冻融作用下风积沙浮石混凝土孔结构分形特征*

薛慧君 郑建庭 邹春霞 侯雨丰 刘 鑫,3

(1.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院， 呼和浩特 010018； 2.内蒙古农业大学能源与交通工程学院， 呼和浩特 010018； 3.鄂尔多斯应用技术学院土木工程系， 内蒙古鄂尔多斯 017000)

0 引 言

浮石是一种具有发达孔隙结构的天然非金属矿产，也称为火山石[1]。浮石可以作为轻骨料配制混凝土，许多研究表明其具有低密度、低弹性模量、低导热性等特质，特别是浮石混凝土丰富的孔结构使其具有良好的抗冻性[2-3]。现阶段浮石混凝土的细骨料，主要采用颗粒级配良好、杂质较少、品质较优的天然河砂，但随着河砂限采政策的实施，寻求天然河砂的替代品势在必行。风积沙主要来源于沙漠及沙地区域的天然特细沙，可作为岩土工程材料使用，尤其是在软土加固、路基隔断层、路面基层或垫层等工程[4-6]。此外，风积沙还可以替代部分河砂配制风积沙混凝土，相关研究表明，在适当替代率范围内风积沙混凝土力学性能和耐久性可满足一般土木与水利工程使用[7-9]。

现阶段诸多研究者采用不同测试手段对不同工况下浮石轻骨料混凝土服役性能及微观结构进行表征。Dong等利用原子力显微镜对浮石混凝土抗冻性能进行研究，从水化产物原子间的空间排列角度阐释其内部结构[10]；Domagata等利用扫描电镜、X射线衍射对轻骨料混凝土界面过渡区进行分析，并对轻骨料孔隙中水化硅酸钙凝胶的发育情况进行判定[11]；Korat等利用X射线断层扫描和压汞仪协同测试，分析不同温度下的轻骨料混凝土孔隙分布[12]；刘倩等研究表明氯盐干湿循环下浮石轻骨料混凝土侵蚀机理主要为小孔隙和中小孔隙向大孔隙和裂纹发育，且生成代表性腐蚀产物Friedel盐[13]；王仁远等研究表明风蚀与冻融耦合作用下浮石混凝土破坏程度较单一风蚀、冻融损伤破坏更为严重，且风蚀加速浮石混凝土冻融损伤进程[14]。综上所述，众多研究者利用了不同测试手段对浮石混凝土服役性能及微结构特征进行表征[15-16]，但是针对适量风积沙掺入的浮石混凝土，其孔隙特征的变化规律研究甚少，特别是针对寒冷地区涉水浮石混凝土，孔隙特征是影响其抗冻性的重要因素之一，所以研究冻融循环条件下风积沙浮石混凝土孔结构演变很有必要。

本研究利用天然浮石作为粗骨料配制混凝土，采用库布其沙漠风积沙部分替代河砂，研究风积沙浮石混凝土抗冻性，通过核磁共振测试不同风积沙替代率的浮石混凝土孔结构特征，利用T2谱曲线变化、T2谱积分面积、孔隙度、水饱和度、分形维数等指标对混凝土孔结构进行表征，并分析风积沙浮石混凝土与普通浮石混凝土孔隙特征方面的不同。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料与配合比

水泥选用冀东P·O 42.5普通硅酸盐水泥；粉煤灰选用呼和浩特西郊热电厂F类ΙΙ级粉煤灰；细骨料为风积沙及河砂，风积沙取自库布其沙漠腹地，河砂取自呼和浩特砂厂，两者主要物理化学指标如表1所示；天然浮石粗骨料取自呼和浩特市，粒径范围为4.75～26.5 mm，堆积密度为737 kg/m3，表观密度为1 757 kg/m3，1 h吸水率为7.91%，筒压强度为2.9 MPa，压碎指标为40.1%；水选用普通自来水；外加剂选用复合型高效引气减水剂，减水率为20%。

表1 风积沙与河砂物理化学指标

试验配制水胶比为0.45的风积沙浮石混凝土，采用等质量替代法用风积沙替代部分河砂，替代率分别为0%、20%、40%、60%，混凝土配合比见表2。

表2 风积沙浮石混凝土配合比

1.2 试验方法

采用100 mm×100 mm×400 mm棱柱体混凝土试件进行抗冻性试验，每组3块，将试件标准养护24 d后，置于(20±2)℃水中浸泡4 d，试件在28 d开始抗冻性试验，试验前测定初始质量和初始动弹性模量。每个冻融循环在4 h内完成，融化时间不少于整个循环时间1/4。每隔25次冻融循环测定试件质量和相对动弹性模量，设计冻融循环为200次。

