偏高岭土混凝土抗冻性能及寿命预测

赵燕茹， 张建新， 白建文， 刘芳芳

(1.内蒙古工业大学土木工程学院， 呼和浩特 010051； 2.内蒙古工业大学矿业学院， 呼和浩特 010051； 3.科兴电力勘测设计有限责任公司, 巴彦淖尔 015000)

中国高岭土资源丰富，主要分布在北方地区，其中内蒙古准格尔旗有着世界罕见的优质高岭土矿床，储量高达8.1亿t[1-2]。高岭土属于层状硅酸盐结构，在600～880 ℃下煅烧会使层状结构脱水生成具有较高活性的偏高岭土，偏高岭土中含有大量SiO2、Al2O3等物质,其与混凝土中的Ca(OH)2发生火山灰反应,使混凝土更加密实,进而提高了耐久性[3-6]。李云峰等[7]、郝立波[8]发现偏高岭土混凝土较普通混凝土具有更好的抗冻性能。于丽波等[9]发现掺入适量偏高岭土可以提高水泥对氯离子的结合能力，从而使混凝土结构在盐侵蚀环境下的破坏程度减小。周建伟等[10]研究了偏高岭土混凝土在高温下的力学性能,发现偏高岭土的掺入可以明显提高混凝土的耐热性能。

为了使混凝土安全可靠的应用于工程实际，对其进行寿命预测尤为重要。蒋琼明等[11]基于氯离子二维扩散模型计算了在氯盐侵蚀环境下混凝土的可靠度和使用寿命。张广泰等[12]提出了适用于冻融环境下的混凝土Weibull冻融损伤模型，并基于相对强度对纤维混凝土冻融破坏度进行了预测。内蒙古地区高岭土储量丰富，同时冻融破坏使混凝土结构严重劣化，因此，针对高岭土储量丰富、且地处寒冷地带的内蒙古地区，研究偏高岭土混凝土的抗冻性能及寿命预测具有重大意义。通过分析偏高岭土混凝土在冻融循环作用下的外观剥落及抗冻性能指标的变化，研究偏高岭土掺量对混凝土抗冻性能的影响机理，并基于相对动弹模量为变量建立冻融损伤模型，同时对偏高岭土混凝土进行寿命预测。

1 试验

1.1 原材料

采用P.O 42.5水泥;粗骨料、细骨料分别选用连续级配碎石(密度为2 480 kg/m3)、水洗河沙(密度为2 480 kg/m3);拌合用水采用自来水;偏高岭土的粒度分布如图1所示。图1表明,偏高岭土粒径分布在1～10 μm范围内的颗粒占比达86%,而在80 μm方孔筛下,水泥的筛余量为1.7%。偏高岭土比表面积为496.54 m2/kg,水泥比表面积为345.56 m2/kg。由以上可知,相比于水泥,偏高岭土是更细的微集料。水泥及偏高岭土的化学成分见表1。

图1 偏高岭土粒度分布

表1 水泥及偏高岭土的化学成分

1.2 试验方案

本试验设置四组配比, 偏高岭土以0、5%、10%、15%质量代替水泥，每组6个试件,棱柱体与立方体试件各3个。试件在标准条件下养护24 d,放入18～22 ℃的清水溶液中浸泡4 d后,取出试件,对试件进行编号，然后采用快冻法[13]进行试验。在整个试验过程中, 控制试件中心温度为-20～+7 ℃,冻融循环时间应控制在2～4 h内，在每个冻融循环周期后，观察棱柱体试件(100 mm×100 mm×400 mm) 外观形貌的同时记录其质量和动弹模量，当相对动弹性模量减少40%或质量损失率达5%时，停止试验。随后取出立方体试件(100 mm×100 mm×100 mm),进行抗压试验,操作方法参照规范[14],记下试件破坏时的最大荷载。

其中,各组偏高岭土混凝土配合比见表2。

表2 偏高岭土混凝土配合比

2 试验结果与分析

2.1 外观形貌

冻融循环次数为0、75、150、225次时不同掺量的偏高岭土混凝土试件的外观形貌如图2所示，图片均拍摄于为试件的侧面，尺寸均为400 mm×100 mm。在冻融循环之前，所有试件表面光滑密实，整体结构完好无损，如图2(a)所示。冻融循环75次后，普通混凝土试件MK-0表面出现微裂纹，而其他试件相比0次均未发生明显的变化，如图2(b)所示。冻融循环150次后，普通混凝土试件MK-0外观有明显的剥落现象，而其他试件的剥落情况相比75次是较严重的，如图2(c)所示。冻融循环225次后，如图2(d)所示，普通混凝土试件MK-0表面凹凸不平、大量的粗骨料外露、外观剥落严重；掺量为5%的偏高岭土混凝土试件MK-5表面露出的孔隙多而密，肉眼可看到一些外露的粗骨料，掺量为10%偏高岭混凝土试件MK-10表面受剥落程度相对较小，暴露出的孔隙数量相对少，整体性较好，而掺15%的偏高岭土混凝土试件MK-15整体结构完好无损，表面无明显剥落特征。从外观形貌的变化可以看出，偏高岭土的掺入改善了混凝土抗剥落性能，提高了抗冻性。

