申向東，鄒欲曉，薛慧君，李根峰

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風(fēng)積沙摻量對(duì)凍融-碳化耦合作用下混凝土耐久性的影響

申向東，鄒欲曉，薛慧君，李根峰

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，呼和浩特 010018）

針對(duì)寒區(qū)農(nóng)業(yè)水利工程中混凝土的實(shí)際服役環(huán)境，利用風(fēng)積沙等質(zhì)量替代部分天然河砂制備不同風(fēng)積沙替代率的混凝土為研究對(duì)象進(jìn)行凍融循環(huán)-碳化耦合試驗(yàn)。分析凍融循環(huán)-碳化耦合作用下風(fēng)積沙混凝土的損傷過程，借助核磁共振儀探討了混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)演變與其耐久性之間的聯(lián)系。試驗(yàn)結(jié)果表明，每個(gè)試驗(yàn)周期中，經(jīng)歷相同凍融循環(huán)次數(shù)和碳化時(shí)間，但作用順序不同的情況下，凍融循環(huán)-碳化作用對(duì)混凝土造成的損傷大于碳化-凍融循環(huán)作用；當(dāng)風(fēng)積沙替代率由0增加至40%時(shí)，混凝土的初始孔隙度降低，同時(shí)試驗(yàn)中的質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量變化減小；混凝土內(nèi)部凝膠孔和少害孔占比對(duì)其孔隙度和相對(duì)動(dòng)彈性模量具有主導(dǎo)作用，當(dāng)凝膠孔和少害孔占比之比在5～25之間時(shí)相對(duì)動(dòng)彈性模量和孔隙度變化不超過1%，在0～5之間減小時(shí)相對(duì)動(dòng)彈性模量和孔隙度變化明顯；風(fēng)積沙的加入改善了混凝土的孔隙分布，風(fēng)積沙替代率為40%的風(fēng)積沙混凝土表現(xiàn)出良好的抗凍融、抗碳化能力。該研究可為風(fēng)積沙混凝土在寒區(qū)農(nóng)業(yè)水利工程中的研究與應(yīng)用提供依據(jù)。

混凝土；耐久性；孔隙度；凍融循環(huán)；碳化

0 引 言

中國(guó)是世界上風(fēng)積沙儲(chǔ)量豐富的國(guó)家之一，風(fēng)積沙廣泛分布于中國(guó)西北、華北和東北的干旱、半干旱地區(qū)，對(duì)這些地區(qū)來說風(fēng)積沙比普通砂更易取得，工程建設(shè)中如果可以就地取材，即利用風(fēng)積沙替代天然河砂作為細(xì)骨料制備混凝土[1-3]，不僅能充分利用當(dāng)?shù)氐淖匀毁Y源、節(jié)約大量的工程成本，還可以改善目前天然河砂儲(chǔ)量不足的問題，具有重要的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。早在1987年，Banfill和Carr[4]首次把風(fēng)積沙作為細(xì)骨料，研究它對(duì)混凝土性能的影響，隨后國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者研究了風(fēng)積沙混凝土的工作性[5-6]、強(qiáng)度[7-9]耐久性[10-13]，其中薛慧君等[12-13]模擬了風(fēng)積沙混凝土在內(nèi)蒙古引黃灌區(qū)和風(fēng)蝕區(qū)氯鹽環(huán)境下的農(nóng)業(yè)水利工程建設(shè)中的實(shí)際服役環(huán)境，配制出了滿足該環(huán)境中農(nóng)業(yè)水利工程設(shè)計(jì)要求的風(fēng)積沙混凝土，眾多研究表明，風(fēng)積沙作為細(xì)骨料用于混凝土材料是可行的。

