謝 劍，唐 靜，孫雅丹

(1.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300350；2.天津大學(xué)濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350)

0 引 言

經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，推動(dòng)著土木工程材料及其結(jié)構(gòu)在極地、高緯度高海拔地區(qū)和深海等低溫環(huán)境中的應(yīng)用。據(jù)相關(guān)氣象資料顯示，南北兩極至今所測(cè)得的最低溫度分別為-89.2 ℃和-68 ℃[1-2]；我國(guó)青藏高原地區(qū)海拔高達(dá)3000 m，晝夜溫差極大，最低溫度可達(dá)-45 ℃[3]；東北大部分地區(qū)冬季氣溫低于-20 ℃，黑龍江漠河等局部地區(qū)溫度可低至-53.3 ℃[4]。經(jīng)歷凍融循環(huán)作用后，混凝土力學(xué)性能顯著降低，且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多以及循環(huán)溫度的降低，其性能劣化越明顯[5-8]。

現(xiàn)有研究表明：引氣劑的摻入可以提高水泥基材料的抗凍性能。Powers[9]通過(guò)研究飽和水泥漿體受凍前后應(yīng)變大小發(fā)現(xiàn)，引氣水泥漿體的微應(yīng)變遠(yuǎn)小于未引氣試件，當(dāng)引氣量較大時(shí)，水泥漿體在冰凍作用下甚至不會(huì)產(chǎn)生膨脹；肖前慧等[10]對(duì)含有不同引氣劑摻量的混凝土進(jìn)行了快速凍融循環(huán)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)后引氣劑摻量小的試件強(qiáng)度下降較快，而引氣劑摻量大的試件抗壓強(qiáng)度降低程度明顯減小。對(duì)于超低溫條件下混凝土抗凍性能的改善，謝劍等[11]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)引氣劑摻入后能有效消除或減少混凝土內(nèi)部的凍脹應(yīng)力以及溫度應(yīng)力，使得混凝土更能抵抗-80 ℃下凍融循環(huán)帶來(lái)的損傷。目前，引氣劑對(duì)混凝土抗凍性能改善的研究大多仍停留于快速凍融試驗(yàn)(最低溫度為-20 ℃)基礎(chǔ)上，對(duì)其在超低溫條件下的研究較少，且對(duì)于不同引氣劑改善效果的對(duì)比研究相對(duì)匱乏，試驗(yàn)結(jié)論通常僅通過(guò)混凝土宏觀性能表現(xiàn)得到，其宏觀性能表現(xiàn)與微觀結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)關(guān)系尚未明確。

本試驗(yàn)擬通過(guò)對(duì)140個(gè)摻有不同摻量和類(lèi)型引氣劑的混凝土立方體試件展開(kāi)常溫(未凍融)、-30 ℃、-60 ℃和-80 ℃下的凍融循環(huán)試驗(yàn)，比較分析各組混凝土凍融循環(huán)前后宏觀性能變化情況，明確引氣劑對(duì)混凝土抗凍性能的影響；并以此為基礎(chǔ)，采用壓汞法對(duì)混凝土微觀孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)凍融前后混凝土孔結(jié)構(gòu)特征參數(shù)變化規(guī)律揭示混凝土宏觀性能表現(xiàn)和微觀結(jié)構(gòu)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 配合比及試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)所用混凝土以C50等級(jí)為基準(zhǔn)強(qiáng)度，原材料主要包括P·O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥、河砂、碎石以及拌合用自來(lái)水，其配合比設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 混凝土配合比設(shè)計(jì)Table 1 Mix proportion of concrete /(kg/m3)

試驗(yàn)共選用3種不同類(lèi)型的引氣劑，分別為高效引氣劑粉劑、聚羧酸引氣劑水劑和高效引氣劑水劑，其對(duì)應(yīng)型號(hào)分別為JDU-6、JDU-9和JDU-11。按混凝土原材料組成(引氣劑類(lèi)型或摻量不同)及凍融循環(huán)溫度將試件分為28組，如表2所示，每組設(shè)平行試件5個(gè)，共計(jì)140個(gè)試件。

