透水混凝土微细观冻融损伤研究进展

赵洪凯，耿庆林，任伟

(吉林建筑大学 材料科学与工程学院，吉林 长春 130118)

随着海绵城市的提出，引来社会各界广泛关注，将海绵城市下透水混凝土应用到城市建设规划中，在居住区建筑、道路、绿化等方面有着极大的应用空间，对提高水资源利用、缓解城市内涝灾害以及推动城市健康发展具有重要的意义[1-2]。但透水混凝土与传统路面相比强度较低，因此仅限用于人行道、停车场等低交通量道路铺设[3]。与此同时，内部的多孔结构使其极易遭受水冻结而产生压力破坏[4-5]，使整体耐久性变差，外加上除冰盐[6]、外部荷载[7]以及干湿循环[8]与冻融的耦合作用，导致微细观形态下冻融损伤呈多样性，造成其在严寒地区很难大面积推广使用。而在我国有相对较大地区位于严寒地带，并有不少透水混凝土路面均产生了冻融破坏，导致耐久性急剧下降。为进一步推进海绵城市建设，对透水混凝土微细观冻融损伤机理及冻融损伤因素等研究进展进行总结是非常必要的。通过系统综述透水混凝土冻融损伤相关问题，旨在为我国透水混凝土抗冻性方面的理论研究提供一定参考。

1 透水混凝土细观冻融损伤机理

透水混凝土(Pervious Concrete,简称PC)的抗冻性是反映其耐久性的重要指标之一，当透水路面在经历长时间冻融破坏时，会发生表层剥落、疏松等破坏现象，严重时会引起强度下降甚至直接断裂，目前对于透水混凝土冻融损伤机理的解释主要为水泥浆体的破坏和骨料水泥界面的破坏。对于水泥浆体的破坏，美国学者T C Powers等提出的静水压和渗透压理论最为认可。对于骨料水泥界面的破坏，向君正等[9]采用扫描电镜(SEM)观察透水混凝土微观形态变化，发现经100次冻融循环后水泥浆体的质量、强度、孔结构并没有产生很大变化，而界面处在冻融循环下使骨料水泥之间产生裂缝并持续扩展，因此推翻了透水混凝土冻融循环下水泥浆体优先破坏理论，并说明冻融损伤主要来源于骨料水泥界面的劣化。骨料水泥界面破坏的观点与文献[10-11]说法一致。

2 透水混凝土冻融损伤评价依据

透水混凝土由于内部多孔，所以会产生较大的冻融损伤，在经历冻融循环后断裂韧度以及断裂能均会急剧下降[12]。冻融对透水混凝土的力学性质也有很大的影响，其主要表现为：抗压、抗弯、断裂韧度和质量损耗等方面宏微观损伤。对于再生骨料透水混凝土(RAPC)，在同样的冻融循环下，RA的替代率愈高，其相对动弹性模量及强度的下降幅度愈大，依次为抗折强度>抗压强度>相对动弹模量[13-14]。现阶段对于透水混凝土冻融损伤评估大多集中于质量损失率和相对动弹性模量。

有研究发现，在冻融循环中，透水混凝土的相对动弹性模量降低速度要快于质量损失，并认为应以相对动弹性模量来衡量其抗冻融性[4,15]。刘肖凡等[16]认为冻融循环评价应该以质量损失率为主，相对动弹性模量为辅。而吉林大学罗国宝[17]则认为透水混凝土具有高的孔隙度，冻融造成的损伤多会被其多孔结构所遮蔽，且在测试期间，由于试样的质量通常变化较小；因此，在冻融期间，当试样的表面有明显裂纹时，应记录此时冻融循环次数。

3 影响透水混凝土冻融损伤的主要因素

影响透水混凝土冻融损伤的因素有很多，如透水混凝土有无外加剂、有无矿物细掺料、水灰比和骨料粒径等，除了以上材料组成方面，透水混凝土冻融循环下界面过渡区、宏微观孔隙及孔结构与冻融损伤也存在一定的关系。

