1模拟自然环境的综合耐久性试验步骤
自然界中的混凝土设施一直处于各种因素同时或交互的作用中，在室内模拟自然环境对混凝土综合耐久性的影响，在理论上和技术上都存在困难。因此，在现有研究基础上，设计了由多个单项耐久性循环试验组成的综合耐久性循环试验方法，力求真实地反映不同自然环境因素共同作用时混凝土耐久性的劣化规律。氯盐侵蚀能阻碍混凝土的碳化，阻碍由碳化对混凝土强度及密实性等的升高作用，故先进行氯盐侵蚀条件下的干湿循环试验，再进行碳化试验，最后进行冻融循环。根据试验室内标准普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准，碳化的时间为28d，抗硫酸盐侵蚀试验15个循环(本试验将硫酸盐换为氯盐)，25次冻融循环结束后进行动弹模量测试，本研究设计进行三个大循环，每个大循环做10d的碳化，每个大循环做5个干湿循环，冻融循环做25个进行冻融循环试验。混凝土综合耐久性的试验流程如下:(1)混凝土立方体试样养护至7、14、28d时，测试其抗压强度。(2)混凝土棱柱体试样养护至56d时，开始进行氯盐侵蚀条件下的干湿循环试验，每个干湿循环需2d，共进行5个循环，共需10d。干湿循环试验完毕后，放在盐水中浸泡4d，测试所有试样的动弹模量。(3)完成干湿循环的试样开始进行碳化试验，碳化时间为10d。碳化试验完毕后，放在盐水中浸泡4d，测试所有试样的动弹模量。(4)完成碳化试验的试样，开始进行混凝土试样的冻融循环试验，共进行25个循环，约需4d。冻融循环试验完毕后，测试所有试样的动弹模量，并取其中一个试样，测试混凝土微观孔隙含量。(5)上述所有试验组成一个综合耐久性循环试验，共计需32d。第一个综合耐久性试验完成后，按(2)～(4)顺序进行第2个综合耐久性循环试验。本研究共进行了2个综合耐久性循环试验，混凝土劣化至冻融循环试验的停止条件，故停止试验。为进一步了解经过综合劣化后混凝土的情况，完成第2个综合耐久性循环试验的试样，在标准养护室养护64d后，测试剩余所有试样的动弹模量，并取其中一个试样，测试混凝土微观孔隙含量。为了进行对比，安排了对比试样放在标准养护室中持续养护，并在上述试验节点的相同龄期，测试了对比试样的相关性能，如动弹模量和微观孔隙构造。
2试验结果及分析
2．1混凝土抗压强度不同龄期的两种混凝土的抗压强度见表4所示。从表4可以看出，不论是普通混凝土还是粉煤灰混凝土，抗压强度随龄期增长而增长，掺加粉煤灰的混凝土的强度略低于普通混凝土强度，特别是当龄期较短情况下。混凝土28d抗压强度为49MPa和48MPa，均达到了C40混凝土的强度要求。
2．2混凝土动弹模量
大量试验数据资料和以往研究显示，水泥混凝土内部的裂纹扩展或界面强度的衰减都会直接导致混凝土动弹模量的下降。动弹模量是评价混凝土内部损伤的有效指标，同时动弹模量的测试为非破坏试验，因此，可以利用进行耐久性试验的试样进行无损检测。本研究将混凝土动弹模量的变化作为反映混凝土综合耐久性破坏的指标进行了测试。不同混凝土经过耐久性试验后的动弹模量变化趋势见图1所示。从图1可以看出，没有经受耐久性影响、一直在标准养护室养护状态下，不论普通混凝土还是掺加粉煤灰的混凝土，混凝土的动弹模量都呈持续增加趋势。这是由于水泥混凝土通过水泥的持续水化使混凝土内部逐渐密实、强度逐渐提高，因而动弹模量持续增加。与普通混凝土相比，掺加粉煤灰后混凝土的动弹模量稍有降低，但不明显。本研究耐久性起始龄期为56d，此时粉煤灰的二次水化作用逐渐显现，因而动弹模量有一定提高，表明粉煤灰类矿物添加剂可以起到增加混凝土后期强度的效果。而对于经受综合耐久性作用的试样，混凝土的动弹模量出现波浪形变化。不论普通混凝土还是掺加粉煤灰的混凝土，干湿循环和碳化对修复混凝土内部损伤、提高混凝土动弹模量都具有一定的促进作用。与碳化相比，干湿循环对混凝土的修复作用更加明显。试验结果显示，冻融循环作用对混凝土的破坏作用是决定性的。在本研究探讨的混凝土耐久性影响因素中，即使是在氯盐环境中，干湿循环对混凝土的修复作用也比较明显，碳化也不会增加混凝土内部损伤，对于修复混凝土内部损伤有一定作用。而经过第一个综合耐久性的冻融循环后，混凝土动弹模量出现下降，最大下降幅度达到45%。而经过第二个综合耐久性的冻融循环后，混凝土动弹模量最大下降幅度达到68%。干湿循环和碳化对混凝土的修复不能阻挡冻融循环对混凝土的巨大破坏作用。