超细矿物掺合料混凝土冻融循环下的强度演化与寿命预测研究

本研究针对寒冷地区混凝土冻融耐久性问题，通过系统实验探讨了超细矿物掺合料对混凝土性能的增强机制。研究人员采用DIC、NMR等先进技术，揭示了掺合料通过优化孔结构、促进C-S-H凝胶形成提升抗冻性的机理，并建立了考虑孔径分布的细观寿命预测模型。结果表明20%掺量效果最佳，使混凝土使用寿命最高提升31.3%，为寒区混凝土耐久性设计提供了重要理论依据。

　　

在我国东北、西北等寒冷地区，季节性温差和昼夜循环导致混凝土结构长期承受冻融循环的严峻考验。当温度降至冰点以下，混凝土孔隙中的水分反复冻结膨胀，产生巨大的水压力和结晶压力，这些压力超过混凝土抗拉强度时，就会在表面和内部形成新的微裂纹。随着冻融循环的持续，这些裂纹不断扩展，破坏混凝土的微观结构，严重威胁水工建筑物的长期耐久性和设计使用寿命。

尽管已有研究表明矿物掺合料能通过填充效应和二次水化反应改善混凝土孔结构，但传统研究多聚焦于宏观力学性能，对超细矿物掺合料混凝土在冻融循环后的抗折损伤行为，特别是表面应力-应变场变化规律的研究尚不充分。更关键的是，现有冻融寿命预测模型主要基于宏观指标，缺乏从细观尺度揭示损伤机制的模型。

为突破这些局限，西安理工大学的研究团队在《Journal of Materials Research and Technology》上发表了创新性研究，系统探究了不同超细矿物掺合料含量对混凝土抗冻性的影响。他们通过结合数字图像相关（DIC）技术、热重分析（TGA）、扫描电镜（SEM）和X射线衍射（XRD）等多种表征手段，深入揭示了掺合料提升混凝土抗裂性和强度的内在机制，并建立了融合微观孔特征的细观损伤模型。

研究团队采用的主要技术方法包括：快速冻融循环试验（依据GB/T 50082-2024标准）、抗折强度测试（WAW-1000万能试验机）、DIC全场变形测量系统（双相机分辨率2048×2248像素）、核磁共振（NMR）孔隙分析（MesoMR23-060H-I型分析仪）、同步热分析（STA 2500）、扫描电镜（KYKY-EM3200）和X射线衍射（DX-2700BH）等。实验设计了超细矿物掺合料掺量分别为0%、10%、20%、30%、40%的五组混凝土试件，冻融循环次数为0、50、100、150、200、250、300次。

4.1. 表观形态

通过系统分析试件表面形貌发现，掺入超细矿物粉末能有效减缓试件劣化，减少表面损伤。掺量20%的混凝土试件在300次冻融循环后表面保持最完整，这主要归因于超细矿物粉末的微骨料填充效应和二次水化反应生成了大量针状钙矾石和凝胶状C-S-H，降低了混凝土表层有害孔隙率，形成更致密的保护层。

4.2. 质量损失率

质量损失率在冻融循环过程中呈现三阶段变化：0-50次循环下降阶段、50-150次缓慢上升阶段和150-300次快速上升阶段。当超细矿物掺合料掺量为20%时，300次冻融后质量损失率仅为2.39%，显著低于基准组的5.91%。适量超细矿物粉末能填充混凝土内部孔隙，减轻混凝土劣化。

4.3. 相对动弹性模量

相对动弹性模量变化分为两个阶段：0-150次循环缓慢下降和150-300次快速下降。掺量20%的试件在300次冻融后相对动弹性模量仅下降24.1%，比基准组提高11.8%，表明适量超细矿物掺合料能有效延缓相对动弹性模量下降，提升混凝土抗冻性。

4.4. 抗折性能

随着超细矿物掺合料掺量增加，混凝土试件抗折强度先增后降。掺量20%时抗折强度提升最显著，达24.34%，且抗折强度损失率最低。方差分析结果显示矿物掺量对抗折强度影响显著（P<0.0001）。

4.5. DIC分析

DIC技术将抗折破坏过程划分为D1-D7七个特征阶段。应变云图显示，裂纹从底部向顶部扩展，D4-D7阶段应变场区域迅速扩大。掺量20%的试件在D7阶段最大裂纹宽度仅为2.02mm，比基准组减少0.70mm，裂纹扩展速率降低25.6%。横向位移分析进一步证实超细矿物掺合料能有效减小裂纹滑移位移，抑制裂纹发展。

4.6. 抗冻性增强机制

4.6.1. TGA分析

热重分析表明，随着超细矿物掺合料掺量增加，钙矾石（AFt）和C-S-H含量上升，Ca(OH)₂含量下降。掺量20%时C-S-H含量达2.1%，比基准组提高200%，表明适量掺合料能促进Ca(OH)₂水化反应，生成更多水化产物。

4.6.2. NMR分析

NMR测试显示，超细矿物掺合料能有效抑制混凝土中毛细孔和大孔的发展。经过300次冻融循环后，掺量20%的试件有害孔隙比例比基准组降低21.28%。分形维数分析表明，掺合料的加入使孔隙结构更加复杂，抑制了冻融损伤。

4.6.3. SEM分析

扫描电镜观察发现，超细矿物粉末颗粒作为晶核促进水泥水化反应，生成大量C-S-H凝胶等水化产物。这些凝胶形成致密的毡状和蜂窝状结构填充孔隙，细化孔结构，提高混凝土整体密实度。

4.6.4. XRD分析

X射线衍射显示，所有样品的水化产物均含有C-S-H凝胶、Ca(OH)₂和钙矾石。超细矿物掺合料掺量越高，C-S-H凝胶衍射峰增强越明显，而基准组Ca(OH)₂衍射峰最强。冻融循环后，掺合料组水化产物衍射峰损失明显小于基准组。

4.7. 寿命预测模型

基于Kachanov损伤力学理论，建立了考虑不同孔径孔隙含量的冻融损伤模型。该模型通过凝胶孔、过渡孔、毛细孔和大孔的积分谱面积变化来量化损伤程度，拟合曲线相关系数R²均大于0.95。结合我国典型地区气象数据，预测了不同掺量混凝土在寒区的服役寿命。以东北地区为例，掺量20%的混凝土使用寿命达42.8年，比基准组提高31.3%。

损伤程度与相对动弹性模量呈良好线性关系（R²=0.96），表明混凝土冻融循环下的宏观力学性能与微观损伤劣化相互关联。通过与已有模型对比验证，本模型预测结果与参考文献[62]吻合最好，平均绝对百分比误差（MAPE）为6.2%，均方根误差（RMSE）为25.0，证明该模型能有效预测冻融循环寿命。

这项研究不仅揭示了超细矿物掺合料提升混凝土抗冻性的微观机制，更重要的是建立了基于细观参数的寿命预测模型，为寒区混凝土结构的耐久性设计和寿命评估提供了新方法。通过定量描述孔径分布对损伤演化的影响，该模型实现了从宏观经验预测向细观机理预测的重要转变，对推动混凝土材料科学从"经验设计"向"精准设计"发展具有重要意义。