高寒地區(qū)混凝土抗凍性的試驗(yàn)研究

蔡斌

中圖分類(lèi)號(hào)：TU528.45文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào)：1001-6171（2015）06-0031-04

高寒地區(qū)混凝土抗凍性的試驗(yàn)研究

Experimental Study on Frost Resistance of Concrete in Alpine Regions

蔡斌

中圖分類(lèi)號(hào)：TU528.45文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào)：1001-6171（2015）06-0031-04

目前，人們?nèi)匀辉谘芯炕炷量箖鲂?，不斷嘗試多種途徑來(lái)改善混凝土的抗凍性。盡管有多種理論解釋凍壞機(jī)理，但并沒(méi)有哪一種得到普遍認(rèn)同。根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究提出的機(jī)理成果，人們進(jìn)行了很多改善混凝土抗凍性的探索，主要有改變水灰比、添加外加劑（引氣劑、減水劑等）、摻加粉煤灰等措施。

本文主要研究對(duì)象為混凝土抗凍耐久性，采用快凍法進(jìn)行試驗(yàn)，主要內(nèi)容為：

（1）對(duì)不同配比混凝土進(jìn)行凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)，測(cè)試其有關(guān)性能（質(zhì)量損失率、相對(duì)動(dòng)態(tài)彈性模量等）。

（2）對(duì)不同摻合料摻加量混凝土進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，測(cè)試其有關(guān)性能（質(zhì)量損失率、相對(duì)動(dòng)態(tài)彈性模量等）。

1 試驗(yàn)原材料及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)方案及配合比設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)選擇配制了不同水灰（膠）比的混凝土，摻加不同量摻和料（混合材）、摻入化學(xué)外加劑（引氣劑或減水劑）的混凝土，進(jìn)行凍融試驗(yàn)，分析其與抗凍性之間的關(guān)系。

1.1.1 試驗(yàn)方案

配合比設(shè)計(jì)，注意兩個(gè)指標(biāo)，一是新拌混凝土的坍落度控制在80mm±10mm，這是為了接近于施工現(xiàn)場(chǎng)；二是含氣量控制在6%±1%。

凍融試驗(yàn):采用GBJ82-85中的快凍法試件，將成型尺寸為100mm× 100mm×400mm的標(biāo)準(zhǔn)混凝土試件預(yù)養(yǎng)到一定齡期后進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)。

1.1.2 配合比設(shè)計(jì)

（1）設(shè)計(jì)水膠比分別為0.4、0.5的混凝土，其單位體積材料用量及配比見(jiàn)表1。

（2）設(shè)計(jì)粉煤灰摻量分別為15%、30%的混凝土，其單位體積材料用量及配比見(jiàn)表2。

（3）設(shè)計(jì)高嶺土摻量分別為15%、30%的混凝土，其單位體積材料用量及配比見(jiàn)表3。

1.2 試驗(yàn)原材料

（1）水泥。采用華新堡壘P· O42.5普通硅酸鹽水泥，化學(xué)成分見(jiàn)表4。

（2）砂石（細(xì)骨料，粗骨料）。依據(jù)《建筑用砂》（GB/T14684-2001）和《建筑用卵石、碎石》（GB14685-2001）。

表1 不同水膠比混凝土單位體積材料用量及配比

表2 不同粉煤灰摻量混凝土單位體積材料用量及配比

表3 不同高嶺土摻量混凝土單位體積材料用量及配比

（3）摻合料。粉煤灰采用I級(jí)粉煤灰，性能指標(biāo)及化學(xué)成分見(jiàn)表5。

（4）化學(xué)外加劑。所摻化學(xué)外加劑為聚羧酸系高效減水劑。以GB8076-1997為檢測(cè)依據(jù)，聚羧酸系高效減水劑的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表6。

2 試驗(yàn)內(nèi)容及數(shù)據(jù)分析處理

2.1 凍融試驗(yàn)前期準(zhǔn)備工作

2.1.1 試件制備

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（DL/T5150-2001）、《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》（GBJ82-85）中的混凝土快速凍融循環(huán)試驗(yàn)要求的試件均為100mm× 100mm×400mm的棱柱體。制備的6組混凝土試件，包括不同水膠比、不同配比及不同粉煤灰摻量等，成型的實(shí)際配合比見(jiàn)表7。根據(jù)國(guó)家規(guī)定快凍法的規(guī)范要求，混凝土試件成型1d后脫模，然后放進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室，養(yǎng)護(hù)至28d后，將試件浸泡于水中4d，然后開(kāi)始準(zhǔn)備凍融試驗(yàn)。

2.1.2 凍融試驗(yàn)