从图1还可以看出，混凝土的内部损伤是在耐久性影响因素的综合作用下逐渐累积而增加的。本研究进行了两个循环的综合耐久性试验，动弹模量累计下降率达到69%。由于试验是在氯盐环境中进行的，混凝土的冻融破坏非常显著，如果在非氯盐环境中进行试验，动弹模量的下降率可能会减小。两个综合耐久性试验完成并在标准养护室养护64d后，在水泥进一步水化作用下，混凝土内部损伤得到进一步的恢复，动弹模量恢复到综合耐久性试验之前的80%。试验结果还显示，虽然利用粉煤灰代替了等质量的水泥，但混凝土的耐久性完全没有降低，这进一步表明矿物添加剂对混凝土耐久性有改善作用。
2．3混凝土微观孔隙构造
在某种程度上，微观孔隙构造决定了混凝土的宏观性能。国际著名水泥混凝土材料专家内维尔(Neville)在《PropertiesofConcrete》一书中指出“孔隙可以用于预测混凝土的各方面性能”。因此，经受综合耐久性影响因素作用的混凝土微观孔隙构造发生何种变化，对于了解其宏观性能的变化将有一定的帮助作用。本研究利用压汞仪测试了综合耐久性试验过程中水泥混凝土内部微观孔隙构造，并计算出了微观孔隙的分形参数。不同混凝土经受和未经受耐久性影响因素作用的混凝土微观孔隙构造特征参数主要参数绘制成图，见图2～5所示。分形维数表征微观孔隙的复杂程度，平均孔径表征孔隙的大小程度，总表面积表征孔隙表面的大小，这四种指标均表征混凝土内部的密实程度、孔隙的多少和大小、孔隙的复杂程度。从上述四图可以看出，对于不经受耐久性影响因素作用的混凝土，随着养护时间的延长，混凝土内部总孔隙量下降、总表面积减小、平均孔径增加，说明混凝土在水化作用下持续密实，内部孔隙变少、变小。而分形维数的增加则表明混凝土内部孔隙变的复杂，水泥水化结晶作用堵塞了部分孔隙，使总孔隙量下降、孔隙形状更加复杂。其次，在低龄期时，普通水泥混凝土的孔隙量较掺加粉煤灰的水泥混凝土的孔隙量多、孔隙构造复杂，随着龄期的增加，二者的差异减小，粉煤灰的二次水化作用比较明显。对于经受耐久性影响因素作用的混凝土，除上述特点外，更主要特点是冻融循环作用使混凝土内部构造发生了明显的改变，特别是第二个综合耐久性试验循环后，微观孔隙总孔隙量和总表面积明显增加、分形维数明显下降，均表明冻融作用对混凝土内部产生了巨大的损伤。结果还显示，经过养护，受冻融循环作用产生的内部损伤可以得到部分恢复，对于混凝土宏观性能的提高是有积极作用的。
2．4微观构造与动弹模量的关系
上述分析表明，经过耐久性影响因素作用后，混凝土的力学性能(动弹模量)和微观孔隙构造均有比较规律的变化。图6为二者关系图，图中包括了经受和未经受耐久性影响因素作用的混凝土的试验数据。从图6可以看出，水泥混凝土的动弹模量与微观孔隙总孔隙量之间具有较好的相关性。粉煤灰混凝土的总孔隙量比普通水泥混凝土大，而二者之间的动弹模量没有明显差异。混凝土微观孔隙其他特征指标与动弹模量的关系与此类似，在此不再赘述。图6混凝土微观孔隙与动弹模量的关系上述结果表明，混凝土微观孔隙特征参数和动弹模量与混凝土类型、混凝土所经受的环境条件具有较好的一致性，利用该类指标可以很好的表征水泥混凝土的综合耐久性。
3结论
本研究设计了模拟自然环境的水泥混凝土综合耐久性试验方法和流程，进行了2种水泥混凝土的综合耐久性试验，测试了混凝土动弹模量、微观孔隙构造等性能。主要可以得到以下结论:(1)设计的由单项耐久性循环试验组成的综合耐久型循环试验方法，与混凝土实际工作状态更接近，更能准确反映水泥混凝土在实际自然环境中的状态。试验结果表明，该方法可以准确反映混凝土经受的各种耐久性影响因素的作用，又能综合反映混凝土的耐久性变化特征，因此该方法具有较好的合理性和实用性。(2)利用动弹模量和微观孔隙构造特征参数表征混凝土耐久性变化情况，试验结果表明这些指标可以准确反映不同耐久性影响因素的作用程度，与混凝土耐久性状态具有较好的相关性，因此可以作为水泥混凝土综合耐久性的评价指标。本研究在模拟自然环境下的水泥混凝土综合耐久性试验方法和表征方法方面进行了初步探讨，但所涉及的混凝土类型较少，目前只进行了两个大循环的综合耐久性试验，室内各种单项耐久性影响因素试验方法(主要为试验时间)与实际混凝土设施所处环境的对应关系还没有建立。今后需要就这些内容进行进一步深入的研究。
作者：张金喜 马宝成 冉晋 魏建军 单位：北京工业大学