混凝土作為一種非均質(zhì)的多相復(fù)合材料，內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)其耐久性有重要影響，原材料和外界環(huán)境的改變會(huì)導(dǎo)致孔隙結(jié)構(gòu)的變化。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，空氣污染，氣候變化等環(huán)境問題日益嚴(yán)重，混凝土服役環(huán)境越來越復(fù)雜，受自然環(huán)境影響的混凝土耐久性問題也在不斷增加。在寒區(qū)農(nóng)業(yè)水利工程建設(shè)中，凍融循環(huán)最為普遍，它嚴(yán)重影響了混凝土結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期使用和安全運(yùn)行，伴隨著大氣中CO2含量的增高，寒區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)同樣面臨著CO2的侵蝕，碳化會(huì)降低混凝土的pH值，較低的pH環(huán)境會(huì)破壞混凝土內(nèi)鋼筋的鈍化膜，加速鋼筋的腐蝕[14]，凍融循環(huán)和碳化對(duì)混凝土的損傷破壞不僅僅是單因素的簡(jiǎn)單疊加，雖然國(guó)內(nèi)外關(guān)于單一因素對(duì)混凝土耐久性的影響已開展了大量的研究[15-17]，董偉等[18]通過混凝土凍融循環(huán)試驗(yàn)，定量分析了風(fēng)積沙輕骨料混凝土的抗凍耐久性能；嚴(yán)佳川等[19]基于概率論和損傷理論，建立了可用于預(yù)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)壽命的凍融損傷模型；吳俊臣等[20]通過混凝土加速碳化試驗(yàn)，建立了以風(fēng)積沙混凝土摻量為主要參數(shù)的碳化深度預(yù)測(cè)模型；Ebrahimi等[21]指出，控制混凝土內(nèi)的含氣量、孔隙度、裂縫寬度和選擇合適的外加劑是提高混凝土抗凍性的主要因素；Rimmelé等[22]研究了CO2環(huán)境中水泥試件的碳化，測(cè)量了試驗(yàn)過程中總孔隙度和局部孔隙度的演變，許多研究得到的結(jié)論和經(jīng)驗(yàn)公式已經(jīng)在學(xué)術(shù)界達(dá)成共識(shí)，并在工程實(shí)際中得到了廣泛應(yīng)用[23-24]，但迄今為止，關(guān)于混凝土構(gòu)件在凍融循環(huán)和碳化耦合作用下的研究還很少，需要更系統(tǒng)的了解碳化和凍融循環(huán)耦合作用下混凝土耐久性的劣化規(guī)律[25-26]。

本文以不同風(fēng)積沙等質(zhì)量替代天然河砂制備的風(fēng)積沙混凝土為研究對(duì)象，分析凍融循環(huán)和碳化耦合作用對(duì)風(fēng)積沙混凝土的微觀和耐久性能的影響，同時(shí)基于核磁共振技術(shù)深入分析了風(fēng)積沙混凝土在凍融循環(huán)-碳化耦合作用下的內(nèi)部孔隙演化過程，以期為風(fēng)積沙混凝土在寒區(qū)農(nóng)業(yè)水利工程建設(shè)與應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 原材料

本文使用的原材料現(xiàn)列舉如下：水泥為冀東P·O42.5普通硅酸鹽水泥，密度3.11×103kg/m3，細(xì)度6.8 %，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量27.25 %（達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)稠度水泥凈漿時(shí)用水量與水泥質(zhì)量之比），體積安定性合格，初凝時(shí)間158 min，終凝時(shí)間270 min，燒失量3.1%，3 d抗壓強(qiáng)度26.8 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度47.6 MPa，3 d抗折強(qiáng)度5.2 MPa，28 d抗折強(qiáng)度8.3 MPa；粉煤灰取自呼和浩特市金橋熱電廠Ⅰ級(jí)粉煤灰，理化參數(shù)指標(biāo)見表1。圖1為試驗(yàn)所用的粗骨料與細(xì)骨料的顆粒級(jí)配曲線，其中粗骨料為卵碎石，表觀密度為2 670 kg/m3，堆積密度為1 650 kg/m3，含泥量0.37%，壓碎值3.7%，針片狀含量3%，粒徑范圍為4.75～19 mm，顆粒級(jí)配如圖1a所示；細(xì)骨料為河砂和風(fēng)積沙，粒徑范圍為0.075～4.75 mm，風(fēng)積沙取自內(nèi)蒙古鄂爾多斯市庫布齊沙漠，不同風(fēng)積沙替代率的細(xì)骨料顆粒級(jí)配如圖1b所示。細(xì)骨料主要理化參數(shù)見表2，風(fēng)積沙替代率分別為0、20%、30%、40%時(shí)4組細(xì)骨料的細(xì)度模數(shù)分別為3.0、2.5、2.0、1.2；拌合用水為普通自來水；減水劑采用聚羧酸類母液sc-40型高效減水劑；引氣劑為SJ-3型高效引氣劑。

