低热混凝土与中热混凝土抗冻性能及孔隙特征的对比研究

混凝土是工程领域应用最为广泛的材料，中国年均混凝土生产量高达120亿吨，占全世界年均混凝土生产量的40%。混凝土由胶凝材料、骨料、水及外加剂在水化反应作用下形成，在水化过程中混凝土释放大量水化热，其最高温度可达50~70℃。混凝土外表面与内部间温差导致混凝土内外部应力不均，混凝土内部出现裂缝，严重威胁结构的寿命安全。降低温升是缓解混凝土内部裂缝演化的关键，特别是对于大坝等大体积混凝土结构，降低水化热是改善结构隐患最简单有效的方法。寒冷及高寒地区的混凝土大坝长期遭受冻融循环作用，混凝土坝内的热应力具有独特的分布规律。大量研究表明，冻融循环作用降低大坝混凝土强度，增加其渗透性，显著影响大坝结构的运行安全。因此，研究冻融循环作用对寒冷地区混凝土大坝的影响具有重要意义，本文着重分析低热混凝土在冻融循环作用下宏细观性能的发展，从孔隙演化角度探明低热混凝土抗渗性能与抗冻性能得以改善的机理。1、试验方法本研究制备的试件包括低热混凝土与中热混凝土两组，两组混凝土的配合比相同，见表1。试件均为100mm×100mm×100mm标准立方体试件，在标准养护条件下养护28d后进行力学试验、快速冻融循环试验与孔隙试验。快速冻融循环试验参照GB/T50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行，分别对0次、10次、25次、50次、75次和100次冻融循环后试件的相对动弹性模量与质量损失率进行测试。表1混凝土配合比

kg/m32、试验结果2.1抗冻性能图1为低热混凝土和中热混凝土冻融循环试验结果。从图1中可以看出，随着冻融循环次数的增加，两组试件的相对动弹性模量逐渐减小，且中热混凝土的减小程度均大于低热混凝土。当冻融循环次数为44次时，中热混凝土达到冻融破坏，而低热混凝土的相对动弹性模量为75%，最终低热混凝土经过65次冻融循环后失去了抗冻性。当相对动弹性模量达到60%后，中热混凝土的冻融破坏发展较快，而低热混凝土的冻融破坏则较为缓慢且稳定。在图1b中，两组试件的质量损失率随着冻融循环次数的增加而增加，且在冻融循环早期增加更为明显。中热混凝土和低热混凝土的最大抗冻融循环次数分别为64次和88次。在冻融循环的前10个周期中，两组的相对动弹性模量和质量损失的差异不明显，且随着冻融循环的进行，差异越来越大。因此，低热混凝土可以显著提高混凝土的抗冻融性能，特别是在长期冻融循环条件下。图1抗冻性能试验结果2.2压汞试验的进退汞曲线特征及孔分布情况本试验研究低热和中热混凝土的孔隙特征，根据进退汞曲线来分析孔型以及孔隙的连通性。低热混凝土的孔隙度为14.963%，中热混凝土的孔隙度为19.492%。由图2可知，中热混凝土的孔隙连通性要高于低热混凝土，其进汞曲线近乎一条直线。同时根据退汞曲线可以间接评估开放孔的含量，中热水泥的开放孔含量要高于低热混凝土，而开放孔为水的侵入提供了主要路径。好的连通性和较多的开放性孔对混凝土的抗水性都是不利的，这也说明低热水泥更适合应用在水工领域。图3为相同养护条件下低热和中热混凝土孔体积对应孔径曲线。经对比可以得到小于100nm的孔隙分布情况是相近的，在孔径大于100nm时，低热混凝土的孔体积要低于中热混凝土。对于1 000nm以上的大孔，中热混凝土的含量明显高于低热混凝土。图2压汞曲线对比图3孔体积分布2.3液氮试验的吸附解吸曲线砂浆基体试样的等温吸附/解吸曲线如图4所示。根据IUPAC标准，滞后回线为H4型类似。N2吸附分支倾向于单层-多层自由吸附。首先在孔隙表面进行单分子吸附，然后进行多分子吸附，最后进入毛细管冷凝阶段。对于吸附分支，主要是在相对压力较低的部分（P/P0<0.3）进行多层吸附。由于中孔和大孔吸附过程中的毛细管缩聚作用，随着P/P0的增大，曲线又开始上升。在图4中，两个试样的等温解吸曲线在P/P0=0.95~0.99范围内急剧下降。随着P/P0的减小，分离现象越来越明显。在P/P0=0.45~0.50，由于蒸发作用和气体分子在孔隙表面的解吸作用，解吸曲线明显下降。在相对压力较低的区域，解吸分支稳定下降，与吸附分支重合。需要指出的是多层吸附在P/P0=0.3处结束。低热试件的最大吸附量高于中热试件，低热混凝土的微孔含量较高。两组试件解吸支均有明显的垂直变化，中热试件更为明显。这反映了低热混凝土相比中热试件存在较少的墨水瓶孔隙。图4液氮曲线对比图5为BJH模型和DFT模型计算的孔径分布。BJH模型主要关注中孔和部分大孔（<150nm）的孔径分布。两个试件的孔径分布均呈单峰分布。低热试件和中热试件的最可能孔径分别为3.01~3.43nm和2.37~2.49nm。DFT模型适用于描述较小介孔（2~30nm）和微孔的分布。结果表明：所有试样的主要孔隙均为3nm左右的微孔，两组试样的孔径分布非常相似，整体上低热试件的微孔发育得更好。通过表面分形分析，进一步探讨两组试样的微观差异和孔隙结构的非均质性。图5孔体积分布3、讨论Frenkel–Halsey–Hill（FHH）模型被公认为对评价多孔材料表面特征的有效可靠方法。本研究采用FHH模型来评价孔隙表面的粗糙度和复杂性。ln（V/V0）与ln（ln（P0/P））的对数图可以从液氮吸附的数据得到。如图6所示，所有的点通常在ln（ln（P0/P））=-0.50处划分为两条线段。其中-0.5值对应的是直径约为5nm的孔。为表示不同方面的孔隙特征，将两个不同的线性区间分别表示为低压和高压下不同液氮吸附机制的结果。通过对两部分数据进行线性拟合，可以得到分形维数D1和D2。D1为直径小于5nm的单分子层孔覆盖，D2为中孔和大孔（>5nm）的多层孔覆盖。通过对整个压力段的线性回归得到平均分形维数（D）来评价孔隙结构的整体非均质性。D1和D2的取值范围为2~3。D1的值越小表示表面越光滑，D2的值越小表明孔径分布范围越窄。由图6可以明显得到低热试件小于5nm的孔表面是更加粗糙的，对于中孔和大孔（>5nm），其发育良好，有较大范围的分布且更加复杂。整体上，低热试件的孔隙表面更为复杂，这将增加液体的渗径，直接影响到混凝土的抗渗性，并且低热混凝土的少害孔（<100nm）含量高于中热混凝土，而有害孔（>100nm）含量明显低于中热混凝土，在快速冻融过程中，由于低热混凝土较好的孔隙结构使得水力膨胀引起的劣化得到了抑制。图6N2吸附等温线