（1）凍融設(shè)備

本試驗(yàn)采用的凍融設(shè)備是TDRF-2型風(fēng)冷式混凝土快速凍融裝置。

（2）凍融制度

本試驗(yàn)是研究混凝土試件在水中經(jīng)受凍融循環(huán)后的物理力學(xué)性能，實(shí)行“快凍法”制度，水凍水融，溫度范圍-17～8℃，每個(gè)循環(huán)周期時(shí)間2.5～4h，其中1.5～2.5h用于冰凍作用，溫度下降速率均衡，試件中心達(dá)到最低溫后開(kāi)始解凍，融化時(shí)間大約1～1.5h。初步確定每運(yùn)行25個(gè)循環(huán)后，測(cè)試混凝土試件的動(dòng)態(tài)彈性模量和質(zhì)量。

2.2 混凝土凍融試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 質(zhì)量損失分析

凍融過(guò)程中混凝土試件的質(zhì)量損失由兩方面組成：一方面是試件表面漿體乃至粗細(xì)集料的脫落引起，這部分是質(zhì)量損失；而另一方面，隨著凍融次數(shù)增加，混凝土試件內(nèi)部微裂紋的數(shù)量和體積逐漸增大，這些裂縫吸水就會(huì)導(dǎo)致混凝土試件質(zhì)量增加。在實(shí)際凍融試驗(yàn)過(guò)程中，多數(shù)時(shí)候前者的質(zhì)量損失要大于后者的質(zhì)量增加，總體表現(xiàn)為質(zhì)量損失；只有凍融試驗(yàn)初期（如50次循環(huán)之前）才會(huì)出現(xiàn)試件質(zhì)量增加的情況。

表8給出了六組混凝土試件在不同凍融循環(huán)次數(shù)后的質(zhì)量損失。可以看到，A、B兩組試件質(zhì)量損失始終為正，且不斷增大；C、D兩組基本呈現(xiàn)負(fù)的質(zhì)量損失，這表明其在凍融階段質(zhì)量在增加；而在50次凍融循環(huán)后，E、F兩組的質(zhì)量基本沒(méi)有變化，只在75次凍融循環(huán)后出現(xiàn)較明顯變化，且小于其他四組。分析如下：

A、B兩組試件的表面漿體和粗細(xì)集料脫落導(dǎo)致的質(zhì)量損失超過(guò)了混凝土吸水（由混凝土內(nèi)部裂紋的增加和膨脹等導(dǎo)致）引起的質(zhì)量增加，導(dǎo)致其質(zhì)量損失不斷增加；A、B兩組外觀破損較為嚴(yán)重；C、D兩組的表面脫落較少，由于吸收水分反而使得試件質(zhì)量增加；E、F兩組試件在前期凍融過(guò)程中，質(zhì)量損失與質(zhì)量增加基本相互抵消，故這兩組試件質(zhì)量沒(méi)有出現(xiàn)太大變化。

表4 水泥的化學(xué)成分，%

表5 粉煤灰性能指標(biāo)，%

表6 減水劑技術(shù)指標(biāo)，%

表7 凍融試驗(yàn)混凝土配合比（kg/m3）及常規(guī)性能測(cè)試

表8 混凝土在不同凍融循環(huán)次數(shù)后的質(zhì)量損失

圖1 混凝土在凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失率變化曲線

表9 不同凍融循環(huán)次數(shù)的混凝土的動(dòng)態(tài)彈性模量

圖1顯示了混凝土在凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失率變化曲線。可以看到，A組試件在25次凍融循環(huán)后有明顯質(zhì)量損失，之后趨勢(shì)減緩，但大大高于其他組；B組試件的質(zhì)量損失也從25次凍融循環(huán)后一直呈逐漸上升趨勢(shì)，比較穩(wěn)定，低于A組試件；C組試件在25次凍融循環(huán)后質(zhì)量幾乎沒(méi)有變化，而在50次凍融循環(huán)后其質(zhì)量損失為負(fù)，且在75次凍融循環(huán)后質(zhì)量仍在增長(zhǎng)；D組試件變化趨勢(shì)與C組相似，但其質(zhì)量增加更為明顯，在25次凍融循環(huán)后質(zhì)量損失，在50次（以及75次）凍融循環(huán)后質(zhì)量損失明顯下降；E組和F組在50次凍融循環(huán)前質(zhì)量都基本不變，在75次凍融循環(huán)后，E組出現(xiàn)質(zhì)量增長(zhǎng)，而F組為質(zhì)量損失，但變化量都很小。

A組與C、D組對(duì)比：A組為普通混凝土，而C、D組為粉煤灰混凝土，其中C組粉煤灰摻量為15%，D組粉煤灰摻量為30%；A組試件在凍融后出現(xiàn)了較大質(zhì)量損失，而C、D組試件在凍融后均出現(xiàn)質(zhì)量增長(zhǎng)；從外觀看，A組試件表面剝落較多，而C、D兩組試件剝落較少。由此來(lái)看，摻加粉煤灰有利于改善混凝土抗凍性。

