趙燕茹， 張建新， 白建文， 劉芳芳

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院， 呼和浩特 010051； 2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院， 呼和浩特 010051； 3.科興電力勘測(cè)設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司, 巴彥淖爾 015000)

中國高嶺土資源豐富，主要分布在北方地區(qū)，其中內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗有著世界罕見的優(yōu)質(zhì)高嶺土礦床，儲(chǔ)量高達(dá)8.1億t[1-2]。高嶺土屬于層狀硅酸鹽結(jié)構(gòu)，在600～880 ℃下煅燒會(huì)使層狀結(jié)構(gòu)脫水生成具有較高活性的偏高嶺土，偏高嶺土中含有大量SiO2、Al2O3等物質(zhì),其與混凝土中的Ca(OH)2發(fā)生火山灰反應(yīng),使混凝土更加密實(shí),進(jìn)而提高了耐久性[3-6]。李云峰等[7]、郝立波[8]發(fā)現(xiàn)偏高嶺土混凝土較普通混凝土具有更好的抗凍性能。于麗波等[9]發(fā)現(xiàn)摻入適量偏高嶺土可以提高水泥對(duì)氯離子的結(jié)合能力，從而使混凝土結(jié)構(gòu)在鹽侵蝕環(huán)境下的破壞程度減小。周建偉等[10]研究了偏高嶺土混凝土在高溫下的力學(xué)性能,發(fā)現(xiàn)偏高嶺土的摻入可以明顯提高混凝土的耐熱性能。

為了使混凝土安全可靠的應(yīng)用于工程實(shí)際，對(duì)其進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)尤為重要。蔣瓊明等[11]基于氯離子二維擴(kuò)散模型計(jì)算了在氯鹽侵蝕環(huán)境下混凝土的可靠度和使用壽命。張廣泰等[12]提出了適用于凍融環(huán)境下的混凝土Weibull凍融損傷模型，并基于相對(duì)強(qiáng)度對(duì)纖維混凝土凍融破壞度進(jìn)行了預(yù)測(cè)。內(nèi)蒙古地區(qū)高嶺土儲(chǔ)量豐富，同時(shí)凍融破壞使混凝土結(jié)構(gòu)嚴(yán)重劣化，因此，針對(duì)高嶺土儲(chǔ)量豐富、且地處寒冷地帶的內(nèi)蒙古地區(qū)，研究偏高嶺土混凝土的抗凍性能及壽命預(yù)測(cè)具有重大意義。通過分析偏高嶺土混凝土在凍融循環(huán)作用下的外觀剝落及抗凍性能指標(biāo)的變化，研究偏高嶺土摻量對(duì)混凝土抗凍性能的影響機(jī)理，并基于相對(duì)動(dòng)彈模量為變量建立凍融損傷模型，同時(shí)對(duì)偏高嶺土混凝土進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

采用P.O 42.5水泥;粗骨料、細(xì)骨料分別選用連續(xù)級(jí)配碎石(密度為2 480 kg/m3)、水洗河沙(密度為2 480 kg/m3);拌合用水采用自來水;偏高嶺土的粒度分布如圖1所示。圖1表明,偏高嶺土粒徑分布在1～10 μm范圍內(nèi)的顆粒占比達(dá)86%,而在80 μm方孔篩下,水泥的篩余量為1.7%。偏高嶺土比表面積為496.54 m2/kg,水泥比表面積為345.56 m2/kg。由以上可知,相比于水泥,偏高嶺土是更細(xì)的微集料。水泥及偏高嶺土的化學(xué)成分見表1。

圖1 偏高嶺土粒度分布

表1 水泥及偏高嶺土的化學(xué)成分

1.2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)設(shè)置四組配比, 偏高嶺土以0、5%、10%、15%質(zhì)量代替水泥，每組6個(gè)試件,棱柱體與立方體試件各3個(gè)。試件在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)24 d,放入18～22 ℃的清水溶液中浸泡4 d后,取出試件,對(duì)試件進(jìn)行編號(hào)，然后采用快凍法[13]進(jìn)行試驗(yàn)。在整個(gè)試驗(yàn)過程中, 控制試件中心溫度為-20～+7 ℃,凍融循環(huán)時(shí)間應(yīng)控制在2～4 h內(nèi)，在每個(gè)凍融循環(huán)周期后，觀察棱柱體試件(100 mm×100 mm×400 mm) 外觀形貌的同時(shí)記錄其質(zhì)量和動(dòng)彈模量，當(dāng)相對(duì)動(dòng)彈性模量減少40%或質(zhì)量損失率達(dá)5%時(shí)，停止試驗(yàn)。隨后取出立方體試件(100 mm×100 mm×100 mm),進(jìn)行抗壓試驗(yàn),操作方法參照規(guī)范[14],記下試件破壞時(shí)的最大荷載。

