冻融循环与水流冲磨耦合作用下混凝土损伤进程

白银 叶小盛 刘海祥 吕乐乐 宁逢伟 张丰

摘要：冬季寒冷地区与水流接触的混凝土，常常会受到冻融循环和水流冲磨的双重作用，二者耦合后的作用机理及损伤进程尚不明确。研究了混凝土在冻融循环和水流冲磨耦合作用下的损伤进程，从混凝土质量损失、相对动弹性模量出发进行混凝土损伤评价，详细分析了C40、C50、C55混凝土分别在单独冻融循环、单独水流冲磨以及冻融-冲磨耦合作用下的损伤进程。结果表明：耦合作用下混凝土表面剥落严重，且质量损失超过了单独冻融循环和单独冲磨作用下质量损失之和。同时，冻融-冲磨耦合作用下的相对动弹模下降较多，C40混凝土的相对动弹模低至52%，加快了混凝土的失效过程;冻融循环作用导致混凝土结构疏松，进而促进了水流对混凝土的冲磨作用，使混凝土损伤加剧。

关键词：冻融循环;水流冲磨;冻融-冲磨耦合;混凝土损伤;损伤进程

中图法分类号：TV431文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.11.013

1 研究背景

冻融破坏是降低混凝土耐久性的重要因素之一，多发生于寒冷地区，尤其是我国东北、华北、西北等地区。在寒冷地区，水工混凝土在使用过程中不仅受到冻融破坏，还会受到水流冲刷的作用，水流冲刷也会使混凝土遭到一定程度的破坏。

目前，关于混凝土冻融循环破坏的研究有很多，也有关于冻融循环与其他因素耦合作用的研究，如冻融循环与氯盐侵蚀耦合作用[1-2]、冻融循环与外部荷载耦合作用[3-6]以及冻融循环、氯盐侵蚀和外部荷载3种因素的耦合作用[7-10]等。由于水工混凝土所处环境复杂，研究其在多因素耦合作用下的损伤进程尤为重要。关于混凝土在冻融循环与水流冲磨耦合作用下损伤进程的研究较少，开展此方面的研究具有重要意义。

以混凝土重量损失、相对动弹性模量作为混凝土损伤的评价指标，研究了冻融-冲磨耦合作用对混凝土的损伤进程，通过对比单独冻融循环、单独水流冲磨作用对混凝土的损伤，分析了冻融-冲磨耦合作用对混凝土损伤的机理。

2 试验条件

2.1 原材料

水泥采用海螺P·O42.5普通硅酸盐水泥，粉煤灰采用云南宣威电厂生产的Ⅰ级粉煤灰，矿粉为潍坊钢铁厂S95级粒化高炉矿渣粉，减水剂为南京瑞迪高新技术公司提供的聚羧酸高性能减水剂，砂采用天然河砂，表观密度为2 690 kg/m3，石为石灰岩碎石，表观密度为2 670 kg/m3。混凝土配合比采用的是典型桥梁工程用配合比（见表1）。

2.2 试验方法

抗冲磨试验参考DL/T 5207-2005《水工建筑物抗冲磨防空蚀混凝土技术规程》附录A中的水砂磨损机试验进行，水砂磨损机如图1所示。试件为圆弧形试件，见图2。

冻融循环试验采用单面冻融法，参考GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》。为与冲磨试验耦合，混凝土试件改为与抗冲磨试验相同的弧形试件（见图1），内弧面受冻;冻融介质由原来的NaCl溶液改为自来水，冻融循环8次进行1次测试。

3 三种侵蚀作用下混凝土损伤进程分析

3.1 单独水流冲磨作用下

抗冲磨试验是在实验室的封闭空间内完成的，在冲磨过程中会发热，因此无法直接用冰块或冰屑作为冲磨介质。为尽可能地模拟携带冰块、冰屑等悬浮介质的水流对混凝土的冲磨作用，在水流中掺入适量的砂替代冰块或冰屑。

抗冲磨试验结果见图3。由图3可知，C40、C50、C55混凝土在水流冲磨作用下的质量损失比较接近，差异在15%以内。对于不同强度等级的混凝土，胶凝材料用量隨着强度等级提高而增加，易被磨掉的部分增加;水泥石自身的强度随着强度等级提高而提高，不易被磨掉。因此，C40、C50、C55混凝土被冲磨掉的质量非常接近。

