3。
有害級(jí)孔洞比孔容γ表達(dá)了單位質(zhì)量混凝土中有害級(jí)孔洞(孔徑= 500～2 000μm) 體積，有害級(jí)孔洞比孔容指標(biāo)越大反映混凝土中有害級(jí)孔孔洞密度越高。因此圖1 ( d) 給出大于直徑500μm的有害級(jí)孔洞比孔容與平均孔徑的相互關(guān)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(diǎn)表現(xiàn)為：a。同等級(jí)比較，由于添加了高性能混凝土中的Ⅰ級(jí)粉煤灰，使得H-40 ，H-60 中平均孔徑大大降低的同時(shí)初始有害級(jí)孔洞比孔容也隨之減少； b. 在凍融循環(huán)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(huán)次數(shù)增加D-40 ，D-60 中的有害級(jí)孔洞隨平均孔徑加速增長，而H-40 ，H-60 中的有害級(jí)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(xì)小、分布更均勻，從而提高其抗凍性。
本次試驗(yàn)中的另一個(gè)現(xiàn)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(huán)次數(shù)增加時(shí)相關(guān)檢測(cè)信號(hào)變化規(guī)律的差異。以抗壓強(qiáng)度損失率σ變化而言，二者的變化規(guī)律基本相似，但在抗壓強(qiáng)度損失率均為10 %時(shí)(相當(dāng)于凍融循環(huán)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(shí)期的超聲波聲速損失率、動(dòng)彈性模量損失率與有害孔比孔容的變化規(guī)律不同于抗壓強(qiáng)度損失率。主要差異表現(xiàn)為H-40 的超聲波聲速損失率、動(dòng)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(diǎn)是在凍融循環(huán)初期(50～100次) 超聲波聲速與動(dòng)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(cè)數(shù)據(jù)均呈加速增長。
上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析有兩點(diǎn)值得總結(jié)。其一是高性能混凝土含有引氣劑、粉煤灰、膠結(jié)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(chǎn)生的孔洞、水泥漿體中的細(xì)小孔洞分布均勻化. 因此，在凍融過程中孔洞水的結(jié)冰集中在有害孔級(jí)孔洞之中(見圖1 ( d) ) ，從而使得D-60 的超聲波聲速與動(dòng)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(cè)方法而言，超聲波、動(dòng)彈性模量對(duì)凍融過程中的性能劣化有較敏感信號(hào)反應(yīng)，特別是有害孔級(jí)孔洞的增長，這一特點(diǎn)在圖2中得到了較好展現(xiàn)并具有類似于圖1 (a) 的特點(diǎn)。
2. 2 總比孔容與劣化的關(guān)系
類似于比孔容，總比孔容則是表達(dá)單位質(zhì)量混凝土中的所有孔洞體積?？偙瓤兹葜笜?biāo)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(jí)越高則總比孔容越大，孔洞含量越高(即所占據(jù)的體積越大) ，這是否意味著混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高，其抗凍耐久性越低呢？然而根據(jù)抗壓強(qiáng)度損失率、超聲波聲速損失率、動(dòng)彈性模量損失率與有害孔級(jí)比孔容和總比孔容的對(duì)應(yīng)關(guān)系證明其恰好相反。對(duì)于普通混凝土而言(圖3 (a) ) ，抗壓強(qiáng)度損失率的變化在凍融循環(huán)50～100 次以內(nèi)較大于100 次要快，達(dá)到300次循環(huán)時(shí)，D240 的抗壓強(qiáng)度損失率較D-60 提高了1. 5 倍以上，同時(shí)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(duì)于H-40 ，H-60 ，達(dá)到300 次循環(huán)時(shí)， H-40 的抗壓強(qiáng)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(guī)律在圖3 ( b) ～ (d) 中均有體現(xiàn)。應(yīng)當(dāng)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(guān)系。對(duì)于凍融循環(huán)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(duì)孔洞孔徑及分布的均勻化作用，凍融循環(huán)作用對(duì)于微細(xì)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(jìn)一步說明，混凝土等級(jí)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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