表2 試件分組Table 2 Group of specimens

續(xù)表2

注：引氣劑摻量為相對(duì)膠凝材料的質(zhì)量摻量。

1.2 試驗(yàn)方法

參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[12]中相關(guān)規(guī)定，選用100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件進(jìn)行低溫凍融循環(huán)試驗(yàn)。試驗(yàn)按慢凍法進(jìn)行，首次降溫前，將試件置于水箱中浸泡4 d以達(dá)到飽水狀態(tài)，泡水結(jié)束后，擦干試塊表面的水，利用精度為0.1 g的電子稱(chēng)對(duì)其稱(chēng)重，并將此重量作為混凝土質(zhì)量變化率計(jì)算的原始質(zhì)量。隨后將試件與具有相同尺寸且中心預(yù)埋有PT100溫度傳感器的溫度塊一同放入超低溫冰箱中進(jìn)行降溫。當(dāng)溫度塊溫度達(dá)到目標(biāo)循環(huán)下限溫度并持溫4 h后，將其與試件一同取出并再次置于水箱進(jìn)行泡水直至恢復(fù)常溫(根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)試件溫度的監(jiān)測(cè)情況，約為15 ℃)。試塊每經(jīng)歷一次降溫和一次泡水回溫過(guò)程視為完成一次凍融循環(huán)。每次凍融循環(huán)結(jié)束后對(duì)試件進(jìn)行一次稱(chēng)重記錄其質(zhì)量變化。12次凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)束后，利用200 t液壓壓力機(jī)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)以測(cè)定混凝土試件立方體抗壓強(qiáng)度。

根據(jù)混凝土凍融前后抗壓強(qiáng)度及質(zhì)量變化情況，選取抗凍性能差異較大的混凝土試件進(jìn)行壓汞測(cè)孔。試驗(yàn)選用Quantachromre公司生產(chǎn)的Poromaster GT-60型號(hào)壓汞儀，試驗(yàn)過(guò)程參照GB/T 21650.1—2008/ISO 15901-1:2005 《壓汞法和氣體吸附法測(cè)定固體材料孔徑分布和孔隙度 第1部分：壓汞法》[13]進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗壓強(qiáng)度

引氣劑的摻入將向混凝土內(nèi)部引入大量封閉氣孔，使得混凝土孔隙率有增大的趨勢(shì)，抗壓強(qiáng)度降低；但另一方面，引入的氣孔所帶來(lái)的“滾珠效應(yīng)”使得拌合過(guò)程中混凝土的流動(dòng)性增強(qiáng)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，混凝土強(qiáng)度得以提高。圖1為常溫未凍融條件下引氣劑摻入后各組混凝土抗壓強(qiáng)度的變化情況，可以發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)所采用的3種引氣劑對(duì)混凝土強(qiáng)度產(chǎn)生了不同的影響，但受摻量的限制，影響效果有限。高效引氣劑粉劑(JDU-6)的摻入可在一定程度上提高混凝土立方體抗壓強(qiáng)度，且隨著摻量的不斷增加，其強(qiáng)度表現(xiàn)出線(xiàn)性增長(zhǎng)的趨勢(shì)；聚羧酸引氣劑水劑(JDU-9)摻入后，混凝土抗壓強(qiáng)度整體有提高趨勢(shì)，但引氣劑摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)量影響不明顯；而少量水劑形式的高效引氣劑(JDU-11)的摻入會(huì)略微導(dǎo)致混凝土抗壓強(qiáng)度的降低，隨著摻量的增加，混凝土抗壓強(qiáng)度將逐漸恢復(fù)并有所提高。