注：表中百分比均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

Note: Percentages in the table are all mass fractions.

注：圖中S-0、S-20、S-30、S-40分別代表風(fēng)積沙替代率為0、20%、30%、40%的混凝土細(xì)骨料。

表2 細(xì)骨料主要理化參數(shù)

注：表中百分比均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

Note: Percentages in the table are all mass fractions.

1.2 混凝土配合比設(shè)計(jì)

為研究不同風(fēng)積沙替代率對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，同時(shí)考慮風(fēng)積沙的替代率不宜過高，這是因?yàn)楫?dāng)風(fēng)積沙替代率大于40%后，混凝土的抗壓強(qiáng)度開始下降，并且在拌合過程中會(huì)出現(xiàn)混凝土成型困難等問題[5]；Khay等[27]制備了不同風(fēng)積沙替代率的混凝土，結(jié)果發(fā)現(xiàn)風(fēng)積沙替代率為60%時(shí)制備出的混凝土最適合用于路面；Seif[28]經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)風(fēng)積沙摻量與混凝土強(qiáng)度成負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.99，同時(shí)當(dāng)風(fēng)積沙摻量大于60%以后，混凝土的和易性明顯降低。造成這種現(xiàn)象的原因可以從微觀和宏觀2個(gè)角度進(jìn)行分析。Cyr等[29]研究結(jié)果顯示，當(dāng)在混凝土中添加少量或大量顆?；蚍勰r(shí)（如本研究中的風(fēng)積沙顆粒），風(fēng)積沙的多少對(duì)混凝土強(qiáng)度的增益是不同的，少量或中等量的風(fēng)積沙可以提高混凝土強(qiáng)度，而大量風(fēng)積沙的加入則會(huì)呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)；同時(shí)由于風(fēng)積沙比表面積大，風(fēng)積沙替代率的增加會(huì)使需要的水泥漿量大幅增加，相同水膠比情況下導(dǎo)致高替代率的風(fēng)積沙混凝土水泥量相對(duì)不足，進(jìn)而引起來混凝土的強(qiáng)度和工作性能的下降。

因此本研究中根據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50080-2016）[30]制備水膠比為0.4，砂率為0.35，風(fēng)積沙替代率為0、20%、30%、40%的4種混凝土，由于風(fēng)積沙顆粒粒徑較細(xì)、比較面積較大，吸水性差，所以相同水量條件下風(fēng)積沙摻量越多的混凝土拌合物流動(dòng)性較大，同時(shí)由于混凝土內(nèi)部的水以自由水、吸附水和填充水的形式存在，不同形式的水對(duì)工作性起著不同的作用[31]，風(fēng)積沙的加入可以使混凝土內(nèi)部的填充水轉(zhuǎn)換為自由水，這能有效改善混凝土的工作性，因此4組混凝土塌落度隨風(fēng)積沙摻量增加而減小[10]，4組混凝土試件塌落度隨風(fēng)積沙摻量增加而降低但均大于100 mm（滿足《普通混凝土拌和物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50080-2016）要求）。抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082-2009）[32]對(duì)養(yǎng)護(hù)至齡期的3組立方體試件進(jìn)行試驗(yàn)，28 d立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值均滿足規(guī)范要求。