透水混凝土孔隙主要由宏观孔隙和微观孔隙组成，两者都会随着冻融循环次数的增加而逐渐受到破坏，导致强度降低，抗冻性下降。对于微观孔隙，有研究表明其微孔大小与耐久性有直接关系[18]；且透水混凝土在冻融过程中，胶凝材料中的微孔隙水由于冻结而发生扩张，必须沿着样品的边缘挤压过多的水分或使其扩张，从而形成裂纹，造成冻融损伤[19]；在冻融循环过程中，胶凝材料中孔结构50～200 nm微孔先急剧减少后增多，20～50 nm微孔则表现相反[9]。对于宏观孔隙，石广顺[20]运用有限元分析了在不同形状的孔内冻胀破坏，发现在上部表层处的封闭孔内，圆孔的冻结膨胀应力峰正好在其表面上方，而多边形在几何棱角处；相邻闭合孔隙附近存在着一个应力损伤区，“贯通”损伤区的孔隙更易发生裂纹和脱落。

透水混凝土的多孔结构相比与普通混凝土，其骨料与胶凝材料间的界面过渡区更容易遭受冻融而产生损伤。Vancura等[21]通过对严寒区域路面测试，认为骨料与胶凝材料接触面存在可能为冻融引起的裂缝，从而推测出其冻融劣化是由界面过渡区引起。向君正等[9]采用SEM技术对透水混凝土的表面形态演化进行了研究，发现透水混凝土骨料水泥界面由于冻结膨胀和温度应力的综合影响会形成裂纹，裂纹不断扩展，从而影响抗冻性。

透水混凝土宏微观孔隙和界面过渡区均会不同程度影响透水混凝土抗冻性，宏微观孔隙结构和界面过渡区是影响透水混凝土抗冻性的关键因素，原材料则是制备冻融性能优良透水混凝土的首要因素。优选原材料主要是为了提升透水混凝土宏微观孔隙结构和界面过渡区性能，从而优化透水混凝土抗冻性，减缓冻融损伤。

4 透水混凝土冻融损伤的改善措施

透水混凝土的冻融损伤优化主要从原材料入手，改善其内部结构，从而间接缓解冻融损伤程度。

对于矿物掺合料，现有研究表明硅灰、纳米SiO2、粉煤灰、粒化高炉矿渣、矿粉等作掺合料可使微观结构孔隙较大程度的被填充，对于界面过渡区的增强有显著效果；且何锐等[22]发现硅灰对于胶凝材料的增强要大于粉煤灰、矿粉。Bilal等[23]认为水泥水化物中的钙离子浸出是导致透水混凝土耐久性退化的主要原因，硅灰和偏高岭土可有效抑制水泥水化物中钙离子浸出。Tarangini等[24]通过纳米二氧化硅(NS)等质量替代水泥制备透水混凝土，发现NS的掺入可以充分优化孔结构，使微孔被填充更密实。

对于骨料，周书林等[25]认为透水混凝土冻融损伤会随着砂取代率的增加，内部孔隙的冻胀力得到降低，从而可以有效降低抗压强度损失率，且经100次冻融循环后，8%砂取代率情况下抗压强度损失率最低。付建等[26]认为45%橡胶颗粒掺入混凝土时，其表观密度会降低13.5%，抗压强度降低53.1%。Liu等[27]发现橡胶颗粒粒径越小其比表面积越大，高比表面积的橡胶会产生大量的微孔隙，有助于冻结而增加的水量被更好的吸收，从而减少冻融造成的破坏。Kevern等[28]直接使用预湿轻骨料替代部分细骨料制备透水混凝土，发现预湿骨料会对透水混凝土实施一定的内养护，90 d水化程度可增加约10%，从而可以有效提高其抗冻性。

对于聚合物改性，Zou等[29]在保证透水混凝土抗压强度不降低的前提下，利用硅烷改性提高冻融耐久性，发现硅烷表面改性再生骨料可以形成疏水硅膜防止水分在骨料表面积聚，从而会使骨料水泥界面形成致密结构和更多C-S-H凝胶，提高抗冻性；然而硅烷水泥基体整体改性虽然也会对抗冻性增强，但由于水泥颗粒表面存在疏水性酮膜，水泥水化受到限制，水泥基体孔隙率增加，导致性能下降。郑斌等[30]通过硅酸盐-硅烷改性用于普通混凝土制备，发现经处理后的混凝土内结构密实，表面也会生成疏水膜，从而可以有效提升抗冻性能。