其中,各組偏高嶺土混凝土配合比見表2。

表2 偏高嶺土混凝土配合比

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 外觀形貌

凍融循環(huán)次數(shù)為0、75、150、225次時(shí)不同摻量的偏高嶺土混凝土試件的外觀形貌如圖2所示，圖片均拍攝于為試件的側(cè)面，尺寸均為400 mm×100 mm。在凍融循環(huán)之前，所有試件表面光滑密實(shí)，整體結(jié)構(gòu)完好無損，如圖2(a)所示。凍融循環(huán)75次后，普通混凝土試件MK-0表面出現(xiàn)微裂紋，而其他試件相比0次均未發(fā)生明顯的變化，如圖2(b)所示。凍融循環(huán)150次后，普通混凝土試件MK-0外觀有明顯的剝落現(xiàn)象，而其他試件的剝落情況相比75次是較嚴(yán)重的，如圖2(c)所示。凍融循環(huán)225次后，如圖2(d)所示，普通混凝土試件MK-0表面凹凸不平、大量的粗骨料外露、外觀剝落嚴(yán)重；摻量為5%的偏高嶺土混凝土試件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，摻量為10%偏高嶺混凝土試件MK-10表面受剝落程度相對(duì)較小，暴露出的孔隙數(shù)量相對(duì)少，整體性較好，而摻15%的偏高嶺土混凝土試件MK-15整體結(jié)構(gòu)完好無損，表面無明顯剝落特征。從外觀形貌的變化可以看出，偏高嶺土的摻入改善了混凝土抗剝落性能，提高了抗凍性。

圖2 凍融循環(huán)前后試件外觀形貌圖

2.2 質(zhì)量損失

圖3為各組試件的質(zhì)量損失率隨凍融次數(shù)的變化規(guī)律。隨著凍融試驗(yàn)的進(jìn)行,各組試件的質(zhì)量損失率逐漸增大。這是由于試件內(nèi)部孔隙中的水分不斷結(jié)冰，由靜水壓力可知，水結(jié)冰體積可增大9%，試件內(nèi)部由于結(jié)冰體積產(chǎn)生膨脹，當(dāng)膨脹應(yīng)力超過臨界值時(shí)，試件內(nèi)部出現(xiàn)裂縫、孔隙結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致試件表面水泥漿體、骨料等剝落增大，故而質(zhì)量損失率不斷增大。在相同的凍融循環(huán)次數(shù)下，總體來看，隨著偏高嶺土摻量的增加，試件的質(zhì)量損失率在逐漸減小。在凍融初期，不同試件的質(zhì)量損失率差距并不明顯；隨著凍融試驗(yàn)的持續(xù)進(jìn)行，各組試件的質(zhì)量損失率差距明顯增大；偏高嶺土摻量越大、曲線的斜率增長(zhǎng)越小、質(zhì)量損失越慢。當(dāng)凍融循環(huán)達(dá)到255次時(shí)，未摻偏高嶺土混凝土試件MK-0質(zhì)量損失率達(dá)到5.44%，達(dá)到破壞的標(biāo)準(zhǔn)；而偏高嶺土摻量為15%的MK-15試件質(zhì)量損失率僅為2.75%。從質(zhì)量損失率來看，混凝土試件的抗凍性隨著偏高嶺土摻量的增加而不斷增大。

圖3 凍融循環(huán)后試件的質(zhì)量損失率

2.3 相對(duì)動(dòng)彈性模量

圖4為各組試件的相對(duì)動(dòng)彈模量的變化規(guī)律。不同摻量偏高嶺土混凝土試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量隨著凍融試驗(yàn)的進(jìn)行逐漸減小。隨著偏高嶺土摻量的增加，相對(duì)動(dòng)彈性模量曲線下降變緩。其中偏高嶺土摻量最大的MK-15試件的相對(duì)動(dòng)彈模量損失值最小。經(jīng)過225次凍融循環(huán)后，摻量分別為0、5%、10%、15%的偏高嶺土混凝土試件MK-0、MK-5、MK-10、MK-15的相對(duì)動(dòng)彈模量分別達(dá)到61.4%、71.2%、78.8%、84.5%，可見，隨著偏高嶺土摻量的增加，混凝土的抗凍性不斷增大，其中偏高嶺土摻量為15%時(shí)，抗凍融性能最好。