采用TDR-16型混凝土快速冻融试验机进行冻融循环试验，用感量5 g的电子秤称量试件质量损失，借助NELD-DTV型动弹性模量测定仪测定试件动弹性模量；采用MesoMR型核磁共振分析系统中CPMG脉冲序列测定浮石混凝土孔隙特征，用直径56 mm钻头对混凝土试件钻芯取样，将钻取的混凝土圆柱体切割成高度为50 mm的核磁共振试样，然后置于负压真空饱水仪，对混凝土样品进行24 h真空负压饱水处理。

2 试验结果与讨论

2.1 质量损失率变化

不同风积沙替代率的浮石混凝土冻融循环200次前后照片如图1所示，不同风积沙替代率的浮石混凝土冻融循环质量损失率如图2所示。由图可知：随着冻融循环次数的增加，浮石混凝土质量损失均不同程度的增大；对于D组浮石混凝土，质量损失率曲线增长幅度最大，在150次冻融循环后其质量损失率即达到GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》规定的5%的上限[17]；而其余3组，质量损失率均随着冻融循环呈现缓慢增长趋势，其中A组质量损失率曲线增长最为缓慢，在冻融循环25次后质量损失率出现微弱负增长，冻融循环200次后质量损失率仅为0.57%，从质量损失率角度说明其抗冻性最佳；B和C组混凝土，质量损失率随冻融循环次数增加趋势差异性较小，冻融循环200次后质量损失率分别为1.10%和0.91%，说明两者抗冻性较好且相差不大。对于风积沙替代率60%的浮石混凝土，在水胶比相同的情况下，风积沙替代率超过一定范围，导致混凝土中水泥浆体对风积沙的包裹能力降低，从而减小了硬化混凝土的机械咬合力，在冻融循环过程中，冰-水两相交替作用对机械咬合力较弱的风积沙水泥浆体产生作用力，导致风积沙水泥浆体发生剥落，从而影响浮石混凝土抗冻性。

a—冻融循环0次； b—冻融循环200次。

图2 浮石混凝土冻融循环质量损失率

2.2 相对动弹性模量变化

不同风积沙替代率的浮石混凝土冻融循环作用下相对动弹性模量变化如图3所示。由图可知：随着冻融循环次数的增加浮石混凝土相对动弹性模量均呈现衰减趋势；对于A和D组混凝土，相对动弹性模量衰减较为明显，冻融循环200次后，相对动弹性模量分别衰减至89.55%和88.00%，且A组在冻融循环150次之内，相对动弹性模量始终衰减最大，在冻融循环25次后，相对动弹性模量衰减为92.90%；而B和C组混凝土，相对动弹性模量随冻融循环次数增加变化较小，冻融循环200次后，相对动弹性模量变化幅度微弱，仅衰减至96.50%和98.21%。

图3 浮石混凝土冻融循环相对动弹性模量变化

综合考虑质量损失率和相对动弹性模量两个评判指标，风积沙替代率低于40%时，不影响浮石混凝土的抗冻性，当替代率达60%时，浮石混凝土抗冻性显著下降。此外，衡量风积沙浮石混凝土冻融循环破坏，质量损失率比相对动弹性模量更为敏感，即冻融循环对风积沙混凝土表层浆体质量剥落破坏比其内部相对动弹性模量损伤更为严重。

2.3 核磁共振孔隙结构

2.3.1核磁共振T2谱图

浮石混凝土冻融循环200次前后核磁共振T2谱分布曲线如图4所示，冻融循环前后浮石混凝土T2谱积分面积如表3所示。由图4、表3可知：经冻融循环200次后除B组外其他组浮石混凝土T2谱峰均有左移趋势，且4组浮石混凝土各峰积分面积普遍增大，即随着冻融次数的增加浮石混凝土的内部孔隙数量也呈增长趋势，其中A组第一峰积分面积相对于其他组别增长幅度最大，增长了64.45%；在冻融循环200次后第三峰信号幅度变得极弱，可忽略不计；B组第一峰面积增长幅度仅次于基准组，增长了60.56%，在冻融循环200次后第三峰完全消失；C组整体峰面积相对于其他组别增长幅度最大，增长了111.52%，且主要为第二峰面积增长，第二峰面积与冻融前相比增长了179.54%；D组第一峰积分面积出现减小现象，第三峰积分面积由极其微弱的0.853增长至1 067.395。说明在相同冻融循环次数条件下当风积沙掺量大于40%后，浮石混凝土内部孔隙结构会发生明显改变，出现大量对冻融损伤产生促进作用的大尺寸孔隙，且此时浮石混凝土抗冻性将显著下降。

