低熱混凝土與中熱混凝土抗凍性能及孔隙特征的對比研究

混凝土是工程領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的材料，中國年均混凝土生產(chǎn)量高達(dá)120億噸，占全世界年均混凝土生產(chǎn)量的40%?；炷劣赡z凝材料、骨料、水及外加劑在水化反應(yīng)作用下形成，在水化過程中混凝土釋放大量水化熱，其最高溫度可達(dá)50~70℃。混凝土外表面與內(nèi)部間溫差導(dǎo)致混凝土內(nèi)外部應(yīng)力不均，混凝土內(nèi)部出現(xiàn)裂縫，嚴(yán)重威脅結(jié)構(gòu)的壽命安全。降低溫升是緩解混凝土內(nèi)部裂縫演化的關(guān)鍵，特別是對于大壩等大體積混凝土結(jié)構(gòu)，降低水化熱是改善結(jié)構(gòu)隱患最簡單有效的方法。寒冷及高寒地區(qū)的混凝土大壩長期遭受凍融循環(huán)作用，混凝土壩內(nèi)的熱應(yīng)力具有獨(dú)特的分布規(guī)律。大量研究表明，凍融循環(huán)作用降低大壩混凝土強(qiáng)度，增加其滲透性，顯著影響大壩結(jié)構(gòu)的運(yùn)行安全。因此，研究凍融循環(huán)作用對寒冷地區(qū)混凝土大壩的影響具有重要意義，本文著重分析低熱混凝土在凍融循環(huán)作用下宏細(xì)觀性能的發(fā)展，從孔隙演化角度探明低熱混凝土抗?jié)B性能與抗凍性能得以改善的機(jī)理。1、試驗方法本研究制備的試件包括低熱混凝土與中熱混凝土兩組，兩組混凝土的配合比相同，見表1。試件均為100mm×100mm×100mm標(biāo)準(zhǔn)立方體試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28d后進(jìn)行力學(xué)試驗、快速凍融循環(huán)試驗與孔隙試驗。快速凍融循環(huán)試驗參照GB/T50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，分別對0次、10次、25次、50次、75次和100次凍融循環(huán)后試件的相對動彈性模量與質(zhì)量損失率進(jìn)行測試。表1混凝土配合比

kg/m32、試驗結(jié)果2.1抗凍性能圖1為低熱混凝土和中熱混凝土凍融循環(huán)試驗結(jié)果。從圖1中可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，兩組試件的相對動彈性模量逐漸減小，且中熱混凝土的減小程度均大于低熱混凝土。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為44次時，中熱混凝土達(dá)到凍融破壞，而低熱混凝土的相對動彈性模量為75%，最終低熱混凝土經(jīng)過65次凍融循環(huán)后失去了抗凍性。當(dāng)相對動彈性模量達(dá)到60%后，中熱混凝土的凍融破壞發(fā)展較快，而低熱混凝土的凍融破壞則較為緩慢且穩(wěn)定。在圖1b中，兩組試件的質(zhì)量損失率隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增加，且在凍融循環(huán)早期增加更為明顯。中熱混凝土和低熱混凝土的最大抗凍融循環(huán)次數(shù)分別為64次和88次。在凍融循環(huán)的前10個周期中，兩組的相對動彈性模量和質(zhì)量損失的差異不明顯，且隨著凍融循環(huán)的進(jìn)行，差異越來越大。因此，低熱混凝土可以顯著提高混凝土的抗凍融性能，特別是在長期凍融循環(huán)條件下。圖1抗凍性能試驗結(jié)果2.2壓汞試驗的進(jìn)退汞曲線特征及孔分布情況本試驗研究低熱和中熱混凝土的孔隙特征，根據(jù)進(jìn)退汞曲線來分析孔型以及孔隙的連通性。低熱混凝土的孔隙度為14.963%，中熱混凝土的孔隙度為19.492%。由圖2可知，中熱混凝土的孔隙連通性要高于低熱混凝土，其進(jìn)汞曲線近乎一條直線。