图2 冻融循环前后试件外观形貌图

2.2 质量损失

图3为各组试件的质量损失率随冻融次数的变化规律。随着冻融试验的进行,各组试件的质量损失率逐渐增大。这是由于试件内部孔隙中的水分不断结冰，由静水压力可知，水结冰体积可增大9%，试件内部由于结冰体积产生膨胀，当膨胀应力超过临界值时，试件内部出现裂缝、孔隙结构破坏，导致试件表面水泥浆体、骨料等剥落增大，故而质量损失率不断增大。在相同的冻融循环次数下，总体来看，随着偏高岭土掺量的增加，试件的质量损失率在逐渐减小。在冻融初期，不同试件的质量损失率差距并不明显；随着冻融试验的持续进行，各组试件的质量损失率差距明显增大；偏高岭土掺量越大、曲线的斜率增长越小、质量损失越慢。当冻融循环达到255次时，未掺偏高岭土混凝土试件MK-0质量损失率达到5.44%，达到破坏的标准；而偏高岭土掺量为15%的MK-15试件质量损失率仅为2.75%。从质量损失率来看，混凝土试件的抗冻性随着偏高岭土掺量的增加而不断增大。

图3 冻融循环后试件的质量损失率

2.3 相对动弹性模量

图4为各组试件的相对动弹模量的变化规律。不同掺量偏高岭土混凝土试件的相对动弹性模量随着冻融试验的进行逐渐减小。随着偏高岭土掺量的增加，相对动弹性模量曲线下降变缓。其中偏高岭土掺量最大的MK-15试件的相对动弹模量损失值最小。经过225次冻融循环后，掺量分别为0、5%、10%、15%的偏高岭土混凝土试件MK-0、MK-5、MK-10、MK-15的相对动弹模量分别达到61.4%、71.2%、78.8%、84.5%，可见，随着偏高岭土掺量的增加，混凝土的抗冻性不断增大，其中偏高岭土掺量为15%时，抗冻融性能最好。

图4 冻融循环后试件的相对动弹性模量

2.4 抗压强度

图5为各组试件的抗压强度与冻融次数的关系曲线。随着冻融试验的进行，各组试件的抗压强度逐渐减小;偏高岭土混凝土的抗压强度随着偏高岭土掺量的增加逐渐增大。在冻融试验中后期，MK-0、MK-5、MK-10的抗压强度损失较快，相比之下，MK-15的抗压强度损失较慢。冻融循环150次后，不同试件的抗压强度损失继续增加，其中MK-0的抗压强度损失最严重。225次冻融循环后，MK-0、MK-5、MK-10、MK-15的抗压强度较未冻融的试件分别下降了64.7%、48.9%、30.7%、20.2%。可见，MK-15抗压强度损失率最少，抵抗冻融能力最强。由上述分析可知，掺入适量偏高岭土可改善混凝土的抗冻性能。

图5 冻融循环后试件的抗压强度

2.5 偏高岭土对混凝土抗冻性机理分析

由2.1～2.4节试验结果可见，掺入适量偏高岭土可改善混凝土的抗冻性能。这是由于偏高岭土在物理方面具有微集料填充效应[15]。偏高岭土的粒径86%分布在1～10 μm，比表面积496.54 m2/kg(见1.2节)，而水泥的粒径大都分布在20～30 μm之间,小于10 μm颗粒较少，掺入适量的偏高岭土可以起到填充水泥孔隙的作用，即从物理方面提高了混凝土的密实性。同时偏高岭土在化学方面具有加速水化效应。偏高岭土是由高岭土在高温下煅烧使结构脱水生成具有较高活性的矿物,可加快混凝土水化反应速度,其主要成分SiO2、Al2O3可与混凝土中的Ca(OH)2发生火山灰反应,生成偏铝酸钙(Ca[Al(OH)4]2)及水化C—S—H凝胶[3-4]，使混凝土在细观层次上形成密实填充体系，即从化学方面提高了混凝土的抗冻性能。

3 冻融损伤模型与寿命预测

3.1 相对抗压强度与损伤度之间的关系

为了能更好地体现混凝土内部的受损衰变，通过相对动弹模量定义试件的损伤度D，计算公式为

(1)