以相對(duì)抗壓強(qiáng)度(混凝土凍融后強(qiáng)度與未凍融條件下強(qiáng)度比值)為指標(biāo)，對(duì)A-1組混凝土抗凍性能進(jìn)行比較分析，如圖2所示(由于低溫環(huán)境下混凝土強(qiáng)度變化主要受孔隙水結(jié)冰影響，且孔隙水冰點(diǎn)低于0 ℃[14]，為便于比較，將未凍融時(shí)混凝土強(qiáng)度置于0 ℃進(jìn)行分析)。經(jīng)歷低溫凍融循環(huán)后，各摻量下混凝土相對(duì)抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)出隨循環(huán)下限溫度的降低而降低的變化趨勢(shì)，即凍融循環(huán)下限溫度越低，混凝土損傷越嚴(yán)重。對(duì)比各循環(huán)溫度下混凝土相對(duì)抗壓強(qiáng)度變化量可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度從-60 ℃降至-80 ℃的過(guò)程中，混凝土相對(duì)抗壓強(qiáng)度降低幅度(A-0-0組、A-1-1組和A-1-3組分別為0.125%/℃、0.2%/℃和0.12%/℃)低于-30 ℃到-60 ℃的降低幅度，約為-30～-60 ℃變化幅度(各組分別為0.58%/℃、0.38%/℃和0.37%/℃)的1/4～1/2。隨著循環(huán)下限溫度的不斷降低，混凝土凍融損傷的加劇速度減慢，這主要是由于隨著溫度的不斷降低，部分小孔徑中的孔隙水雖達(dá)到其冰點(diǎn)但受溫度影響水分子運(yùn)動(dòng)受限而無(wú)法結(jié)冰，混凝土孔隙水凍脹加劇減緩。

此外，對(duì)各循環(huán)溫度下引氣劑摻量對(duì)混凝土抗凍性能影響規(guī)律展開(kāi)分析，當(dāng)循環(huán)溫度為-30 ℃時(shí)，A-0-0、A-1-1組、A-1-2組和A-1-3組混凝土相對(duì)抗壓強(qiáng)度值分別為0.894、0.912、0.910和0.905，引氣劑摻入對(duì)混凝土抗凍性能的改善效果不太明顯。經(jīng)歷-60 ℃低溫凍融循環(huán)后，A-0-0組混凝土相對(duì)抗壓強(qiáng)度為0.719，其強(qiáng)度損失率已達(dá)28.06%，超過(guò)規(guī)范[12]所規(guī)定的25%，無(wú)法繼續(xù)滿(mǎn)足使用要求；而隨著引氣劑摻量由1.0增至3.0，混凝土相對(duì)抗壓強(qiáng)度分別為0.798、0.796和0.795，強(qiáng)度損失率分別降低了28.14%、27.39%和26.87%，引氣劑的摻入在一定程度上提高了混凝土的抗凍能力，但摻量的影響較小。當(dāng)循環(huán)溫度低至-80 ℃時(shí)，A-0-0組、A-1-1組和A-1-3組試件相對(duì)抗壓強(qiáng)度值分別為0.694、0.758、和0.771，強(qiáng)度損失率分別降低了20.86%和25.19%，隨著摻量的不斷增加，混凝土抗凍性能改善效果逐漸明顯。綜合分析，適量引氣劑的摻入可以緩解混凝土在低溫環(huán)境下由于凍融循環(huán)所導(dǎo)致的力學(xué)性能的降低，對(duì)于高效引氣劑粉劑而言，當(dāng)循環(huán)溫度不是很低時(shí)，引氣劑摻量對(duì)混凝土抗凍性能的影響較小，隨著溫度的不斷降低，在摻量不大于3.0的情況下，隨著引氣劑摻量的增多，混凝土抗凍性能改善效果越明顯，在-60 ℃和-80 ℃條件下，高效引氣劑粉劑的摻入可使混凝土抗凍性能提高20%～30%。

圖1 未凍融條件下混凝土抗壓強(qiáng)度
Fig.1 Compressive strength of concrete under unfrozen conditions

圖2 A-1組混凝土相對(duì)抗壓強(qiáng)度變化 (注：A-1-2組在-80 ℃凍融時(shí)由于試驗(yàn)問(wèn)題數(shù)據(jù)無(wú)效)
Fig.2 Change of relative compressive strength of group A-1