a—A组； b—B组； c—C组； d—D组。

表3 浮石混凝土核磁共振T2谱积分面积

2.3.2孔隙类型

通过核磁共振T2谱可以计算混凝土孔隙分布情况[18-20]，进一步根据Yaman等的研究[21]将混凝土孔隙分为3类：微毛细孔(r≤100 nm)、大毛细孔(1001 000 nm)。冻融循环前后轻骨料混凝土的孔隙类型占比如图5所示。由图可知：冻融循环前A组浮石混凝土中有害孔占比26.98%最小、微毛细孔占比46.74%最多，其余3组中以风积沙掺量为40%的C组浮石混凝土的孔径分布最接近于基准组，冻融循环后A组浮石混凝土微毛细孔占比变化不大，有害孔占比减少，而其余3组浮石混凝土微毛细孔占比均大幅度降低，其中C组下降幅度最大，达到15.4%，但C组大毛细孔占比增长幅度是4组里最大的，达到10.94%，这说明C组浮石混凝土小孔隙在经过冻融循环后向大孔隙演变，且C组中有害孔占比增长幅度最接近基准组。故在浮石混凝土中掺入风积沙，会因为掺量的变化而使孔隙结构产生不同程度的劣化。

a—冻融前； b—冻融后。有害孔； 大毛细孔； 微毛细孔。

将冻融循环前后的孔径占比变化量与浮石混凝土冻融循环后质量损失率相关联，可发现随着风积沙掺量的增加，浮石混凝土的质量损失率与100 nm1 000 nm有害孔占比变化率的变化趋势相同；将冻融循环前后的孔径占比变化量与冻融循环前后相对动弹性模量变化相关联所得的结论与质量损失率基本一致。这说明对于浮石混凝土，100 nm1 000 nm有害孔占比增多会削弱其抗冻能力。

2.3.3孔隙特征参数

1)孔隙度。冻融循环前后各组浮石混凝土孔隙度如图6所示。由图可知：在冻融循环后各组浮石混凝土吸水孔隙度均较冻融循环前有所增大。A组浮石混凝土冻融前吸水孔隙度为1.095%，冻融循环后A组吸水孔隙度增大至4.403%，增长幅度最大；冻融循环后B、C组浮石混凝土吸水孔隙度分别为4.784%和4.527%，与A组混凝土吸水孔隙度相差不大，且宏观抗冻性方面A、B和C组混凝土抗冻性均满足设计要求；而D组轻骨料凝土冻融循环前后吸水孔隙度均明显高于其他组混凝土，分别为3.581%和6.005%，说明60%的风积沙掺入明显增大了浮石混凝土中吸水孔隙度的比例，且D组宏观抗冻性不满足设计要求，侧面反映出可以通过吸水孔隙度的大小判定浮石混凝土抗冻性的优劣。

图6 冻融循环前后浮石混凝土孔隙度

2)水饱和度。对于小孔隙中的流体，氢质子自由度较低且束缚力较大，对于大孔隙中的流体，氢质子自由度较高且束缚力较弱，T2截止值为束缚水和自由水分界值，小于该值的水存在于小孔隙中，大于该值的水存在于大孔隙中，利用孔隙分布可计算得到水饱和度[19-20]。冻融循环前后浮石混凝土的水饱和度如图7所示。由图可知:各组浮石混凝土冻融循环200次后代表小孔隙的束缚水饱和度呈减小趋势，代表大孔隙的自由水饱和度呈增大趋势。结合抗冻性试验，对于D组200次冻融循环后孔隙率6.01%，自由流体饱和度77.59%，两者为试验组中的最大值和较大值，且该组浮石混凝土抗冻性最差。随着冻融循环进行，大孔隙中的流体受到冰-水两相反复作用，对孔隙产生一定孔隙压力，试件表层风积沙水泥浆体产生的冻融损伤破坏较大[10]，导致表面风积沙水泥浆体大面积剥落，质量损失率迅速增大，但内部浮石混凝土骨料与界面过渡区相对稳定，相对动弹性模量变化较少。对于A、B和C组浮石混凝土，风积沙替代率低于40%，孔隙度和自由水饱和度均低于D组，在抗冻性试验中，试件表面风积沙浆体产生的冻融损伤破坏较小，风积沙浆体剥落较少，质量损失率变化不大。