圖4 凍融循環(huán)后試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量

2.4 抗壓強(qiáng)度

圖5為各組試件的抗壓強(qiáng)度與凍融次數(shù)的關(guān)系曲線。隨著凍融試驗(yàn)的進(jìn)行，各組試件的抗壓強(qiáng)度逐漸減小;偏高嶺土混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著偏高嶺土摻量的增加逐漸增大。在凍融試驗(yàn)中后期，MK-0、MK-5、MK-10的抗壓強(qiáng)度損失較快，相比之下，MK-15的抗壓強(qiáng)度損失較慢。凍融循環(huán)150次后，不同試件的抗壓強(qiáng)度損失繼續(xù)增加，其中MK-0的抗壓強(qiáng)度損失最嚴(yán)重。225次凍融循環(huán)后，MK-0、MK-5、MK-10、MK-15的抗壓強(qiáng)度較未凍融的試件分別下降了64.7%、48.9%、30.7%、20.2%?？梢?，MK-15抗壓強(qiáng)度損失率最少，抵抗凍融能力最強(qiáng)。由上述分析可知，摻入適量偏高嶺土可改善混凝土的抗凍性能。

圖5 凍融循環(huán)后試件的抗壓強(qiáng)度

2.5 偏高嶺土對(duì)混凝土抗凍性機(jī)理分析

由2.1～2.4節(jié)試驗(yàn)結(jié)果可見，摻入適量偏高嶺土可改善混凝土的抗凍性能。這是由于偏高嶺土在物理方面具有微集料填充效應(yīng)[15]。偏高嶺土的粒徑86%分布在1～10 μm，比表面積496.54 m2/kg(見1.2節(jié))，而水泥的粒徑大都分布在20～30 μm之間,小于10 μm顆粒較少，摻入適量的偏高嶺土可以起到填充水泥孔隙的作用，即從物理方面提高了混凝土的密實(shí)性。同時(shí)偏高嶺土在化學(xué)方面具有加速水化效應(yīng)。偏高嶺土是由高嶺土在高溫下煅燒使結(jié)構(gòu)脫水生成具有較高活性的礦物,可加快混凝土水化反應(yīng)速度,其主要成分SiO2、Al2O3可與混凝土中的Ca(OH)2發(fā)生火山灰反應(yīng),生成偏鋁酸鈣(Ca[Al(OH)4]2)及水化C—S—H凝膠[3-4]，使混凝土在細(xì)觀層次上形成密實(shí)填充體系，即從化學(xué)方面提高了混凝土的抗凍性能。

3 凍融損傷模型與壽命預(yù)測(cè)

3.1 相對(duì)抗壓強(qiáng)度與損傷度之間的關(guān)系

為了能更好地體現(xiàn)混凝土內(nèi)部的受損衰變，通過相對(duì)動(dòng)彈模量定義試件的損傷度D，計(jì)算公式為

(1)

式(1)中：E0為初始動(dòng)彈模量；En為經(jīng)n次凍融循環(huán)后的動(dòng)彈模量。

考慮到抗壓強(qiáng)度也是評(píng)價(jià)混凝土抗凍性的重要指標(biāo)，因此將試件n次凍融循環(huán)后抗壓強(qiáng)度與凍融循環(huán)前抗壓強(qiáng)度相比較，可得試件的相對(duì)抗壓強(qiáng)度(fcu,n/fcu)。試件的相對(duì)抗壓強(qiáng)度與其損傷度D密切相關(guān)，故對(duì)試件的相對(duì)抗壓強(qiáng)度與損傷度分別進(jìn)行一次多項(xiàng)式型和指數(shù)函數(shù)型擬合，一次函數(shù)、指數(shù)函數(shù)的表達(dá)式為

y=a+bx

(2)

y=e-(c+px+qx2)

(3)

并對(duì)擬合結(jié)果進(jìn)行比較來研究相對(duì)抗壓強(qiáng)度的衰減規(guī)律，并針對(duì)內(nèi)蒙地區(qū)對(duì)凍融環(huán)境下偏高嶺土混凝土進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)。

偏高嶺土混凝土fcu,n/fcu與D的關(guān)系曲線如圖6所示，可見，偏高嶺土混凝土試件的相對(duì)抗壓強(qiáng)度和損傷度之間存在著較好的相關(guān)性。當(dāng)用一次函數(shù)表示時(shí)，即fcu,n/fcu=a+bD，截距a=0.98，斜率b=-1.61，相對(duì)抗壓強(qiáng)度與損傷度的關(guān)系為負(fù)相關(guān)，即隨著損傷度的增加，試件的相對(duì)抗壓強(qiáng)度逐漸降低，這是由于隨著凍融循環(huán)的持續(xù)進(jìn)行，偏高嶺土混凝土試件的相對(duì)動(dòng)彈模量逐漸降低、導(dǎo)致?lián)p傷度D逐漸增大(試件內(nèi)部損傷程度愈加嚴(yán)重)，使得相對(duì)抗壓強(qiáng)度逐漸減小。當(dāng)用指數(shù)函數(shù)表示時(shí)，即fcu,n/fcu=e-(c+pD+qD2)，回歸參數(shù)c=0.03、p=1.19、q=3.58。通過對(duì)比圖6(a)和圖6(b)的相關(guān)系數(shù)R2可以看出，兩種函數(shù)的擬合關(guān)系都能較好地反映相對(duì)抗壓強(qiáng)度和損傷度之間的關(guān)系。