表3 試驗(yàn)用混凝土配合比與性能

1.3 試驗(yàn)方法

本研究中，凍融循環(huán)試驗(yàn)和碳化試驗(yàn)分別利用混凝土快速凍融機(jī)（TDR-16型）和混凝土碳化試驗(yàn)箱（NJTH-B）。依據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082-2009）中“快凍法”和“混凝土碳化試驗(yàn)”進(jìn)行，每隔設(shè)計(jì)凍融循環(huán)次數(shù)或預(yù)定碳化時(shí)間后取出試件，測(cè)定各組棱柱體試件的質(zhì)量和動(dòng)彈性模量。為了研究2因素相互作用產(chǎn)生的影響，試驗(yàn)設(shè)計(jì)2種工況，具體細(xì)節(jié)見圖2。

注：F-C表示凍融循環(huán)-碳化試驗(yàn)；C-F表示碳化-凍融循環(huán)試驗(yàn)；F表示凍融循環(huán)作用；C表示碳化作用；1、2、3、4表示周期數(shù)；F1、F2、F3、F4的凍融循環(huán)次數(shù)分別為：25次、25次、50次、100次。下同

2 結(jié)果與討論

2.1 質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量

試驗(yàn)過程中混凝土的質(zhì)量損失率可以反應(yīng)混凝土表面剝落程度，相對(duì)動(dòng)彈性模量的衰減可以反應(yīng)混凝土內(nèi)部裂紋和孔隙發(fā)育的情況，圖3分別為2種工況下4種混凝土的質(zhì)量損失率及相對(duì)動(dòng)彈性模量變化。由圖3發(fā)現(xiàn)，4種混凝土在2種工況下的質(zhì)量損失率均呈上升的趨勢(shì)，相對(duì)動(dòng)彈性模量曲線均呈下降的趨勢(shì)，4種混凝土在C-F中承受的碳化天數(shù)大于在F-C中承受的碳化天數(shù)；風(fēng)積沙替代天然河砂的量越多，試件質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量變化越小，如S-0在F-C和C-F作用結(jié)束后質(zhì)量損失率分別為3.7%、3.3%，相對(duì)動(dòng)彈性模量分別為94.0%、95.2%，而S-40混凝土在2種工況作用后質(zhì)量損失率分別為1.5%、0.7%，相對(duì)動(dòng)彈性模量分別為97.9%、98.2%；試件質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量均在在凍融循環(huán)后變化較大，在碳化作用后變化不大；各組試件均在第3周期中的凍融循環(huán)試驗(yàn)后全部破壞，這是因?yàn)閮鋈谘h(huán)時(shí)，混凝土內(nèi)部可凍水結(jié)冰造成體積增大，孔隙結(jié)構(gòu)承受凍脹力和滲透壓作用，而碳化過程中CO2通過擴(kuò)散機(jī)制緩慢地由混凝土表面向內(nèi)進(jìn)行，會(huì)優(yōu)先作用于混凝土表層的水化產(chǎn)物，因此凍融循環(huán)對(duì)混凝土造成的損傷大于碳化作用[33-34]。此外，混凝土在工況F-C中的相對(duì)動(dòng)彈性模量下降程度與C-F工況中相比較多，如S-0在F-C工況中試驗(yàn)結(jié)束后的相對(duì)動(dòng)彈性模量下降了5.9%，而在C-F工況中實(shí)驗(yàn)結(jié)束后相對(duì)動(dòng)彈性模量下降了4.7%，進(jìn)一步可以證實(shí)，先進(jìn)行碳化試驗(yàn)可以使試件結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，表層因碳化作用生成的CaCO3會(huì)使混凝土密實(shí)，減少了后續(xù)凍融循環(huán)造成的質(zhì)量損失。