圖3 引氣劑類(lèi)型的影響Fig.3 Influence of the type of air-entraining agent

引氣劑類(lèi)型對(duì)混凝土抗凍性能的影響以-80 ℃下凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。經(jīng)歷12次-80 ℃低溫凍融循環(huán)作用后，摻入引氣劑各組混凝土相對(duì)抗壓強(qiáng)度均高于未摻引氣劑混凝土，不同類(lèi)型引氣劑的摻入對(duì)低溫環(huán)境下混凝土抗凍性能均起到了改善作用，如圖3所示。凍融循環(huán)作用后，未摻引氣劑混凝土相對(duì)抗壓強(qiáng)度為0.694，A-1組混凝土在1.0摻量下的相對(duì)抗壓強(qiáng)度為0.758，當(dāng)摻量為3.0時(shí)，試件相對(duì)抗壓強(qiáng)度為0.771，隨著引氣劑摻量的不斷增加，混凝土相對(duì)抗壓強(qiáng)度整體上呈增加的趨勢(shì)，抗凍性能提高；A-2組混凝土相對(duì)抗壓強(qiáng)度分別為0.706、0.712和0.722，隨著引氣劑摻量的不斷增加，混凝土相對(duì)抗壓強(qiáng)度呈線(xiàn)性增加；A-3組各摻量下混凝土相對(duì)抗壓強(qiáng)度值分別為0.730、0.713和0.703，混凝土相對(duì)抗壓強(qiáng)度值隨引氣劑摻量的增加而逐漸降低，其最佳摻量為1.0。對(duì)比各組混凝土相對(duì)抗壓強(qiáng)度隨摻量變化趨勢(shì)，摻入不同類(lèi)型引氣劑的混凝土在低溫條件下抗凍性能存在一定差異。各循環(huán)溫度下，高效引氣劑粉劑的摻入對(duì)混凝土在低溫下的抗凍性能改善最為明顯；對(duì)于其余兩種引氣劑而言，當(dāng)摻量較小(不超過(guò)2.0)時(shí)，高效引氣劑水劑改善效果優(yōu)于聚羧酸水劑，隨著摻量的不斷增多，聚羧酸引氣劑水劑的改善效果更為顯著。通過(guò)以上分析可以得到，從整體而言，高效引氣劑對(duì)混凝土抗凍能力的提高程度高于聚羧酸引氣劑，且粉劑形式的引氣劑性能優(yōu)于水劑形式。

2.2 質(zhì)量變化

經(jīng)歷凍融循環(huán)作用后，試件質(zhì)量整體呈現(xiàn)出隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加而不斷增大的變化趨勢(shì)，凍融循環(huán)作用使得混凝土內(nèi)部孔隙率逐漸增大，結(jié)構(gòu)疏松，其容水空間增大，泡水過(guò)程中將有更多的水進(jìn)入混凝土導(dǎo)致其質(zhì)量呈增加趨勢(shì)。圖4為各循環(huán)溫度下A-1組混凝土質(zhì)量隨引氣劑摻量增加的變化規(guī)律。經(jīng)歷12次低溫凍融循環(huán)作用后，未摻引氣劑組混凝土質(zhì)量變化均大于摻有引氣劑的混凝土，引氣劑的摻入緩解了凍融循環(huán)過(guò)程中混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的劣化。對(duì)各個(gè)循環(huán)溫度下引氣劑摻量對(duì)凍融循環(huán)混凝土質(zhì)量變化影響展開(kāi)分析，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)凍融循環(huán)下限溫度為-30 ℃時(shí)，引氣劑摻量為2.0的混凝土試件質(zhì)量增加率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他兩組，摻量1.0組混凝土增長(zhǎng)量次之，3.0組的質(zhì)量增長(zhǎng)量最低；當(dāng)循環(huán)下限溫度為-60 ℃時(shí)，摻有引氣劑各組混凝土質(zhì)量變化差異較小，摻量為3.0組質(zhì)量增長(zhǎng)量相對(duì)較低；當(dāng)溫度低至-80 ℃時(shí)，摻量為3.0時(shí)混凝土質(zhì)量增加量相比其余兩個(gè)摻量大幅降低，其余兩個(gè)摻量質(zhì)量變化較為接近。