式(1)中：E0为初始动弹模量；En为经n次冻融循环后的动弹模量。

考虑到抗压强度也是评价混凝土抗冻性的重要指标，因此将试件n次冻融循环后抗压强度与冻融循环前抗压强度相比较，可得试件的相对抗压强度(fcu,n/fcu)。试件的相对抗压强度与其损伤度D密切相关，故对试件的相对抗压强度与损伤度分别进行一次多项式型和指数函数型拟合，一次函数、指数函数的表达式为

y=a+bx

(2)

y=e-(c+px+qx2)

(3)

并对拟合结果进行比较来研究相对抗压强度的衰减规律，并针对内蒙地区对冻融环境下偏高岭土混凝土进行寿命预测。

偏高岭土混凝土fcu,n/fcu与D的关系曲线如图6所示，可见，偏高岭土混凝土试件的相对抗压强度和损伤度之间存在着较好的相关性。当用一次函数表示时，即fcu,n/fcu=a+bD，截距a=0.98，斜率b=-1.61，相对抗压强度与损伤度的关系为负相关，即随着损伤度的增加，试件的相对抗压强度逐渐降低，这是由于随着冻融循环的持续进行，偏高岭土混凝土试件的相对动弹模量逐渐降低、导致损伤度D逐渐增大(试件内部损伤程度愈加严重)，使得相对抗压强度逐渐减小。当用指数函数表示时，即fcu,n/fcu=e-(c+pD+qD2)，回归参数c=0.03、p=1.19、q=3.58。通过对比图6(a)和图6(b)的相关系数R2可以看出，两种函数的拟合关系都能较好地反映相对抗压强度和损伤度之间的关系。

图6 偏高岭土混凝土fcu,n/fcu与D之间的关系

3.2 损伤模型及寿命预测

刘崇熙等[16]建立的混凝土冻融损伤模型为

(4)

式(4)中：n为冻融循环次数；A为损伤系数。

偏高岭土混凝土的相对动弹模量与冻融循环次数及偏高岭土掺量有关，对本次试验所得的相对动弹模量数据进行分析，对上述模型进行改进，可得冻融损伤预测模型为

(5)

式(5)中：B、C均为偏高岭土掺量影响系数，对其进行拟合，拟合结果见表3。

表3 混凝土动弹模量损伤系数和相关系数

利用损伤模型对不同掺量的偏高岭土混凝土试件数据进行回归，结果如表3所示。由表3可知，偏高岭土掺量从0逐渐增大到15%，损失系数由0.001 8逐渐下降到0.000 7，说明偏高岭土掺量与损伤系数存在着一定关系，即在冻融循环次数相同时，偏高岭土掺量增加，其损伤系数逐渐降低。各试件的相关系数均大于0.937，模型的精度较高，可以根据其预测偏高岭土混凝土试件的寿命。

根据文献[17]，以式(5)计算相对动弹模量达到60%(破坏失效)时的最大冻融循环次数n，作为偏高岭土混凝土室内抗冻融循环次数，计算结果见表4。

表4 不同混凝土试件的最大冻融循环次数

从表4中可以看出，根据损伤预测模型计算出试件MK-0的最大冻融循环次数为249，与试验225次时相对动弹性模量下降到61.4%的结果相近，故该预测模型能较好地反映偏高岭土混凝土的实验室寿命。

李金玉等[18]对中国不同地区的室外年平均冻融循环次数进行研究，其中华北84次/年，东北120次/年，西北118次/年，针对内蒙古地区环境，结合表4结果，按照式(6)[18]预测偏高岭土混凝土的实际使用寿命。结果见表5。

(6)

式(6)中：T为预测寿命；k经验系数，根据文献[18]，一般取12，即室外冻融循环与室内快速冻融循环的比值为12；M为年平均冻融循环次数。

由表5可知，偏高岭土掺量越高，预测的混凝土试件使用年限越长，掺加15%的偏高岭土的MK-15试件预测的使用年限最长，可以考虑在实际工程中进行应用。

表5 不同混凝土试件使用寿命预测

4 结论

(1)随着冻融次数的增加，未掺偏高岭土的试件表面掉渣严重，而掺量为15%偏高岭土混凝土试件无明显破坏特征。

(2)当冻融次数增加时,各组试件的抗压强度、相对动弹模量逐渐减小,而质量损失出现相反情况,而偏高岭土掺量越大,抗压强度和相对动弹模量减小的趋势、质量损失率增大的趋势均放缓。

(3)偏高岭土混凝土试件的相对抗压强度与损伤度的关系可用一次函数y=a+bx、指数函数y=e(c+px+qx2)表示，且相关性均较好。

(4)基于损伤模型对偏高岭土混凝土进行寿命预测，发现本掺量为15%的偏高岭土混凝土试件可达耐久性50年以上的使用要求。