孔结构对混凝土抗冻性能影响规律研究进展.pdf
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1、2 0 1 4年 第 9期 (总 第 2 9 9 期 ) Nu mb 9 i n 2 0 1 4 ( T o t a l No 2 9 9 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEORETI CAL RES EARCH d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 4 0 9 0 0 7 孔结构对混凝土抗冻性能影响规律研究进展 张萍 , 。袁翠平 z ,闫西乐 。秦鸿根 , 庞超明 ( 1 东南大学 材料科学与工程学院 江苏省土木工程材料重点实验室,江苏 南京 2 1 1 1 8 9 ; 2 南京市水利规划设计院有
2、限责任公司,江苏 南京 2 1 0 0 1 2 ) 摘要: 对近年来混凝土抗冻性能研究工作中与孔结构相关的内容进行了总结 , 评述了孔结构常用表征参数、 现行规范对孑 L 结 构的控制要求 、 冻融过程中孔结构演变过程研究, 并分析 了目前常用测试方法存在的问题 。 在此基础上对抗冻混凝土孑 L 结构的研 究提 出了建议。 关键词 : 混凝土 ;抗冻性能 ;孔结构;测试方法 中图分类号 : T U 5 2 8 0 l 文献标志码 : A 文章编号: 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 0 9 0 0 2 6 0 4 Re v i e w o f t h e i n f l
3、u e n c e o f p o r e s t r u c t ur e s o n t h e f r o s t r e s i s t a n c e o f c on c r e t e Z - AN GP in g , Y U A NC u ip i n g , Y A NXi l e , Q I NH o n g g e n , P A N GC h a o mi n g ( 1 S c h o o l o f Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g , S o u t h e a s t U n i
4、 v e r s i t y , J i a n g s u K e y L a b o r a t o r y o f C i v i l E n g i n e e r i n g Ma t e r i a l , Na n i i n g 2 1 1 1 8 9 , C h i n a ; 2 N a n j i n g Wa t e r P l a n n i n g a n d De s i g n i n g I n s t i t u t e C o L i d , N a n j i n g 2 1 0 0 1 2 , C h i n a ) Abs t r a ct : Th
5、e r e s e a r c h de v e l o pme n t o f po r e s t r u c t u r e s in fro s t r e s i s t a n c e s t u d y o f c o n c r e t e wa s s u mma r i z e dThe c o mmo n c h a r a c t e r i z a t i o n para me t e r s , t he r e q ui r e me nt s o f c u r r e n t c o d e s , the e vo l u t i o n d u r i
6、ng fre e z i n g - t ha wi ng pr og r e s s of p o r e s t r uc t u r e s we r e e v a l u a t e d, a n d the p r o b l e ms o f c ommo n t e s t i ng me t h o d s we r e a na l y z e d On t h i s ba s i s , the f ur t h e r d i r e c t i on f o r the s t u d y o f po r e s t r uc tur e s i n f r o