結(jié)合相對(duì)抗壓強(qiáng)度分析，借助混凝土凍融循環(huán)前后質(zhì)量變化也可以對(duì)混凝土抗凍性能進(jìn)行表征。在各個(gè)循環(huán)溫度下，A-1-3組的質(zhì)量增長(zhǎng)幅度均小于其余各組，其強(qiáng)度損失量也最小，抗凍性能最優(yōu)。因此，摻入3.0的高效引氣劑粉劑可有效提高低溫環(huán)境下混凝土的抗凍性能。

圖4 A-1組混凝土質(zhì)量變化
Fig.4 Changes of mass of group A-1

圖5為摻入等量相同引氣劑的混凝土在不同循環(huán)溫度下的質(zhì)量變化。對(duì)于A-0-0組、A-1-1組和A-1-2組而言，隨著凍融循環(huán)下限溫度的不斷降低，混凝土凍融循環(huán)后的質(zhì)量逐漸增大，且-30 ℃循環(huán)下的質(zhì)量增長(zhǎng)量遠(yuǎn)小于-60 ℃和-80 ℃，混凝土凍融損傷隨著循環(huán)溫度的降低不斷加劇。對(duì)于A-1-3組，-60 ℃和-80 ℃凍融循環(huán)溫度下混凝土質(zhì)量變化率差異較小，但增長(zhǎng)率仍高于-30 ℃。高效引氣劑粉劑的摻入對(duì)于混凝土抵抗更低溫度的凍融損傷更有優(yōu)勢(shì)。此外，從-30 ℃到-60 ℃溫度區(qū)間內(nèi)，混凝土質(zhì)量變化量遠(yuǎn)大于-60 ℃到-80 ℃的變化量，不同溫度區(qū)間內(nèi)混凝土質(zhì)量變化差異也證實(shí)隨著凍融循環(huán)作用對(duì)混凝土造成的損傷并非隨著溫度的降低呈“線(xiàn)性”累積，隨著溫度的不斷降低，混凝土凍融損傷累積程度將逐漸減緩。

此外，循環(huán)次數(shù)較少時(shí)各組試件質(zhì)量變化差異并不太明顯，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的不斷增加，循環(huán)溫度越低的試件質(zhì)量增長(zhǎng)越快，內(nèi)部損傷越為嚴(yán)重。因此，對(duì)于混凝土而言，較少次數(shù)的凍融循環(huán)作用對(duì)其影響并不顯著，但隨著凍融循環(huán)次數(shù)的不斷增加，內(nèi)部損傷不斷累積，其力學(xué)性能將表現(xiàn)出顯著降低的趨勢(shì)。

圖6分析對(duì)比了不同類(lèi)型引氣劑摻入后，混凝土在-80 ℃低溫條件下經(jīng)歷凍融循環(huán)后的質(zhì)量變化趨勢(shì)。摻有不同引氣劑的混凝土經(jīng)歷低溫凍融循環(huán)作用后質(zhì)量變化規(guī)律之間存在明顯的差異：在A-1組中，摻有引氣劑后混凝土質(zhì)量變化明顯低于未摻引氣劑組，且A-1-3組相對(duì)其余兩個(gè)摻量變化幅度明顯減??；對(duì)于A-2組而言，凍融循環(huán)次數(shù)較少時(shí)，各摻量組之間的質(zhì)量變化較為接近，A-2-2組相對(duì)較低，但差值較小，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，A-2-2組和A-2-3組與A-0-0組之間的差值逐漸增大，A-2-1組與未摻引氣劑組仍較接近；A-3組在12次凍融循環(huán)中各組質(zhì)量變化趨勢(shì)相似，且除A-3-3組以外，其余兩組質(zhì)量變化率均與A-0-0組較為接近。從整體而言，A-1組混凝土質(zhì)量變化程度小于其余兩組，高效引氣劑粉劑的摻入對(duì)混凝土抵抗低溫環(huán)境下凍融損傷有較好的作用。