图7 冻融循环前后浮石混凝土水饱和度

3)最可几孔径。最可几孔径是混凝土中所有孔隙里出现占比最高的孔隙的孔径尺寸[22]，冻融循环前后风积沙浮石混凝土最可几孔径分布和占比如图8所示。由图8a可知：浮石混凝土在冻融循环前后最可几孔径的尺寸随着风积沙掺量增加呈现出先增大后减小的变化趋势。经历冻融循环后，A组普通浮石混凝土最可几孔径向小孔径方向演化，而B、C和D组风积沙浮石混凝土最可几孔径均向大孔径方向演化，其中D组混凝土最可几孔径由冻融前29.35 nm演变为冻融后2 279.87 nm，最可几孔径尺寸变化值最大，说明D组混凝土冻融循环后孔隙结构劣化程度最大，抗冻性最差。由图8b可知：4组混凝土在冻融循环后最可几孔径占比均有不同程度提升，D组提升最大，由1.34%提升到2.37%，说明大孔隙数量在增加，小孔径在向大孔径演化。

a—最可几孔径尺寸； b—最可几孔径占比。

2.3.4孔结构分形维数

由核磁共振试验得到冻融前后浮石混凝土T2谱曲线，根据T2谱曲线可计算浮石混凝土核磁共振分形维数。由几何学分形理论[23-24]可知核磁共振T2谱对应的分形几何近似为：

Sv=(T2max/T2)D-3

(1a)

lgSv=(3-D)lgT2+(D-3)lgT2max

(1b)

式中：Sv为弛豫时间小于T2截止值时的累积孔隙体积占总孔隙体积百分比；D为分形维数；T2max为最大弛豫时间，此处T2截止值取值由核磁共振T2谱分布所决定，取10 ms。

以冻融循环前后核磁共振T2谱所对应的孔隙半径作为试验数据来计算孔隙体积分形维数，其lgT2与lgSv关系曲线如图9所示。

a—A-0； b—B-0； c—C-0； d—D-0； e—A-200; f—B-200; g—C-200； h—D-200。

进一步以T2=10 ms为分界点，对弛豫时间T2≤10 ms和T2>10 ms两段散点图进行线性拟合，利用lgT2与lgSv的关系曲线图中两段线性拟合关系计算核磁共振分形维数，其中Dmin和Dmax分别代表浮石混凝土在r≤150 nm和r>150 nm时的核磁共振分形维数，计算结果如表4所示。

表4 冻融循环前后浮石混凝土孔结构分形维数

由表4可知：除A组浮石混凝土外其余3组冻融循环后的核磁共振分形维数均不同程度小于冻融循环前相对应的分形维数，A组则与之相反，冻融后浮石混凝土分形维数大于冻融前相应分形维数，且风积沙掺量增加冻融循环前后4组浮石混凝土的Dmin与Dmax均表现出同升同降的变化趋势，即冻融前Dmin与Dmax呈正相关，冻融后亦是如此。其中C组核磁共振分形维数最接近基准组A组，即从核磁共振分形维数的角度来讲，在浮石混凝土中掺入40%风积沙后其抗冻性与基准组相当。

进一步将微毛细孔、大毛细孔和有害孔占比与核磁共振分形维数相关联，各类孔隙占比与Dmax分形维数关系如图10所示。由图可知：浮石混凝土分形维数Dmax与r≤100 nm微毛细孔占比呈正比关系，两者经线性拟合后相关系数R2为0.972 6，说明分形维数Dmax越大微毛细孔占比越大；同时，分形维数Dmax与r>1 000 nm有害孔占比呈反比关系，两者经线性拟合后相关系数R2为0.970 2，说明分形维数Dmax越大有害孔占比越小；此外，分形维数Dmax与100 nm

a—Dmax与微毛细孔关系； b—Dmax与大毛细孔关系；c—Dmax与有害孔占比关系。

3 结 论

1)风积沙替代率低于40%时对浮石混凝土抗冻性影响不大，当风积沙掺量为60%时浮石混凝土冻融循环过程中表层风积沙水泥浆体剥落较为严重，评价风积沙浮石混凝土抗冻性，质量损失率比相对动弹性模量更为精确。

2)风积沙浮石混凝土中100 nm1 000 nm有害孔占比增多会削弱其抗冻能力。

3)经历冻融循环后，普通浮石混凝土最可几孔径向小孔径方向移演化，而风积沙浮石混凝土最可几孔径均向大孔径方向演化。

4)浮石混凝土孔隙结构具有一定的分形特征，通过核磁共振分形维数Dmax的变化可表征浮石混凝土r≤100 nm微毛细孔和r>1 000 nm有害孔占比的变化，分形维数Dmax越大，则微毛细孔占比越多而有害孔占比越少，且分形维数Dmin与各类孔隙占比的关联度不高。