混凝土低温初始缺陷的定量判别

郝伟男，李曙光，计 涛，陈改新，卿龙邦

（1.河北工业大学 土木与交通学院，天津 300401；2.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038）

1 研究背景

我国北方地区最低气温低、低温期长，混凝土施工条件恶劣。在实际混凝土施工过程中，经常出现养护措施过早失效的情况，导致混凝土结构经受早期冻害［1］，并在其内部产生一定量的初始缺陷。北方地区混凝土结构耐久性差与混凝土内部含有的初始缺陷密切相关。因此研究含初始缺陷混凝土的性能特点，提出可应用于现场工程的混凝土低温初始缺陷定量表征方法，可为北方寒冷地区混凝土结构的耐久性认识提供技术支撑。当前关于混凝土在低温环境下的性能研究，大多数学者［2-8］关注的是低温对标准养护的混凝土各项性能的影响，Husem等［9-11］探讨了不同低温养护条件下混凝土强度及耐久性的变化规律，Yi等［12］探讨了混凝土早期养护时间对抗冻性能的影响。然而过早处于低温环境下混凝土内部的损伤/缺陷如何定量表征，低温缺陷产生的机理为何，尚未看到清晰明确的解释。由于冲击回波法具有受混凝土骨料影响小、测试深度深和现场适用性强等优点［13］，经常被用于现场混凝土的损伤/缺陷检测［14-17］。本文将混凝土试件分别在标准养护室内养护3、7 d后置于-20℃恒低温环境中至28 d，使混凝土试件中产生低温初始缺陷，并采用冲击回波法测量的弹性波波速计算得到的初始损伤度对混凝土低温初始缺陷进行定量表征，通过扫描电镜微观分析、压汞试验和核磁共振检测探讨含低温初始缺陷混凝土基体的微观结构特征。

2 试验方法

2.1 混凝土的配合比及试件制作水泥采用42.5中热硅酸盐水泥；粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰；粗骨料采用小石（5～20 mm）、中石（20～40 mm）二级配，小石与中石的比例为1∶1；细骨料为天然河砂，细度模数为2.45；减水剂采用JM-Ⅱ高效减水剂，减水率为18.5%；引气剂采用ZB-1G引气剂，实测混凝土试件内部引气量约为4.0%。试验所用混凝土配合比见表1。

表1 混凝土试件配合比

本文中的低温初始缺陷指在养护期（28 d）内，由于标准养护时间不充分，混凝土过早暴露于低温环境导致其内部产生的缺陷。采用如下方式在混凝土试件中产生程度不同的低温初始缺陷：混凝土试件分别标准养护3、7 d后置于-20℃低温环境中至28 d龄期，这两种试件分别记为LD-3和LD-7系列；在标准养护室内养护28 d的混凝土，视为无初始缺陷混凝土，记为LB系列。

2.2 力学性能测试和抗冻性能测试混凝土试块成型与养护按照《水工混凝土试验规程》（SL 352-2006）进行，将养护至28 d的混凝土试件恢复至室温后进行抗压强度、劈裂抗拉强度试验和冻融劣化试验。

2.3 弹性波波速测试

2.3.1 弹性波基本原理 弹性波是固体物质中由应力或应变引起的扰动波。波的传播方向与振动方向一致的体波，称之为P波。大量研究［13］表明，若将混凝土假设为理想弹性体，则P波波速的平方与混凝土动弹性模量呈正比关系，即VP2∝Ed（其中：VP为混凝土内P波波速（一维），Ed为动弹性模量）。

2.3.2 弹性波测试 采用四川升拓检测技术责任有限公司开发的混凝土弹性波测试系统对混凝土试件进行弹性波波速测试。测试系统由传感器、冲击锤、数据采集装置和控制主机组成［13］。

2.3.3 低温初始缺陷的定量表征 本文采用初始损伤度来对混凝土内初始缺陷的大小进行定量表征，定义为含初始损伤混凝土试件相对于不含初始损伤试件的相对动弹性模量的降低值。由于混凝土自振频率的平方与动弹性模量成正比，即f2∝Ed（其中：f代表混凝土试件的自振频率，Ed代表混凝土试件的动弹性模量），《水工混凝土试验规程》（SL352-2006）给出了混凝土试件的相对动弹性模量的计算公式。据此，本文给出基于自振频率求解的相对损伤度计算公式，如式（1）所示。并通过类比，给出基于弹性波波速求解的混凝土初始损伤计算公式，如式（2）所示。其中两个公式均以标养28 d的混凝土试件为参考对象。