注：Initial：表明試件處于初始狀態(tài)，下同。

試驗(yàn)后期凍融循環(huán)后風(fēng)積沙摻量越多的混凝土質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量變化幅度與普通混凝土相比明顯減小，如S-0在F-C工況的第3個(gè)周期中凍融循環(huán)作用后質(zhì)量損失率增加1.0%，相對(duì)動(dòng)彈性模量降低1.8%，而S-40在F-C工況的第3個(gè)周期中凍融循環(huán)作用后質(zhì)量損失率增加0.6%，相對(duì)動(dòng)彈性模量降低1.0%，這是因?yàn)楹笃趦鋈谘h(huán)次數(shù)增多、試件經(jīng)過之前的損傷內(nèi)部結(jié)構(gòu)不再致密，同時(shí)風(fēng)積沙的加入對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)起到填充和異相成核的作用[1,10]，風(fēng)積沙顆粒粒徑遠(yuǎn)小于普通河砂，在混凝土攪拌過程中，風(fēng)積沙比天然河砂更易進(jìn)入混凝土內(nèi)的多孔結(jié)構(gòu)，這會(huì)使內(nèi)部結(jié)構(gòu)較基準(zhǔn)組混凝土密實(shí)，因此風(fēng)積沙替代率為40%的混凝土在2種工況下的抗凍融、抗碳化能力較其他3組混凝土有明顯提高。

2.2 核磁共振

近年來，核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）技術(shù)被用作表征混凝土微觀結(jié)構(gòu)的有效方法。核磁共振方法是非破壞性和非侵入性的，測(cè)試結(jié)果更接近真實(shí)情況。在真空條件下飽和后，多孔介質(zhì)中的大部分孔被水占據(jù)，NMR通過測(cè)量水的質(zhì)量和密度來計(jì)算多孔介質(zhì)中孔隙的體積，可以獲得孔隙度和孔隙分布等參數(shù)[35]。

圖4為各組試件孔隙度變化。分析圖4發(fā)現(xiàn)，隨著風(fēng)積沙替代天然河砂的量的增加，孔隙度明顯降低，如F-C工況中4組混凝土的初始孔隙度分別為1.8%、1.7%、1.6%、1.2%，4組試件的孔隙度均在凍融循環(huán)后增加明顯，而在碳化作用后變化不大，風(fēng)積沙摻量越多孔隙度曲線變化越小，這與前文的質(zhì)量損失和相對(duì)動(dòng)彈性模量變化一致，說明隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，凍融循環(huán)過程中凍脹力作用會(huì)使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更粗糙，漿體的松動(dòng)和滑移越來越嚴(yán)重，造成孔隙度增加，在碳化過程中C-S-H的碳化會(huì)釋放大量游離水產(chǎn)生低摩爾體積的水合硅膠，同樣會(huì)導(dǎo)致混凝土的孔隙度增加[36-37]，所以反復(fù)地凍融循環(huán)和碳化作用會(huì)使材料內(nèi)部損傷擴(kuò)大并積累，最終造成混凝土開裂或剝落，但隨著風(fēng)積沙的摻量的增加有效抑制了這一過程。F-C工況中S-0在試驗(yàn)完畢時(shí)孔隙度為5.3%，而C-F工況中S-0在試驗(yàn)完畢時(shí)其孔隙度為7.8%，同樣F-C工況中S-20和S-30在試驗(yàn)完畢時(shí)孔隙度為5.1%、2.4%，而在C-F工況中試驗(yàn)完畢時(shí)孔隙度為6.0%、4.9%，混凝土內(nèi)部孔隙發(fā)育即孔隙度的增大會(huì)使混凝土面臨凍融循環(huán)時(shí)的可凍水含量增多，進(jìn)而影響混凝土的耐久性，而試驗(yàn)過程中試件孔隙度在C-F中試驗(yàn)完畢時(shí)均大于F-C中的孔隙度，但各組試件在C-F中承受的試驗(yàn)周期數(shù)卻大于F-C中承受的試驗(yàn)周期數(shù)，一定程度說明孔隙度不能很好的評(píng)價(jià)混凝土耐久性。