对于引气剂，高鹏[31]认为加入引气剂掺量(最佳掺量0.06%)会直接影响水泥基内部气孔间距，当水泥基内部气孔孔间距适当时，在不过大破坏水泥基强度的前提下，可以释放冻融循环引起的膨胀应力；但当孔间距过小，孔洞密度过大时，会使水泥基的强度降低过多。

对于增强剂，姜骞等[32]认为随着增强剂掺量的增加，冻融而导致的质量损失率得到有效降低，对抗冻性有一定的改善作用，以标准样品为基础，8 kg/m3增强剂加入透水混凝土可增加约25个冻融循环；增强剂会在初期消耗大量的氢氧化钙，从而加速水泥的水化，使浆体更加密实，浆体和ITZ处微观孔隙被逐步填充，相比于后期，前期强化效果(1 d增加50%左右)更加显著。

对于抗裂剂，Chen等[33]在钢渣透水混凝土(SSPC)中加入抗裂剂(ACA)，研究SSPC与ACA的力学性能和微观特性的关系，通过X射线衍射仪、傅里叶红外光谱仪中发现水化产物大多含有C-S-H和Ca(OH)2，ACA含量越高，C-S-H的聚合度越高，从而有助于提高SSPC强度、抗裂性和耐久性，0.3%的ACA用量最佳。

对于纤维，杨航[34]使用聚丙烯纤维和玄武岩纤维单掺复掺研究其对透水混凝土抗冻性的影响，发现聚丙烯纤维可以一定程度上阻止冻融过程中水泥石的脱落，玄武岩纤维大多呈现竖状布置因此导致脱落后的孔隙较大，但两者复掺可以有效提高抗裂性，从而减缓冻融破坏的速率。Nassiri等[35]通过固化碳纤维复合材料(CCFCM)研究其对透水混凝土抗冻性的影响，结果表明，掺入体积比为1%或2%的 CCFCM 均可以显著提高抗冻性。

对于成型方式，Li等[36]通过振动台、马歇尔压实和超穴旋转压实机( SGC )三种方法制备了3种目标孔隙率的透水混凝土试样,研究成型方式对试样物理性能、力学性能和耐久性能的影响，发现马歇尔压实和SGC压实会使混凝土强度和胶凝材料均匀分布，以及过程中的颗粒尺寸分布均匀，其中SGC是获得高渗透性、抗冻融性好、强度高的混凝土的最佳选择,其次是马歇尔击实成型,最后是振动成型。

5 透水混凝土冻融损伤与其他因素耦合作 用的研究

5.1 冻融与除冰盐耦合作用

城市道路为了防止冬季积雪结冰，通常会在路面撒盐降低冰点去除冰雪，而盐分的浓度差受冻时会因分层结冰而产生渗透压造成破坏。一般来说，水冻对透水混凝土初期冻融损伤影响较大，而除冰盐对透水混凝土后期冻融损伤影响较大。对于除冰盐浓度，Feng等[37]研究高强自密实透水混凝土(SCPC)在不同除盐浓度下抗冻性。发现浸泡在20%NaCl溶液中的SCPC相较于3%NaCl溶液中冻融损伤不明显。对于除冰盐破坏程度，Tsang等[38]用氯化钙水溶液、氯化钠溶液、氯化镁溶液、清水等不同的冷冻融化作用对透水混凝土的冻结、融化过程进行了研究。研究发现，在同等的条件下，氯化钠和氯化钙对透水混凝土的破坏最为明显;在经过50次的冻融后，样品的重量损失可达到5%,经过100次冻融后，其重量损失超过20%。针对氯化镁除冰，Almeida等[39]提出了一种可以降低氯化镁对透水混凝土损伤的方法，认为经过碳酸氢钠( NaHCO3)溶液处理后的透水混凝土，可以阻碍MgCl2除冰剂与水泥砂浆中氢氧化物之间的化学反应，提高其抵抗氯化镁侵蚀能力。