圖5 混凝土質(zhì)量與循環(huán)溫度間的變化關(guān)系
Fig.5 Relationship between mass and cyclic temperature

圖6 摻入不同引氣劑混凝土質(zhì)量隨摻量變化規(guī)律
Fig.6 Changes of mass at different amount incorporating with different air-entraining agent

2.3 微觀孔結(jié)構(gòu)

圖7 混凝土孔隙率變化Fig.7 Porosity change of concrete

吳中偉院士等[15]將混凝土內(nèi)部孔按照其孔徑大小分為以下4類(lèi)：無(wú)害孔(<20 nm)、少害孔(20～50 nm)、有害孔(50～200 nm)和多害孔(>200 nm)。

A-0-0組混凝土在未凍融條件、-30 ℃下、-60 ℃和-80 ℃下的孔隙率分別為12.21%、19.53%、32.06%和35.83%，A-1-1組混凝土孔隙率分別為10.51%、12.22%、21.70%和24.93%，A-3-3組在未凍融和-80 ℃下孔隙率分別為10.69%和27.93%。摻入引氣劑后，混凝土孔隙率降低；隨著凍融循環(huán)溫度的不斷降低，混凝土內(nèi)部孔隙率均表現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)，但增長(zhǎng)幅度之間存在一定差異，使得混凝土表現(xiàn)出不同的抗凍性能。圖7對(duì)比分析了A-0-0組和A-1-3組混凝土經(jīng)歷不同溫度凍融循環(huán)后的孔隙率變化規(guī)律。可以看出，A-1-3組混凝土孔隙率在各個(gè)溫度條件下均低于A-0-0組，兩者孔隙率隨溫度降低的增長(zhǎng)幅度存在差異。當(dāng)凍融循環(huán)溫度下降至-30 ℃、-60 ℃和-80 ℃時(shí)，A-0-0組孔隙率分別增加60.01%、162.66%和193.55%，A-1-3組分別增加16.29%、106.53%和137.26%。引氣劑的摻入較大程度的降低了孔隙率的增長(zhǎng)幅度，有效的緩解了由于孔隙水凍脹導(dǎo)致的混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)的惡化，在一定程度上提高了混凝土在低溫環(huán)境下的抗凍性能。當(dāng)循環(huán)下限溫度高于-30 ℃時(shí)，由于溫度較高，小孔徑孔隙水未達(dá)到其冰點(diǎn)，混凝土內(nèi)部?jī)H孔徑較大的孔隙水結(jié)冰，隨著循環(huán)溫度的不斷降低，結(jié)冰的孔隙水不斷增多，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生凍脹作用的孔隙增多，混凝土孔隙率變化幅度不斷增大，當(dāng)循環(huán)溫度低于-60 ℃后，水分子運(yùn)動(dòng)受限使得孔隙率變化幅度再次減緩。此外，在未經(jīng)歷凍融循環(huán)作用條件下，A-1-3組混凝土孔隙率略小于A-0-0組，因此，在常溫狀態(tài)下，摻引氣劑混凝土抗壓強(qiáng)度相對(duì)未摻引氣劑混凝土略有提高。

除孔隙率外，孔徑分布也是衡量混凝土材料力學(xué)性能的孔結(jié)構(gòu)特征參數(shù)之一。圖8對(duì)比分析了兩組混凝土經(jīng)歷不同溫度凍融循環(huán)作用后孔徑分布變化差異。由圖8(a)可以發(fā)現(xiàn)，未摻入引氣劑時(shí)，混凝土內(nèi)部孔以有害孔為主，其次為少害孔、多害孔，無(wú)害孔的占比最少，且該混凝土最小孔徑為10.69 nm；引氣劑摻入后，混凝土內(nèi)部孔徑分布趨于均勻化，整體上呈現(xiàn)出少害孔居多，其余各孔徑范圍相當(dāng)?shù)囊?guī)律，A-1-3組最小孔徑為7.12 nm，孔徑為0～10 nm的無(wú)害孔總占比超過(guò)5%,多害孔占比由32%降至22%，整體比例降低約1/3。在各個(gè)循環(huán)溫度下，兩組混凝土孔徑分布也表現(xiàn)出明顯的差異。當(dāng)循環(huán)下限溫度為-30 ℃時(shí)，其孔徑分布差異主要在于無(wú)害孔和有害孔之間，少害孔和多害孔差異較小，A-1-3組混凝土無(wú)害孔含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于A-0-0組，且有害孔含量相對(duì)較低，因此其抗壓強(qiáng)度損失較?。辉?60 ℃循環(huán)條件下，A-1-3組混凝土無(wú)害孔和少害孔占比均高于A-0-0組，有害孔占比較小，兩者所含多害孔的比例相差不大；當(dāng)循環(huán)下限溫度低至-80 ℃時(shí)，各孔徑分布差異不明顯，A-1-3組無(wú)害孔占比略高于A-0-0組，且多害孔的占比相對(duì)較少。