式中：DIN为初始损伤度，取值范围为0～1，对于标准养护条件下的混凝土DIN为0，对于养护不充分经受低温环境的混凝土DIN大于0小于1；fm为标准养护m（取3、7）天后放入低温环境中至28 d的混凝土试件的自振频率；为标准养护条件下试件的自振频率；Vm为标准养护m（取3、7）天后放入低温环境中至28 d的试件的弹性波波速；为标准养护条件下试件的弹性波波速。

2.4 微观试验分别采用S-4800/EX-350型扫描电子显微镜、PoreMasterGT6型压汞仪和MesoMR23-060H-I型中尺寸核磁共振分析系统对混凝土试件进行微观测试。

3 试验结果及分析

3.1 含初始缺陷混凝土的力学性能3个系列混凝土试件的力学强度如图1所示。由图1可知，LD-7、LD-3系列混凝土与LB系列相比力学性能有明显降低，LD-7和LD-3抗压强度分别是LB的57%和34%、劈拉强度分别是LB的61%和39%。可看出，早期标养时间越短，力学性能降低幅度越大。

LD-7与LD-3两个系列混凝土龄期为100 d时，重新标养28 d后力学强度如图2所示。由图2可看出，重新标养28 d后，LD-7与LD-3系列混凝土抗压强度分别恢复至LB的93%和76%，劈拉强度分别是LB的96%和89%，均有大幅度的提升。可以看出LD-7与LD-3系列混凝土重新标养28 d后，力学强度并没有完全恢复至一直标养的同龄期试件，尤其LD-3系列，与LB系列仍有较大差距。由此可看出，低温初始缺陷的形成有两个原因，一是低温延缓了混凝土内水泥的水化，二是低温在混凝土基体内部造成了一定数量的微裂纹。

图1 3个系列混凝土试件抗压强度和劈拉强度

图2 重新标养28d混凝土试件抗压强度和劈拉强度

3.2 含初始缺陷混凝土的抗冻性能3个系列混凝土试件相对动弹性模量随冻融循环次数变化趋势如图3所示，其中相对动弹性模量是根据《水工混凝土试验规程》（SL352-2006）中的相对动弹性模量计算公式求得。由图3可看出，冻融循环次数低于50次时，3种混凝土试件相对动弹性模量降低的速度大体相同；超过50次后，LD-3系列混凝土试件相对动弹性模量迅速降低，而LD-7系列相对动弹性模量降低幅度小于LD-3系列，但两者动弹性模量降低幅度均大于LB系列。LD-3系列在100次冻融循环相对动弹性模量已经降低至40%以下，已经破坏，其抗冻性最差。

图3 混凝土相对动弹性模量随冻融循环次数变化曲线

图4 基于自振频率与弹性波速计算得到的混凝土初始损伤度

3.3 初始损伤度以标养28 d的混凝土的状态为参考值，分别基于自振频率与弹性波波速计算得到LD-7和LD-3两个系列混凝土试件的初始损伤度，结果如图4所示。由图4可知，基于自振频率和弹性波波速计算得到的两种混凝土初始损伤度分别为0.21和0.08、0.22和0.12。由此可以看出，弹性波波速与自振频率均可用来量化表征混凝土低温初始缺陷大小，二者计算的初始损伤度数值相近。同时也可以看出，LD-3系列混凝土低温初始缺陷较大，其初始损伤度数值约为LD-7系列的1.8～2.6倍，相应的其力学性能、抗冻性能都低于LD-7系列。自振频率法受混凝土试件尺寸、形状的严重制约，目前多用于实验室内混凝土动弹性模量的测量，而冲击回波法可应用于不同尺寸与形状的混凝土试件，且受混凝土试件骨料影响小、测试深度深、现场适用性强，更适合应用于实际工程。

3.4 微观分析

3.4.1 扫描电镜图像分析 3个系列混凝土局部微观结构的电镜照片如图5所示。由图5（a）可看出，LB系列混凝土基体内部水化充分、水化产物结构致密，无明显孔隙，偶尔可见少量球形粉煤灰颗粒；由图5（b）可看出，LD-7系列混凝土基体内部结构疏松，可看到一些粉煤灰颗粒脱落留下的球形凹陷，反映出LD-7系列水化程度低于LB系列；由图5（c）可看出，LD-3系列基体成松散堆积状态，结构非常疏松，且可看到有大量裸露的粉煤灰颗粒，颗粒表面仅有少量水化产物。由扫描电镜照片可直观看出，标准养护不足28 d即被置于低温环境中的混凝土试件，内部结构疏松、胶凝材料水化不充分，且置于低温环境的龄期越早，其微观结构越疏松。