从混凝土质量损失的历程来看，前3 h混凝土的磨损速率明显较快，大于3 h以后的磨损速率。这说明最初混凝土表面的浆体比例较大，冲磨时的剥落量较大;一旦表面浆体剥落后，混凝土骨料大面积暴露，而骨料的耐磨性大于浆体的耐磨性，因此冲磨导致的质量损失降低。从量值上观察，经过5 h的冲磨，混凝土质量损失均在200～230 g，平均磨损40～46 g/h。

冲磨作用的过程主要体现在冲磨介质逐步剥削混凝土表面的砂浆，骨料逐渐外露，冲磨至一定程度后，出现骨料脱落的现象，如图4所示。经多次冲磨后，混凝土表面的砂浆已经剥落，粗骨料大量外露。

3.2 冻融循环作用下

冻融循环作用下，混凝土的破坏主要表现为表皮脱落和结构疏松，这点与水流冲磨不同。因为水流冲磨只能冲磨混凝土表面，对混凝土内部没有影响，而冻融循环过程中，混凝土整体温度均会降低和升高，所有孔隙内部的水都会结冰膨胀，但由于混凝土的传热较慢，内外略有细微差别。

冻融循环作用下混凝土的质量损失和质量损失率如图5所示。从图5可以看出，在冻融循环作用下，C40混凝土的剥落量一直增加，经80次冻融循环累积损失324 g，质量损失率达到3.9%，然而经过同样的冻融循环后，C50、C55混凝土质量损失仅约40 g，抗冻融循环能力明显高于C40混凝土。

冻融循环作用下混凝土的相对动弹性模量如图6所示。从图6可以看出，C40、C50、C55混凝土冻融循环80次后的相对动弹性模量均高于60%（相对动弹性模量判据），其中C40混凝土的相对动弹性模量最低（74%），说明在含气量相当的前提下，提高混凝土的强度等级对改善混凝土的抗冻性效果明显。

从量值上观察，经过80次冻融循环，C40混凝土质量损失324g，C50、C55混凝土质量损失约40g;质量损失率都小于5%，C40混凝土质量损失率最大为3.9%;相对动弹模均大于60%，C40混凝土相对动弹模最低为74%。

冻融循环作用下混凝土的表面状态如图7所示。从图7可以看出，经冻融循环作用后，C40混凝土骨料大面积暴露，而C50和C55混凝土骨料暴露面积较小，这与混凝土质量损失情况一致。

3.3 冻融循环与水流冲磨耦合作用下

按照“冲磨0.5 h+冻融8次”，即先将试样冲磨0.5 h，再冻融8次进行冻融-冲磨耦合作用试验，冻融循环与水流冲磨耦合作用下，混凝土的质量损失见图8。由图8可知，经过10次耦合作用，C40混凝土累计进行了5 h冲磨和80次冻融循环，表面剥落质量达到740 g，而经历同样历程的C50和C55混凝土剥落质量均约370 g，质量损失量值均远大于单独冲磨或者单独冻融循环时的值。

在双重侵蚀作用下，混凝土表面剥落明显，如图9所示。混凝土表面大量的砂浆体在冻融-冲刷耦合作用下被剥落，石子裸露，质量损失严重。这与混凝土质量损失结果一致。

值得注意的是，冻融-冲磨耦合作用下混凝土的质量损失并不等于单独冲磨与单独冻融作用的相加，如图10所示。由图10（a）可知，C40混凝土在冻融-冲磨耦合作用下的质量损失达到740 g，而单独冲磨作用（223 g）与单独冻融作用（325 g）相加是548 g，高出35%;图10（b）中C50混凝土在耦合作用下质量损失为353 g，比二者单独作用相加（247 g）高出43%;同样，图10（c）中C55混凝土在耦合作用下质量损失为383 g，比二者单独作用相加（252 g）高出52%。冻融-冲磨耦合作用下的质量损失超过了单独冻融和单独冲磨作用之和。

冻融-冲磨耦合作用下的质量损失率和相对动弹模见图11。由图11可知，C40混凝土的质量损失率已经超过冻融循环判据5%，高至9%，相对动弹模低于判据60%，低至52%;C50和C55混凝土的质量损失率都达到了4%，相对动弹模降至68%和75%，比单独冻融循环时的数值下降较多。