圖4 不同工況下各組混凝土的孔隙度變化

通過核磁共振試驗(yàn)對(duì)混凝土內(nèi)部孔隙進(jìn)行4組分劃分（圖5），分別為凝膠孔（孔隙半徑小于0.05m），毛細(xì)孔（孔隙半徑在>0.05～1m之間），少害孔（孔隙半徑在>1～10m之間）和多害孔（孔隙半徑大于10m）。分析圖5發(fā)現(xiàn)，隨著凍融循環(huán)和碳化作用的交替進(jìn)行，4組分孔隙分布演變可以表征試件內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的變化；2種工況中少害孔占比隨試驗(yàn)進(jìn)行呈增加的趨勢(shì)；S-0試件的少害孔和多害孔占比之和在2種外界作用后均增加，這是因?yàn)樵囼?yàn)過程中普通混凝土內(nèi)部凝膠孔和少害孔在外界條件作用下發(fā)育，擴(kuò)張為少害孔和多害孔?；炷猎馐芴蓟饔脮r(shí)，CO2通過孔隙等通道滲入內(nèi)部，隨時(shí)間的推移逐步溶解于孔隙中的液相，與水泥水化過程中產(chǎn)生的水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)生成碳酸鹽等中性物質(zhì)[38]，化學(xué)反應(yīng)式見式（2）-式（5）。

CO2+H2O→H2CO3（2）

Ca(OH)2+H2CO3→CaCO3+2H2O （3）

3CaO·SiO2·3H2O+3H2CO3→3CaCO3+2SiO2+6H2O （4）

2CaO·SiO2·4H2O+2H2CO3→2CaCO3+SiO2+6H2O （5）

生成的CaCO3能一定程度抑制凍融循環(huán)造成的損傷，F(xiàn)-C工況中混凝土首先經(jīng)歷凍融循環(huán)對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷較劇烈，后期碳化作用不能彌補(bǔ)凍融循環(huán)造成凍脹力破壞，所以C-F工況中能明顯看到碳化作用對(duì)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)凝膠孔和毛細(xì)孔的影響。

圖5 凍融循環(huán)-碳化耦合作用下的4組分孔隙分布

般來說試件內(nèi)部凝膠孔和毛細(xì)孔占比越多，少害孔和多害孔占比越少，則其結(jié)構(gòu)越密實(shí)，外界不利因素對(duì)其造成的損傷越弱。通過分析4種孔隙占比演變與試驗(yàn)過程中試件孔隙度和相對(duì)動(dòng)彈性模量的關(guān)系發(fā)現(xiàn)：試驗(yàn)過程中混凝土的孔隙度和相對(duì)動(dòng)彈性模量變化與毛細(xì)孔占比、多害孔占比相關(guān)性不大，其原因主要為混凝土碳化是由表及里的，表層碳化的部分會(huì)抑制后期碳化的進(jìn)行，但凍融循環(huán)會(huì)使混凝土表層的碳化產(chǎn)物剝落，再加上內(nèi)部孔隙發(fā)育導(dǎo)致風(fēng)積沙與水泥石剝離，會(huì)填充部分小孔隙，因此造成混凝土內(nèi)部毛細(xì)孔占比、多害孔占比不同程度的增加與減少，同時(shí)由于試驗(yàn)中的4種孔隙分布的劃分未考慮孔隙特征對(duì)混凝土耐久性的影響，例如最可幾孔徑對(duì)混凝土的抗凍性影響較大，因此后期試驗(yàn)中混凝土內(nèi)部毛細(xì)孔占比、凝膠孔占比與孔隙度和相對(duì)動(dòng)彈性模量擬合曲線的離散性較大，造成了其相關(guān)性較低。