图5 3个系列混凝土局部扫描电镜照片

3.4.2 压汞试验与核磁共振检测结果分析 根据孔径范围混凝土内部的孔隙可分为如下3类：无害孔（孔径＜0.02 μm）、少害孔（孔径范围 0.02～0.05 μm）、有害多害孔（孔径范围＞0.05 μm）［18］。根据压汞试验数据，可得到3个系列混凝土不同类型孔隙体积百分比，如图6所示。由图6可知，LB系列混凝土有害多害孔的孔隙体积含量83.8%，而LD-7与LD-3系列混凝土中有害多害孔体积含量分别增加至孔隙总体积的87.2%与92.7%。LB系列混凝土中无害孔和少害孔分别占孔隙总体积的4.0%和12.2%，而LD-7与LD-3系列则分别为2.8%、10.0%和1.3%、6.0%。由此可看出，过早暴露于低温环境中混凝土内部的无害孔和少害孔含量有所降低，而有害多害孔比例有所增加；过早暴露于低温的龄期越早，有害多害孔含量越高。

图6 3个系列混凝土不同类型孔隙体积含量

核磁共振技术是利用处于不同束缚状态氢原子具有不同的弛豫时间来检测物质的成分和水分含量。多孔材料孔隙水中H原子的横向弛豫时间与其所处孔隙的比表面积有关，测出H原子的横向弛豫时间（T2）谱，然后利用横向弛豫时间与孔隙孔径的特定相关公式，即可得出混凝土孔隙分布［19］。核磁共振方法在表征混凝土的孔结构方面已有不少应用，如王萧萧［20］等利用核磁共振研究盐蚀、冻融作用下，天然浮石混凝土的孔隙变化。本文中从10 cm边长立方体中央切割出4 cm边长的立方体（核磁共振设备最大检测样品尺寸），置于真空饱水设备中进行水饱和，然后置于核磁共振样品室内进行测试。

赵铁军等［21］建议用临界孔径作为孔径分析结果的表征参数，定义为孔隙累积体积明显增加所对应的最大孔径，其研究表明，随着混凝土水化程度的提高，临界孔径有减小的趋势。压汞分析、核磁共振孔径分析得到的3个系列混凝土孔隙累积体积曲线如图7所示。由图7可知，压汞法与核磁共振得出的孔径分布规律相近。由图7（a）可以看出，LB系列混凝土试件的临界孔径约为0.18 μm，而LD-3与LD-7系列临界孔径分别为0.8和0.9 μm，远大于LB。由图7（b）可以看出，LB系列混凝土试件的临界孔径为0.3 μm，LD-3与LD-7系列临界孔径为0.65和0.6 μm，均大于LB。由此可知标养不充分过早暴露于低温环境使得混凝土内部临界孔径增大。本文中压汞法与核磁共振所得到的临界孔径在数值上存在一定的差异，这是由于两种方法测量混凝土孔隙的原理和测量的孔径范围不同［22］造成的。两种方法在表征混凝土孔隙分布的相关性值得进一步研究。另外，应用核磁共振法测量混凝土孔隙前需要对混凝土样品进行饱水处理，孔隙测量的准确程度受样品饱水程度的影响较大，对于体积较大的混凝土试样内部的饱水状态并不能得到保证，相比较而言压汞试验所需的样品体积较小，处理较为容易，所以压汞法较适用于试验室混凝土孔隙研究。

图7 压汞试验与核磁共振检测分别得到的3个系列混凝土试样孔隙累积体积

4 结论

（1）采用基于弹性波波速计算得到的初始损伤度对混凝土低温初始缺陷大小进行定量判别，本试验中基于弹性波波速计算得到的LD-3系列试件初始损伤度约为LD-7的1.8倍，尽管该结果与基于自振频率计算得到的初始损伤度数值上有所区别，但规律相同，都可以用于定量表征现场混凝土初始缺陷的可行性；（2）压汞、核磁检测和扫描电镜微观分析结果表明，LD-3和LD-7系列混凝土基体的有害多害孔体积含量和临界孔径均高于标养28 d试件，且LD-3高于LD-7。表明低温环境影响胶凝材料水化进程，标准养护时间越短，混凝土内部水泥水化越不充分，内部有害多害孔隙的含量越多，临界孔径越大；（3）混凝土低温初始缺陷对混凝土的宏观性能存在不利影响，标准养护时间越短、暴露于低温环境的龄期越早，初始缺陷越大，混凝土力学性能和抗冻性能降低越显著；仅标准养护3 d和7 d即置于低温环境中至28 d龄期的混凝土试件，与标养28 d的混凝土试件相比抗压强度/劈拉强度可降低至34%/39%和57%/61%；混凝土结构实际施工中应特别重视早龄期养护。