7、s t r e s i s t a n c e c o nc r e t e wa s s u g g e s t e d Kmw or ds: c o n c r e t e; 舶 s t r e s i s t a n c e; po r e s t r uc t u r e; t e s t me o d 0 引 言 在我 国寒冷地 区 , 许 多建筑 物建成 5 1 0 年后 因受冻 融破坏需要进行大范围修复, 部分小型建筑甚至因此报废; 在气候温和 的地区 , 许多工程建筑物也均发生不 同程度 的 冻融破坏( 例如富春江水 电站以及湖南省 的多座大坝 ) , 国 外路 面、 水坝 、
8、 隧道灯建筑物 的冻融损坏也十分普遍 1 。 因 此 , 如何有效提高混凝土抗冻性能已经成为 日益紧迫的问 题。 近半个世 纪以来 , 相关研究者开始对混凝土及其冻融 破坏过程中的细 微观结构进行研究 , 并基于混凝土中固、 液 、 气三相共存平衡关 系和对试验现象 的分析推理 , 对其 冻融机理提出了一系列理论假说 , 由于缺乏实际微观测 试结果 的支撑 , 这些假说 尚不能完全解释试验 中所观察到 的现象嘲 。 孔结构 与混凝土 的渗透性及耐久性能有着密切 的关 系。 目前冻融作用下水泥基材料的孔结构研究多以含气 量 、 气泡 间距 、 孔隙率 、 临界孔径等为表征参数 , 但受 到试 验
9、误 差或实 际操作 的影响 , 同一试 验室和不 同试验室 所 得到的试验数据均存在较大差异。 同时受研究手段的限 制 , 目前对 于全 尺度范 围内的孔径分布 、 孔洞 空间排列 、 孔形 貌及其演 变等研 究有 限 , 而上述 内容恰 是影 响冻融 破坏 的关键 因素 。 因此 , 需借 助各种先进 分析设备 , 深入 地研究孔结构 微观特征 , 明确 其与细观结 构变化 的对应 关系 , 揭示宏 观物理破坏的机理 , 进 而验证 目前 已有 的各 种理论假说 。 1 孔结构常用表征参数 国内外对冻融 问题的研究 , 在宏观性能上多以抗压强 度 、 相对动弹性模量和质量损失等指标进行评价
10、; 在细 微观层面主要 以研究含气量、 气泡间距 、 比表面积 、 孔隙率 等孔结构特征参数及其变化为主。 含气量和孔隙率均与混凝土 中的空气含量有关 , 所不 同的是 , 含气量指拌合物 中空气 的体积百分 比, 一般与拌 合物组分和拌合工艺有关; 孑 L 隙率指硬化后混凝土中孔隙 体积所占的体积百分比, 除了受组分和拌合工艺的影响外, 还和水泥水化 程度有关 。 两者之问又有一定 的关联性 , 混 凝土生产过程中的气体( 气泡) 随着混凝土的硬化, 将以球 状气孔形式存在 , 胶凝材料水化硬结过程 中没有被水化产 物所 占据的空间成为毛细孔 , 两者之和组成硬化混凝土内 的总孔 隙体积。
11、收稿 13 期 :2 0 1 4 - 0 3 - 2 2 基金项目:国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 3 0 8 1 1 2 ) ; 江苏省 自然科学基金( B K 2 0 1 1 6 1 2 ) ; 江苏省交通厅科研项 目( 2 0 1 0 Y 3 1 ) 2 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 即使含气量( 孔隙率) 相同, 混凝土也可表现出不同的 力学性能 , 因此 , Wi t t m a n提 出了孔隙学 的概念 , 指 出孔结 构主要包括: 孑 L 隙率、 孔径分布( 孔级配) 、 孔几何学( I P :F L 的形貌和不同尺寸的孑 L 在空间
12、的排列 ) 。 孔径分布( 孔级配 ) 指不 同尺度范 围内的孔洞按数量 、 直径或体积计算 的百分 率 。 早期学者对混凝土的孔径做 了分级 , 并研究 了各级孔隙 率对强度的影响系数。 气泡问距系数或气泡间距 , 其本质均 为相邻孑 L 洞二维空 间相对位置 的表征 。 孔 比表 面积是孔洞 的总面积与体积的比值 , 在混凝土含气量相当的条件下 , 比表面积可用来确定混凝土孔径分布 。 临界孔径是表征混 凝土孔结构连通性 的参数 , 大于临界孔径 的孑 L 互不相通 , 等于或小于该值的孔相互连通 。 2孔结构研 究现状 2 1 现行规 范对孔 结构 的控制要 求 目前研 究较多并 已列入