圖6 偏高嶺土混凝土fcu,n/fcu與D之間的關(guān)系

3.2 損傷模型及壽命預(yù)測(cè)

劉崇熙等[16]建立的混凝土凍融損傷模型為

(4)

式(4)中：n為凍融循環(huán)次數(shù)；A為損傷系數(shù)。

偏高嶺土混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模量與凍融循環(huán)次數(shù)及偏高嶺土摻量有關(guān)，對(duì)本次試驗(yàn)所得的相對(duì)動(dòng)彈模量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)上述模型進(jìn)行改進(jìn)，可得凍融損傷預(yù)測(cè)模型為

(5)

式(5)中：B、C均為偏高嶺土摻量影響系數(shù)，對(duì)其進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果見表3。

表3 混凝土動(dòng)彈模量損傷系數(shù)和相關(guān)系數(shù)

利用損傷模型對(duì)不同摻量的偏高嶺土混凝土試件數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸，結(jié)果如表3所示。由表3可知，偏高嶺土摻量從0逐漸增大到15%，損失系數(shù)由0.001 8逐漸下降到0.000 7，說明偏高嶺土摻量與損傷系數(shù)存在著一定關(guān)系，即在凍融循環(huán)次數(shù)相同時(shí)，偏高嶺土摻量增加，其損傷系數(shù)逐漸降低。各試件的相關(guān)系數(shù)均大于0.937，模型的精度較高，可以根據(jù)其預(yù)測(cè)偏高嶺土混凝土試件的壽命。

根據(jù)文獻(xiàn)[17]，以式(5)計(jì)算相對(duì)動(dòng)彈模量達(dá)到60%(破壞失效)時(shí)的最大凍融循環(huán)次數(shù)n，作為偏高嶺土混凝土室內(nèi)抗凍融循環(huán)次數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 不同混凝土試件的最大凍融循環(huán)次數(shù)

從表4中可以看出，根據(jù)損傷預(yù)測(cè)模型計(jì)算出試件MK-0的最大凍融循環(huán)次數(shù)為249，與試驗(yàn)225次時(shí)相對(duì)動(dòng)彈性模量下降到61.4%的結(jié)果相近，故該預(yù)測(cè)模型能較好地反映偏高嶺土混凝土的實(shí)驗(yàn)室壽命。

李金玉等[18]對(duì)中國不同地區(qū)的室外年平均凍融循環(huán)次數(shù)進(jìn)行研究，其中華北84次/年，東北120次/年，西北118次/年，針對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)環(huán)境，結(jié)合表4結(jié)果，按照式(6)[18]預(yù)測(cè)偏高嶺土混凝土的實(shí)際使用壽命。結(jié)果見表5。

(6)

式(6)中：T為預(yù)測(cè)壽命；k經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)[18]，一般取12，即室外凍融循環(huán)與室內(nèi)快速凍融循環(huán)的比值為12；M為年平均凍融循環(huán)次數(shù)。

由表5可知，偏高嶺土摻量越高，預(yù)測(cè)的混凝土試件使用年限越長(zhǎng)，摻加15%的偏高嶺土的MK-15試件預(yù)測(cè)的使用年限最長(zhǎng)，可以考慮在實(shí)際工程中進(jìn)行應(yīng)用。

表5 不同混凝土試件使用壽命預(yù)測(cè)

4 結(jié)論

(1)隨著凍融次數(shù)的增加，未摻偏高嶺土的試件表面掉渣嚴(yán)重，而摻量為15%偏高嶺土混凝土試件無明顯破壞特征。

(2)當(dāng)凍融次數(shù)增加時(shí),各組試件的抗壓強(qiáng)度、相對(duì)動(dòng)彈模量逐漸減小,而質(zhì)量損失出現(xiàn)相反情況,而偏高嶺土摻量越大,抗壓強(qiáng)度和相對(duì)動(dòng)彈模量減小的趨勢(shì)、質(zhì)量損失率增大的趨勢(shì)均放緩。

(3)偏高嶺土混凝土試件的相對(duì)抗壓強(qiáng)度與損傷度的關(guān)系可用一次函數(shù)y=a+bx、指數(shù)函數(shù)y=e(c+px+qx2)表示，且相關(guān)性均較好。

(4)基于損傷模型對(duì)偏高嶺土混凝土進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)本摻量為15%的偏高嶺土混凝土試件可達(dá)耐久性50年以上的使用要求。