引氣混凝土在海水中凍融循環(huán)后單軸強度試驗研究

覃麗坤，宋宏偉，王秀偉

(大連民族學院 土木建筑工程學院，遼寧 大連，116605)

中國北方寒冷地區(qū)水利工程和海洋工程中的混凝土結(jié)構物，在冬季會遭受不同程度地凍融破壞。其中海工混凝土結(jié)構還承受凍融循環(huán)與腐蝕介質(zhì)雙因素的共同作用，這是導致北方海工混凝土結(jié)構發(fā)生破壞的主要原因［1-2］?；炷恋目箖鲂阅苁瞧淠途眯缘囊豁椫匾笜耍?-13］。目前，從國內(nèi)外的研究成果來看，對凍融循環(huán)及腐蝕介質(zhì)共同作用下混凝土的抗凍性能的研究，大多是針對質(zhì)量損失和動彈性模量的研究，對材料強度損失的研究成果不多，導致對寒冷地區(qū)海水中混凝土結(jié)構力學性能的了解不夠充分，即沒有把結(jié)構的耐久性和結(jié)構的承載能力極限狀態(tài)結(jié)合起來，理論研究滿足不了工程實際的發(fā)展變化。因此，開展海水中引氣混凝土凍融循環(huán)后力學性能的試驗研究，對于準確分析北方寒冷地區(qū)水利工程和海洋工程混凝土構筑物的受力性能，不僅有理論上的意義，同時具有實際應用價值。

1 試驗設計

對引氣混凝土凍融試件，分別在海水中進行100、200、300、400 次凍融試驗，測量相對動彈性模量、質(zhì)量損失率，檢驗試件經(jīng)受不同凍融循環(huán)后的宏觀形態(tài)。凍融試驗結(jié)束后，進行單軸抗壓強度試驗。

1.1 試件設計

混凝土試件尺寸分別為100 ×100 ×100 mm、100×100×400 mm、150 ×150 ×150 mm。其中100×100 ×400 mm 和100 ×100 ×100 mm 的試件各分為五組，兩組用于凍融試驗，另三組分別用于凍融前及凍融后的強度對比試驗;150×150×150 mm 分為兩組，分別用于凍融前后的強度對比試驗。

水泥采用大連小野田水泥廠生產(chǎn)的PO42.5R普通硅酸鹽水泥，細骨料為中砂，粗骨料為碎石，最大粒徑為20 mm。引氣劑選用松香皂類引氣劑，該引氣劑減水率≥6%，試配時采用8%，減水劑采用大連西卡建筑材料有限公司生產(chǎn)的聚羧酸鹽系1210 型減水劑?；炷烈龤鈩搅繛樗噘|(zhì)量的0.01%。

試配混凝土塌落度選擇50 -70 mm，含氣量4-6%，最大水灰比≤0.5。試件按照試配后的配合比澆筑，攪拌3 min 后出料，在鐵板上翻拌2 -3次后測量含氣量及塌落度。表1 為混凝土每立方米的配合比及性能指標。由于試驗周期長，引氣劑摻量隨澆筑的的條件進行微調(diào)。表中除含氣量以外，其余數(shù)據(jù)為各批試件的平均值。

試件用鋼模成型，振動臺振搗密實，棱柱體試件采用臥式成型。成型后覆蓋表面，防止水分蒸發(fā)，在室溫為20 ±5℃情況下靜置一至二晝夜，然后編號拆模。脫模后混凝土試件在20 ±3℃的不流動水中養(yǎng)護，水的PH 值不小于7，養(yǎng)護90 天以后開始進行試驗。同批次凍融試件和對比試件同時澆注。

表1 引氣混凝土配合比表(每m3 用量)

1.2 試驗方法

凍融試驗是利用TDRF -1 型混凝土自動快速凍融試驗機上進行的。凍融試驗:在海水中進行凍融循環(huán)試驗，采用“快凍法”進行。試件在標準養(yǎng)護90 天后開始試驗，提前4 d 將試件浸泡在溫度為15 -20 ℃的海水中，設定凍融循環(huán)時間為2.5 h，(其中用于融化的時間不小于整個凍融循環(huán)時間的1/4);控制凍結(jié)和融化終了時的試件中心溫度分別為-17 ±2 ℃和82 ℃。每50 次凍融循環(huán)測一次動彈性模量及試件質(zhì)量。

力學性能試驗:試驗前將試件表面的殘留水份擦干，按照普通混凝土力學性能試驗方法，在電液伺服壓力試驗機上進行混凝土立方體單軸抗壓試驗。

1.3 試驗現(xiàn)象

引氣混凝土在海水中經(jīng)過100 次、400 次凍融循環(huán)后的照片如圖1。經(jīng)凍融循環(huán)后，試件表面出現(xiàn)層狀破損，開始疏松并逐漸剝落，表面剝落程度隨著凍融次數(shù)的增加逐漸加重。如經(jīng)過100 次凍融循環(huán)后，引氣混凝土表面砂漿稍有剝離，但當凍融循環(huán)達到400 次時，混凝土表面粗骨料處的砂漿開始脫落，并與砂漿產(chǎn)生明顯的分離，在部分表面，可見砂漿與粗骨料交界處有細裂縫產(chǎn)生。

圖1 經(jīng)受不同凍融循環(huán)次數(shù)后引氣混凝土試件的宏觀形態(tài)

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 相對動彈性模量與質(zhì)量損失

按照前述凍融試驗方法，量測海水中凍融循環(huán)后引氣混凝土試件的動彈性模量及質(zhì)量損失。測得的引氣混凝土在不同凍融循環(huán)次數(shù)后的相對動彈性模量平均值見表2。