13、规范 的表征参数主要 为含 气 通常来说 , 含气量增加, 则剥蚀量降低 , 但含气量太 高 时气孔 易形成连 续的孔洞 , 使得 冻融期 间的 吸水 量增 加 , 从而导致 剥蚀 量增加 8 _ , 因此 , 含气量对抗盐冻 性混 凝 土 的影 响存在 一个 临界范 围。 J G J 5 5 2 O 1 l 普通 混凝 土配合 比设计规 程 、 T B 1 0 0 0 5 -2 0 1 0 铁 路混凝 土结 构 耐久性设 计规范和 A C I 3 1 8 8 3美 国混凝土协会等均 给 出 了抗冻 混凝 土 的含气 量范 围 。 但 1 9 9 4年美 国战 略 高速公路研究计划发布的研究成
14、果表 明, 含气量为 2 5 3 的混凝 土也 表现 出良好 的抗冻性 , 而该 值远低于规范 要求 。 张德 思 的研 究成果 也 同样 表 明【 l 0 】 , 含气 量为 5 5 的普通混凝土和粉煤灰混凝土也可以取得令人满意的 抗冻性 。 因此 , 单 以含气量评 价 混凝 土 的抗 冻性 具有 一 定争议性 。 气泡 间距系数是评价混凝土抗盐冻性能 的另 一个 重 要定量指标, 加拿大、 美国、 德国和中国等 4 已将气泡间 距系数纳入 了相关规范 , 表 1 为不 同标准中所规定的气泡 量 、 气泡间距系数和 比表面积。 间距系数临界值 。 表 1 不 同标准规定的气泡间距系数临界值
15、旧 S a u c i e r t -q 等建立了含气量与气泡间距系数的关系图, 认为两者之间存在定量关系 。 孑 L 比表面积也用来作为对混凝土的抗冻性评价指标, A S T MC 4 5 7 和 A C I 2 0 1 哟 表明, 孔 比 表面积在 2 4 - 4 3 1T U T I 范围内时 , 混凝土具有较好的抗冻性。 相关标准及研究成果对混凝土 的含气量 、 气泡间距 范 围均有 了一定规定或建议 , 但是在实际应用 中 , 不 同的配 合 比, 不 同的试 验方法 , 最终得到 的结论仍有不 同。 归根结 底 , 是 由于冻融损伤机理 尚未 明确 , 孔结构 的作用机制及 破坏机
16、理并未得到试验证实所致 。 2 2 冻融过程中孔结构特征研究 冻融破坏主要是混凝土受 到反复应力作 用引起 内部 损伤逐步积累而导致最终物理破坏的过程。 近年来 , 冻融过 程 中微观结构 的变化开始受到关注 , 但 由于所采用检测方 法和冻融循环 周期不同 , 所得结论也并不一致。 李金玉旧 等 认为冻融循环过程 中混凝土微孔的含量逐步增加 , 尤其是孔 径范围在 2 5 1 5 0 n n l 之间的孔隙; 赵霄龙和金祖权等 - 2 0 发 现 冻融 破坏 后 大孔含 量增 多 ; 朱 方之 、 赵 铁 军等 2 l 】 通 过 M 和中子透射成像技术研究 了冻融后表层 混凝 土孑 L 结
17、 构劣化和损伤特征, 结果表明, 混凝土冻融循环作用使临 界孔径成倍数增加, 毛细孑 L 等有害孑 L 数量明显增多。 如前 所述 , 冻融劣化过程 中, 不 同范 围内的孔径 存在 粗化或细化现象, 其产生机理虽尚不明确 , 但归根结底与 单个孔洞的形貌改变密切相关 。 冻融破坏过程中, 孔洞形貌 会发生系列变化, 硬化浆体和各级界面处也会产生微裂纹 , 而微裂纹往往从孔壁上开始开裂。 因此 , 混凝土孔结构的分 析 , 有必要进一步深入至对纳米一 微米 一 毫米级孑 L 洞的直径 分布 、 空间排列特征 、 性能劣化 过程 中孔壁形貌变化 、 腐蚀 产物的生成及剥落过程、 微裂纹的产生等进
18、行研究 , 以揭 示其破坏机理 。 汪在芹等 经过研究发 现 , 冻融循环作用 使水 泥水化产物 由堆积状密实状态逐步变成疏松状态 , 混 凝土中原本 封闭的气泡逐步开裂( 图 1 ) , 导致孑 L 径发生变 化。 目前微裂纹的研究主要借助于 S E M, 或利用计算机对 水泥浆体内部微裂缝的分布 ( 图 2 ) 和冻融破坏造成 的内 部裂缝的连通行为进行模拟 。 近年来 , 微焦点 x射线计 算 机断层扫描技术 ( X C T ) 在水泥基材料 中的应用 , 使 裂 缝 的无损探伤和空间分布观察成为可能 。 3 孔结构测试方法存在 问题分析 目前混凝土孔结构研究 中, 在分析方法上 , 引
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