A、B兩組與E、F兩組對(duì)比：四組試件均為普通混凝土，其中A、B兩組試件的砂率為0.23，而E、F兩組試件的砂率為0.40；A、B兩組試件在凍融后出現(xiàn)了較大質(zhì)量損失，E、F兩組試件在凍融循環(huán)后質(zhì)量損失很??；A、B兩組試件在凍融后受到的破壞比E、F兩組試件更為嚴(yán)重。低砂率意味著粗骨料的含量很高，會(huì)導(dǎo)致單位體積內(nèi)砂漿量不足，粗骨料無(wú)法被充分包覆，混凝土的黏聚力較差，在受到凍融作用時(shí)比較容易受到破壞，即過(guò)低的砂率會(huì)導(dǎo)致混凝土的抗凍性不足。

2.2.2 動(dòng)態(tài)彈性模量變化分析

混凝土的凍融劣化是一個(gè)由致密到疏松的物理過(guò)程，動(dòng)態(tài)彈性模量的下降是這種疏松過(guò)程的外在反映?；炷羶?nèi)部存在的一些原始微裂縫或缺陷，凍融過(guò)程中這些微裂縫逐漸擴(kuò)展，并有新微裂縫或缺陷不斷產(chǎn)生，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)彈性模量下降。本試驗(yàn)采用TD-14型動(dòng)彈儀測(cè)得混凝土試件的動(dòng)態(tài)彈性模量，然后將該值與混凝土試件未進(jìn)行凍融的初始動(dòng)態(tài)彈性模量的比值作為相對(duì)動(dòng)態(tài)彈性模量Pn。

表9為六組混凝土試件在不同次數(shù)凍融循環(huán)后相對(duì)動(dòng)態(tài)彈性模量的變化情況。在25次凍融循環(huán)后，A、B、E、F四組的相對(duì)動(dòng)態(tài)彈性模量下降均超過(guò)5%，其中F組達(dá)12.13%，而C、D兩組下降不足5%；在50次凍融循環(huán)后，A、B、E、F四組的相對(duì)動(dòng)態(tài)彈性模量下降均超過(guò)10%，其中E、F兩組超過(guò)15%，而C、D兩組下降不到10%；在75次凍融循環(huán)后，各組試件均下降超過(guò)20%，其中A、B兩組分別下降35.29%和39.09%。

圖2為不同凍融循環(huán)次數(shù)后試件的相對(duì)動(dòng)態(tài)彈性模量變化曲線。圖中顯示了六組試件的相對(duì)動(dòng)態(tài)彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)增加表現(xiàn)出的變化趨勢(shì)。

圖2 不同凍融循環(huán)次數(shù)后的混凝土試件的相對(duì)動(dòng)態(tài)彈性模量變化曲線

C、D兩組的相對(duì)動(dòng)態(tài)彈性模量下降趨勢(shì)較其他幾組緩慢，且D組下降速度略慢于C組。這是由于粉煤灰的火山灰效應(yīng)與漿體中的氫氧化鈣反應(yīng)形成水化硅酸鈣，并填充于水泥水化產(chǎn)物孔隙中，改善了混凝土的宏觀性能，使混凝土更密實(shí)、含水率下降，微觀方面減小了混凝土的平均孔徑，使混凝土的抗凍性增強(qiáng)；且粉煤灰的摻入可以有效控制水泥水化的早期放熱，減少水化熱對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的損壞，從而改善混凝土的抗凍性。

A、B兩組試件在前50次凍融循環(huán)表現(xiàn)穩(wěn)定，但在75次凍融循環(huán)后出現(xiàn)大幅下降，幅度比E、F組大。A、 B砂率為0.23，而E、F砂率為0.40，導(dǎo)致A、B組試件內(nèi)部裂紋在凍融過(guò)程中生長(zhǎng)和擴(kuò)展較E、F組更快，因此，選擇合理的砂率對(duì)混凝土抗凍性也很重要。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）水膠比越大，凍融作用造成的破壞越大，宏觀表現(xiàn)為在相同的凍融循環(huán)次數(shù)后，混凝土的質(zhì)量損失和相對(duì)動(dòng)態(tài)彈性模量等性能指標(biāo)下降更快。

（2）粉煤灰的摻入有利于提高混凝土的抗凍性。在凍融循環(huán)后，粉煤灰混凝土的質(zhì)量損失、相對(duì)動(dòng)態(tài)彈性模量等性能指標(biāo)表現(xiàn)比普通混凝土更優(yōu)異，但粉煤灰的摻入量并非越大越好，試驗(yàn)結(jié)果表明，粉煤灰摻量為30%時(shí)，抗凍性能已經(jīng)下降。

（3）砂率對(duì)于混凝土的抗凍性也有影響。砂率過(guò)低，則單位體積混凝土內(nèi)粗骨料的份量很大，漿體所占比例較小，對(duì)混凝土內(nèi)部的黏聚力和孔隙結(jié)構(gòu)極為不利，試驗(yàn)中砂率較低的試件也確實(shí)更早出現(xiàn)骨料剝落現(xiàn)象，因此，砂率的選擇不宜過(guò)低?！?/p>

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2015-03-23；編輯：呂光