而2工況試驗(yàn)過程中的凝膠孔占比、少害孔占比與混凝土孔隙度和相對(duì)動(dòng)彈性模量變化相關(guān)系數(shù)較高，如圖6和圖7所示，說明凝膠孔和少害孔對(duì)混凝土孔隙度和相對(duì)動(dòng)彈性模量具有主導(dǎo)作用，因此在2種工況試驗(yàn)過程中當(dāng)混凝土內(nèi)凝膠孔占比越大、少害孔占比越小時(shí)，此時(shí)混凝土的孔隙度越小，相對(duì)動(dòng)彈性模量越大，表明混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)較密實(shí)，而當(dāng)混凝土內(nèi)部凝膠孔占比減小、少害孔占比增加時(shí)，混凝土的孔隙度增大、相對(duì)動(dòng)彈性模量減小，表明混凝土結(jié)構(gòu)受到損傷，內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松，如圖5a中S-0初始狀態(tài)時(shí)試件內(nèi)部凝膠孔占比為70.7%，少害孔占比為24.6%，孔隙度為1.8%，相對(duì)動(dòng)彈性模量為100%，而當(dāng)試件在F-C工況結(jié)束時(shí)它的凝膠孔占比減小至24.4%，少害孔占比增加至41.4%，孔隙度增大至5.3%，相對(duì)動(dòng)彈性模量降低至94.0%。

圖6 凝膠孔占比、少害孔占比與孔隙度的擬合關(guān)系圖

圖7 凝膠孔占比、少害孔占比與相對(duì)動(dòng)彈性模量的擬合關(guān)系圖

通過上述分析，可定義本研究中混凝土的凝膠孔占比與少害孔占比的比值為，來表征混凝土內(nèi)部孔徑分布變化，其計(jì)算式見公式（6）。以此為依據(jù)得到2種工況試驗(yàn)過程中混凝土的孔隙度、相對(duì)動(dòng)彈性模量變化與值之間的聯(lián)系，如圖8所示。

式中S表示第個(gè)試驗(yàn)周期中凝膠孔占比，%；S表示第個(gè)試驗(yàn)周期中少害孔占比，%。

注：w值為凝膠孔占比和少害孔占比的比值。

圖8a中同一組試件的點(diǎn)均沿軸的逆方向即從右向左代表同一工況下混凝土由結(jié)構(gòu)完整向結(jié)構(gòu)損傷演變的過程。分析圖8a發(fā)現(xiàn)，值與試驗(yàn)過程中混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量變化成正相關(guān)（<0.05），值較大混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量變化減小，其中值的變化可以大致分為2個(gè)階段，當(dāng)值在5～25之間時(shí)，試件的相對(duì)動(dòng)彈性模下降均不超過99%，此時(shí)試件受到的損傷較弱，因此該狀態(tài)時(shí)的孔隙分布有利于混凝土的耐久性，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，孔隙發(fā)育導(dǎo)致混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松，值減小，當(dāng)值在0~5之間減小時(shí)，混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量急劇下降，試件遭受的損傷加劇，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)不再密實(shí)，因此該狀態(tài)時(shí)的孔隙分布不利于混凝土耐久性。由圖8b可知，值與試驗(yàn)過程中混凝土的孔隙度變化成負(fù)相關(guān)（<0.01），值與孔隙度變化趨勢(shì)曲線同樣可以分為2個(gè)階段，當(dāng)值在5～25之間時(shí)，值越大混凝土的孔隙度變化越小，變化幅度不超過1%，此時(shí)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)，孔隙分布有利于混凝土耐久性，隨著試驗(yàn)進(jìn)行，混凝土內(nèi)部孔隙在外界環(huán)境作用下發(fā)育，值在0～5之間減小時(shí)混凝土的孔隙度急劇增加，此時(shí)孔隙分布不利于耐久性，隨著外界條件造成的損傷不斷疊加最終導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)失效。

3 結(jié) 論

1）各組混凝土試件在碳化-凍融循環(huán)試驗(yàn)中承受的碳化天數(shù)大于凍融循環(huán)-碳化試驗(yàn)中承受的碳化天數(shù)，質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量均在凍融循環(huán)后變化明顯，而在碳化作用后變化不大，風(fēng)積沙替代天然河砂的量越多，試驗(yàn)過程中混凝土的質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量變化越小。

2）風(fēng)積沙替代率越高，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)越致密，風(fēng)積沙的加入降低了混凝土的孔隙度，優(yōu)化了內(nèi)部孔隙分布，其中風(fēng)積沙替代率為40%的混凝土有著明顯良好的抗凍融、抗碳化能力。