圖8 不同循環(huán)溫度下混凝土孔徑分布對(duì)比
Fig.8 Comparison of the pore size distribution at different cyclic temperatures

此外，對(duì)比分析各個(gè)循環(huán)溫度下混凝土孔徑分布情況可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)歷低溫凍融循環(huán)作用后，兩組混凝土均表現(xiàn)出小孔徑占比減小，大孔徑占比增多的變化趨勢(shì)?？紫端诘蜏刈饔孟陆Y(jié)冰產(chǎn)生的體積膨脹使得混凝土內(nèi)部孔壁受到拉應(yīng)力，在反復(fù)凍融循環(huán)過(guò)程中，孔徑逐漸增大。

以上試驗(yàn)結(jié)果表明，混凝土凍融損傷主要由其內(nèi)部孔隙水凍脹引起。引氣劑的摻入向混凝土內(nèi)部引入了一定占比的小孔徑無(wú)害孔，混凝土內(nèi)部孔徑分布更為均勻，孔隙率降低，密實(shí)度提高，抗凍性能更為優(yōu)異。

3 結(jié) 論

(1)引氣劑的摻入將對(duì)常溫狀態(tài)下混凝土的抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生一定影響，且不同引氣劑形式及種類(lèi)的影響效果存在差異。

(2)經(jīng)歷低溫循環(huán)作用后，混凝土內(nèi)部孔隙水凍脹使得其結(jié)構(gòu)疏松，孔隙率不斷增大，混凝土抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，外部水不斷進(jìn)入混凝土內(nèi)部導(dǎo)致其質(zhì)量的增加。

(3)隨著凍融循環(huán)溫度的不斷降低，混凝土內(nèi)部損傷不斷加?。划?dāng)循環(huán)下限溫度逐漸降低時(shí)，混凝土孔隙水分子的運(yùn)動(dòng)速度減慢，因此損傷加劇程度有一定程度的減緩。從-60 ℃降至-80 ℃時(shí)，各組混凝土凍融損傷加劇速度約為-30 ℃至-60 ℃范圍內(nèi)的1/4～1/2。

(4)引氣劑的摻入可以在一定程度上緩解混凝土由于凍融循環(huán)作用所產(chǎn)生的損傷，通過(guò)對(duì)比分析，高效引氣劑粉劑對(duì)于提高混凝土在低溫環(huán)境下的抗凍性能更有效，在-60 ℃和-80 ℃循環(huán)條件下，高效引氣劑粉劑的摻入可以使得混凝土抗凍性能提高20%～30%，且隨著摻量的不斷增加，高效引氣劑粉劑對(duì)混凝土在更低溫度下的抗凍性能改善愈加明顯。

(5)通過(guò)壓汞法對(duì)混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，混凝土宏觀性能表現(xiàn)與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在較為緊密的關(guān)系。對(duì)比未摻入引氣劑的混凝土，高效引氣劑粉劑摻入后，混凝土內(nèi)部出現(xiàn)孔徑小于10 nm的無(wú)害孔，且占比達(dá)到5%以上，少害孔增加，多害孔減少約1/3。孔徑分布的變化使得混凝土孔隙率降低明顯，表現(xiàn)出較為優(yōu)異的抗凍性能。