同時根據(jù)退汞曲線可以間接評估開放孔的含量，中熱水泥的開放孔含量要高于低熱混凝土，而開放孔為水的侵入提供了主要路徑。好的連通性和較多的開放性孔對混凝土的抗水性都是不利的，這也說明低熱水泥更適合應(yīng)用在水工領(lǐng)域。圖3為相同養(yǎng)護(hù)條件下低熱和中熱混凝土孔體積對應(yīng)孔徑曲線。經(jīng)對比可以得到小于100nm的孔隙分布情況是相近的，在孔徑大于100nm時，低熱混凝土的孔體積要低于中熱混凝土。對于1?000nm以上的大孔，中熱混凝土的含量明顯高于低熱混凝土。圖2壓汞曲線對比圖3孔體積分布2.3液氮試驗的吸附解吸曲線砂漿基體試樣的等溫吸附/解吸曲線如圖4所示。根據(jù)IUPAC標(biāo)準(zhǔn)，滯后回線為H4型類似。N2吸附分支傾向于單層-多層自由吸附。首先在孔隙表面進(jìn)行單分子吸附，然后進(jìn)行多分子吸附，最后進(jìn)入毛細(xì)管冷凝階段。對于吸附分支，主要是在相對壓力較低的部分（P/P0<0.3）進(jìn)行多層吸附。由于中孔和大孔吸附過程中的毛細(xì)管縮聚作用，隨著P/P0的增大，曲線又開始上升。在圖4中，兩個試樣的等溫解吸曲線在P/P0=0.95~0.99范圍內(nèi)急劇下降。隨著P/P0的減小，分離現(xiàn)象越來越明顯。在P/P0=0.45~0.50，由于蒸發(fā)作用和氣體分子在孔隙表面的解吸作用，解吸曲線明顯下降。在相對壓力較低的區(qū)域，解吸分支穩(wěn)定下降，與吸附分支重合。需要指出的是多層吸附在P/P0=0.3處結(jié)束。低熱試件的最大吸附量高于中熱試件，低熱混凝土的微孔含量較高。兩組試件解吸支均有明顯的垂直變化，中熱試件更為明顯。這反映了低熱混凝土相比中熱試件存在較少的墨水瓶孔隙。圖4液氮曲線對比圖5為BJH模型和DFT模型計算的孔徑分布。BJH模型主要關(guān)注中孔和部分大孔（<150nm）的孔徑分布。兩個試件的孔徑分布均呈單峰分布。低熱試件和中熱試件的最可能孔徑分別為3.01~3.43nm和2.37~2.49nm。DFT模型適用于描述較小介孔（2~30nm）和微孔的分布。結(jié)果表明：所有試樣的主要孔隙均為3nm左右的微孔，兩組試樣的孔徑分布非常相似，整體上低熱試件的微孔發(fā)育得更好。通過表面分形分析，進(jìn)一步探討兩組試樣的微觀差異和孔隙結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性。圖5孔體積分布3、討論Frenkel–Halsey–Hill（FHH）模型被公認(rèn)為對評價多孔材料表面特征的有效可靠方法。本研究采用FHH模型來評價孔隙表面的粗糙度和復(fù)雜性。ln（V/V0）與ln（ln（P0/P））的對數(shù)圖可以從液氮吸附的數(shù)據(jù)得到。如圖6所示，所有的點(diǎn)通常在ln（ln（P0/P））=-0.50處劃分為兩條線段。其中-0.5值對應(yīng)的是直徑約為5nm的孔。為表示不同方面的孔隙特征，將兩個不同的線性區(qū)間分別表示為低壓和高壓下不同液氮吸附機(jī)制的結(jié)果。通過對兩部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，可以得到分形維數(shù)D1和D2。D1為直徑小于5nm的單分子層孔覆蓋，D2為中孔和大孔（>5nm）的多層孔覆蓋。通過對整個壓力段的線性回歸得到平均分形維數(shù)（D）來評價孔隙結(jié)構(gòu)的整體非均質(zhì)性。D1和D2的取值范圍為2~3。D1的值越小表示表面越光滑，D2的值越小表明孔徑分布范圍越窄。由圖6可以明顯得到低熱試件小于5nm的孔表面是更加粗糙的，對于中孔和大孔（>5nm），其發(fā)育良好，有較大范圍的分布且更加復(fù)雜。整體上，低熱試件的孔隙表面更為復(fù)雜，這將增加液體的滲徑，直接影響到混凝土的抗?jié)B性，并且低熱混凝土的少害孔（<100nm）含量高于中熱混凝土，而有害孔（>100nm）含量明顯低于中熱混凝土，在快速凍融過程中，由于低熱混凝土較好的孔隙結(jié)構(gòu)使得水力膨脹引起的劣化得到了抑制。圖6N2吸附等溫線