不同除冰盐对于透水混凝土微观孔隙会产生不同程度的损伤，使骨料与凝胶体之间的黏结强度降低，浆体逐渐变得松散。大量研究表明，氯化钙对于透水混凝土的损害最大；而高浓度的除冰盐需达到较低的冰点才会结冰，从而对内部孔隙结构施加渗透压，所以较低浓度的除冰盐(2%～8%)更易造成冻融破坏。

5.2 冻融与疲劳荷载耦合作用

冻融与疲劳荷载耦合会明显加速ITZ处裂纹的劣化速度，同时也会使微裂纹结构变得更复杂[7]。Gong等[40]采用刚性弹簧法对混凝土进行微观结构分析。采用不同的冻融循环次数和不同的破坏形式，对冻融破坏的混凝土进行了疲劳试验，结果表明，随着冻融破坏程度的增大，其疲劳寿命逐渐下降。

罗国宝[17]通过三点弯曲疲劳试验和冻融循环试验，发现当应力水平相同时，透水混凝土相同疲劳循环时的疲劳损伤会随着初始损伤的增大而增大；当疲劳损伤相同时，冻融次数与疲劳寿命呈反比，并建立了关于疲劳损伤随循环数的相关方程。

疲劳荷载分析是评价透水混凝土疲劳寿命和材料性能的重要方法，国内外学者关于冻融与疲劳荷载的耦合造成的破坏研究甚少，综合现有研究发现当ITZ处在经受两者耦合作用时会加速微观裂纹的衍变，使内部孔隙结构逐渐断裂，从而最终遭受破坏。

5.3 冻融与干湿循环耦合作用

冻融-酸雨干湿循环可导致样品产生钙、硫元素，侵蚀区变得粗糙，并形成大簇针状钙矾石晶体，并从中间向外放射；且质量损失率、超声波波速损失和透水性呈现梯状上升，相对动弹性模量快速下降[8]。

Gao等[41]采用干-湿循环法模拟了酸雨的侵蚀作用，发现经过酸雨侵蚀后的透水混凝土孔隙中存在更多的晶体，抗压强度和抗弯强度相比于对照组分别降低了30.7%和40.8%。且随着酸雨浸泡时间的一直延长，反应后溶液的pH值会慢慢变小，透水混凝土质量、强度损失和透水系数也会逐渐增大[42]。

通过分析国内外关于透水混凝土冻融-干湿循环耦合作用发现内部微观孔隙率先会受到酸雨的侵蚀，在孔隙内部产生大量钙矾石晶体，促使孔隙处强度逐渐降低，再加上冻融造成的孔隙压力，从而使透水混凝土冻融破坏更加严重。

6 结论

透水混凝土作为一种新型建筑材料，引起国内外学者的广泛关注。而冻融损伤一直是影响其在严寒地区使用的主要因素，通过分析总结国内外透水混凝土微细观冻融损伤研究现状，以便更好的提升内部微观结构性能，使其在全国大范围推广使用，但如下问题应该引起重视：

(1)虽然目前已经有大量的宏微观研究对透水混凝土的抗冻性能进行探讨，但还需要从微观层面深入探讨改性机理和水化规律，研究其对微观孔隙的影响，为制备高冻融耐久性透水混凝土奠定基础。

(2)目前，研究学者们对透水混凝土冻融与荷载耦合作用虽有涉及，但相关研究成果较少，需继续对两者耦合进行一定的微观结构分析，并建立冻融与疲劳荷载相关方程，为实际过程中的应用提供参考。

(3)不同的颗粒级配会形成各种形状的孔隙，而不同形状的孔隙在冻融下也会产生不同程度的破坏，但无法准确描述孔隙实际形状，孔隙特征不好说明，应根据模拟冻融损伤进一步判断孔隙形状及大小，并分析孔隙形状与透水混凝土微观结构之间的关系。

(4)对于透水混凝土与其他因素的耦合作用，尽管现阶段研究者模拟了多种情况的耦合，但普遍认为透水混凝土的多孔结构极易遭受堵塞，当内部出现孔隙堵塞后产生冻融，对界面过渡区处微观结构也会产生一定影响，但是针对此现象，很少有文献阐述。