3.4 混凝土表面微观结构

采用500倍的显微镜观测混凝土表面微观结构，单独冲磨作用、单独冻融循环作用及冻融-冲磨耦合作用下的混凝土表面微观结构如图12～14所示。

由图12可知，混凝土骨料周边与水泥石（水泥浆体硬化体）的粘结界面完好，水泥石部分剥落，骨料裸露，骨料表面磨损后呈较光滑的状态。由图13可以看出，混凝土骨料周边与水泥石的粘结界面间隙较大，表面整体有较明显的结冰痕迹，部分水泥石剥落，骨料裸露，骨料表面保持原始的骨料外形，未见磨损光滑的现象。由图14可知，混凝土骨料周边与水泥石的粘结界面间隙变大，有明显的结冰痕迹，部分水泥石剥落，骨料裸露，骨料表面呈磨损后的光滑状态。冻融-冲磨耦合作用中的两种侵蚀作用相互促进，混凝土在冻融环境中，微结构在结冰压力的直接作用下变疏松，而冲磨作用将疏松的浆体冲掉。

4 冻融-冲磨耦合作用机理

混凝土单独冲磨0.5 h和混凝土冻融后冲磨0.5 h的平均质量损失，见图15。由图15可知，仅进行单独冲磨作用的混凝土的平均质量损失在20 g左右，而经受冻融后，再冲磨0.5 h的混凝土平均质量损失增加，C55混凝土的平均质量损失高达38.9 g，C40混凝土的平均质量损失最低，达到32.8 g，增加幅度明显。表明混凝土经过冻融循环后，在结冰压力的作用下，结构变疏松，在冲磨作用下更易剥落，即冻融对冲磨破坏起到了显著的促进作用。

混凝土单独冻融8个循环和混凝土冲磨后再冻融8个循环的平均质量损失，见图16。由图16可知，单独冻融循环和冲磨后再冻融的混凝土的平均质量损失相差不大，表明冲磨作用只能作用在混凝土的表面，除了磨掉的部分，其余混凝土仍然质地坚硬密实，再继续冻融时，并无明显加剧混凝土剥落的现象。

因此，混凝土在冻融-冲磨耦合作用下损伤加剧的主要原因是冻融作用促进了冲磨作用，冻融导致的结构疏松，使混凝土表面在冲磨作用下更易剥落。

5 结 论

（1）在冻融-冲磨耦合作用下，C40混凝土剥落严重，其质量损失率和相对动弹模快速衰减至失效，C50和C55混凝土性能接近，抵抗冻融-冲磨耦合作用的能力均高于C40混凝土;

（2）冻融-冲磨耦合作用下，混凝土损伤大幅增加，超过了单独冻融循环和单独冲磨作用之和，发生了1+1>2的效应;

（3）冻融-冲磨耦合作用机理为冻融循环作用促进了冲磨作用，冻融循环使得混凝土内部结构疏松，在冲磨作用下更易剝落。

参考文献：

[1] Verbeck C J， Kiieger P. Studies of salt scaling of concrete [J].  Highway Research Board Bulletin， 1957（150）： 1-13.

[2] Marchand J， Pigeon M， Bager D， et al. Influence of chloride solution concentration on deicer salt scaling deterioration of concrete [J].  ACI Materials Journal， 1999， 96（4）：429-435.

[3] 严安.  在荷载与冻融双因素下混凝土的损伤过程[D]. 南京：东南大学， 1998.

[4] 慕儒， 严安， 孙伟.  荷载作用下高强混凝土的抗冻性[J].  东南大学学报， 1998（28）：138-143.

[5] Sun W， Zhang Y M， Yan H D. Damage and damage resistance of high strength concrete under the action of load and freeze-thaw cycles [J].  Cement and Concrete Research， 1999（29）： 1519-1523.

[6] 刘波.  模拟荷载作用下的混凝土耐久性研究[D].  南昌： 南昌大学， 2007.

[7] 曹银.  多因素协同作用下粉煤灰-矿渣粉混凝土耐久性能的研究[D].  北京： 中国建筑材料科学研究总院， 2013.

[8] 黄鹏飞， 包亦望， 姚燕.  在盐冻循环、钢锈与弯曲荷载协同作用下钢筋混凝土的损伤失效研究[J].  工业建筑， 2005， 35（5）： 63-67.

[9] 王阵地， 姚燕， 王玲.  冻融循环-氯盐侵蚀-荷载耦合作用下混凝土中钢筋的锈蚀行为[J].  硅酸盐学报， 2011， 39（6）： 1022-1026.

[10] Sun W， Mu R， Luo X， et al. Effect of chloride salt， freeze-thaw cycling and externally applied load on the performance of the concrete [J].  Cement and Concrete Research. 2002（32）： 1859-1864.

（编辑：唐湘茜）