表2 不同凍融循環(huán)次數(shù)后引氣混凝土的相對動彈性模量平均值

由表2 可見，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，引氣混凝土的動彈性模量降低。在400 次凍融循環(huán)后，混凝土試件尚有抵抗更多次凍融循環(huán)的能力，其中，第二組動彈性模量下降很少。引氣混凝土相對動彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化趨勢如圖2，N 為凍融次數(shù)。

圖2 引氣混凝土的相對動彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)的關系

試驗測得的引氣混凝土在海水中經(jīng)不同凍融循環(huán)次數(shù)后的質(zhì)量見表3。由表可見，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，引氣混凝土的質(zhì)量降低。在400次凍融循環(huán)后，兩組引氣混凝土試件的質(zhì)量損失分別為3.52%和3.64%;引氣混凝土試件的質(zhì)量損失隨凍融次數(shù)的變化趨勢如圖3，N 為凍融次數(shù)。

表3 不同凍融循環(huán)次數(shù)后引氣混凝土的質(zhì)量

圖3 引氣混凝土試件的質(zhì)量損失隨凍融次數(shù)的變化

2.2 立方體抗壓強度與凍融次數(shù)的關系

按照前述試驗方法對在海水中凍融后的混凝土進行單軸壓的力學性能試驗研究，凍融循環(huán)次數(shù)分別為0、100、200、300、400 次，試件為100 ×100 ×100 mm 的立方體，試驗結(jié)果見表4。

表4 不同凍融循環(huán)次數(shù)后混凝土的立方體抗壓強度

由表4 可見，引氣混凝土在滿足抗凍等級的條件下，立方體抗壓強度有非常明顯的下降。如引氣混凝土經(jīng)受400 次凍融循環(huán)后，相對動彈模平均降為94.80 %，質(zhì)量損失為3.58 %，而抗壓強度平均值已降為21.50 MPa，為凍融循環(huán)前的48.20 %。

對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)海水中引氣混凝土立方體抗壓強度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低，且下降的趨勢近似為線性關系，以線性回歸方程表達立方體抗壓強度與凍融循環(huán)次數(shù)的關系:

凍融循環(huán)后100 ×100 ×100 mm 混凝土立方體抗壓強度的實測值與按式(1)的計算值擬合曲線對比情況如圖4。與式(1)的計算值與實測值的擬合較好。

圖4 實測值式(1)計算值與的對比

3 結(jié)論

對海水中的引氣混凝土進行了凍融循環(huán)后的性能試驗。對凍融循環(huán)后的混凝土試件進行宏觀分析，并進行了立方體抗壓強度試驗，得出以下結(jié)論:

(1)在滿足抗凍等級的前提下，混凝土的立方體抗壓強度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加有較大程度的下降，在工程中應引起足夠的重視。

(2)經(jīng)400 次凍融循環(huán)后，海水中引氣混凝土的動彈性模量和質(zhì)量均有不同程度降低?？偨Y(jié)了海水中引氣混凝土的動彈性模量和質(zhì)量損失隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低的規(guī)律。

(3)隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，海水中引氣混凝土的立方體抗壓強度下降的規(guī)律近似呈線性關系。

(4)建立了海水中引氣混凝土凍融循環(huán)后立方體抗壓強度的計算公式，便于工程應用。

［1］鄭曉寧，刁波，孫洋，等. 混合侵蝕與凍融循環(huán)作用下混凝土力學性能劣化機理研究［J］. 建筑結(jié)構學報，2010，31(2):111 -116.

［2］孫洋，刁波.混合侵蝕與凍融環(huán)境下混凝土力學性能劣化試驗［J］.建筑科學與工程學報，2008，25(2):41-44.

［3］JACOBSEN S，MARCHAND J，HOMAIN H. SEM observations of the microstructure of frost deteriorated and self- healed concrete［J］. Cement and Concrete Research，1995，25 (8):1781 -1790.

［4］KUCHARCZYKOVA B，KERSNER Z，POSPICHAl O，et al. Influence of freeze - thaw cycles on fracture parameters values of lightweight concrete ［J］. Procedia Engineering，2010(2):959 -966.

［5］程紅強. 凍融對混凝土強度的影響［J］. 河南科學，2003，21(2):214 -216.

［6］李金玉.混凝土凍融破壞機理的研究［J］.水利學報，1999(1):41 -49.

［7］施士升.凍融循環(huán)對混凝土力學性能的影響［J］.土木工程學報，1997，30(4):35 -42.

［8］FATMA K，RAMAZAN D，MEHMET A K. The influence of calcium nitrate as antifreeze admixture on the compressive strength concrete exposed to low temperatures［J］. Cold Region Science and Technology，2013(89):30 -35.

［9］蔡昊，覃維祖，劉西拉.凍融循環(huán)作用下混凝土力學性能的損失［J］.工程力學，1996(增刊):29 -33.

［10］JAN D. Freezing and de -icing salt resistance of blast furnace slag concretes ［J］. Cement concrete composites，2003(25):357 -361.

［11］鄒超英，趙娟，梁鋒，等.凍融作用后混凝土力學性能的衰減規(guī)律［J］，建筑結(jié)構學報，2008，29(1):117 -138.

［12］TUYAN M，MARDANI A，AMYAR K. Freeze -thaw resistance，mechanical and transport properties of self -consolidating concrete incorporating coarse recycled concrete aggregate［J］. Materials and Design，2014(53):983 -991.

［13］肖前慧，牛荻濤，趙陽，等.凍融環(huán)境下引氣混凝土力學性能研究［J］.混凝土，2009，236(6):10 -11.