3）試驗(yàn)過程中混凝土內(nèi)部凝膠孔與少害孔占比之比在5～25之間時(shí)，混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量和孔隙度變化均不超過1%，凝膠孔與少害孔占比之比在0～5之間降低時(shí)，相對(duì)動(dòng)彈性模量和孔隙度變化明顯，凝膠孔與毛細(xì)孔占比之比可以反映試驗(yàn)過程中內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷。

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Effect of aeolian sand content on durability of concrete under freezing-thawing-carbonization coupling

Shen Xiangdong, Zou Yuxiao, Xue Huijun, Li Genfeng

(010018)

China is one of the countries with abundant reserves of aeolian sand in the world. Aeolian sand is widely distributed in North China. If the material can be taken locally in the construction of the project, that is, the aeolian sand can be used to replace natural river sand as fine aggregate to prepare concrete, which can not only promote the development of the construction industry, but also slow down the sand damage and benefit the environment. According to the actual service environment of concrete in the agricultural water conservancy projects of cold regions, the river sand was replaced by aeolian sand, and the concrete samples with different aeolian sand substitution rates were prepared. And they were used as the research objects for the freeze-thaw cycle-carbonization coupling test. An analysis was conducted on the damage process of aeolian sand concrete under the influence of freezing-thaw cycle-carbonization coupling. The relationship between the pore structure evolution of concrete and its durability was discussed by nuclear magnetic resonance instrument. The internal damage of different treatments concrete were analyzed by measuring the mass loss and dynamic elastic modulus of different periods of concrete. The test results showed that under the condition of the same number of freeze-thaw cycles and carbonization time in each test cycle, the damage caused by freeze-thaw cycle-carbonization was greater than that of carbonization-freeze-thaw cycle. With the increase in the number of freeze-thaw cycles and carbonization time, the concrete mass loss rate significantly increased while the relative dynamic elastic modulus greatly decreased; when the replacement rate of aeolian sand increased from 0 to 40%, the initial porosity of the concrete decreased, and the mass loss rate and relative dynamic modulus change in the test decreased. So the porosity of the concrete could not be used as an indicator in this test to accurately evaluate concrete durability; the pore distribution of concrete at different time was measured by nuclear magnetic resonance technology. The internal pores of concrete were divided to gel pores (0-0.05m), capillary pores (>0.05-1m), less harmful pores (>1-10m) and more harmful pores (>10m). Through the correlation analysis between the evolution of four kinds of pore proportions and the porosity and the relative dynamic elastic modulus of concrete, it was found the proportion of gel pores and less harmful pores in concrete had a dominant effect on its porosity and relative dynamic elastic modulus. When the ratio of gel pores to less harmful pores was 5 - 25, the change of the relative dynamic elastic modulus and porosity were not more than 1%; and the change of the relative dynamic elastic modulus and porosity of the concrete were change obviously when the ratio of gel pores to less harmful pores was 0-5; The addition of aeolian sand improved the pore distribution of concrete, and the aeolian sand concrete with an aeolian sand replacement rate of 40% showed a good resistance to freeze-thaw and carbonization. This study can provide a basis for the research and application of aeolian sand concrete in agricultural water conservancy projects of cold regions.

concrete; durability; porosity; freeze-thaw cycle; carbonization

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.02.021

TU528

A

1002-6819(2019)-02-0161-07

2018-09-07

2019-01-04

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51569021，51769025）

申向東，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事混凝土耐久性及水工新材料研究。Email：ndsxd@163.com

申向東，鄒欲曉，薛慧君，李根峰.風(fēng)積沙摻量對(duì)凍融-碳化耦合作用下混凝土耐久性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(2)：161－167. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.02.021 http://www.tcsae.org

Shen Xiangdong, Zou Yuxiao, Xue Huijun, Li Genfeng. Effect of aeolian sand content on durability of concrete under freezing-thawing-carbonization coupling[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(2): 161－167. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.02.021 http://www.tcsae.org