混凝土抗鹽凍性能試驗(yàn)

閆西樂(lè),張 萍,秦鴻根,龐超明,孫 偉

(1.東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇南京 211189; 2.江蘇省土木工程材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 211189)

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混凝土抗鹽凍性能試驗(yàn)

閆西樂(lè)1,2,張 萍1,2,秦鴻根1,2,龐超明1,2,孫 偉1,2

(1.東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇南京 211189; 2.江蘇省土木工程材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 211189)

摘要:為研究混凝土強(qiáng)度等級(jí)、礦物摻合料和含氣量對(duì)其抗鹽凍性能的影響,對(duì)混凝土進(jìn)行了鹽溶液條件下的快速凍融試驗(yàn)。通過(guò)硬化混凝土氣泡參數(shù)測(cè)定驗(yàn)證了新拌混凝土含氣量與硬化混凝土含氣量之間的相關(guān)性,對(duì)混凝土外觀、相對(duì)動(dòng)彈性模量、累積剝落量隨凍融循環(huán)次數(shù)變化規(guī)律進(jìn)行了分析,研究了不同強(qiáng)度等級(jí)、礦物摻合料、含氣量等因素對(duì)混凝土抗鹽凍性能的影響趨勢(shì)。結(jié)果表明:單純提高強(qiáng)度等級(jí)并不一定利于混凝土抗鹽凍性能的改善,對(duì)中低強(qiáng)度的混凝土而言,含氣量是影響其抗鹽凍性能的決定性因素;粉煤灰與礦渣粉的摻量應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)。

關(guān)鍵詞:混凝土;抗鹽凍性能;鹽溶液;剝落量;含氣量;相對(duì)動(dòng)彈性模量

混凝土鹽凍破壞多發(fā)生于寒冷地區(qū)的海洋環(huán)境和除冰鹽環(huán)境中,與一般凍融破壞相比,鹽的存在使混凝土的飽水度提高,結(jié)冰壓和滲透壓增大,同時(shí)其結(jié)晶也會(huì)產(chǎn)生一定的膨脹作用,從而加劇混凝土的凍融損傷[1]。因此,鹽凍對(duì)混凝土的破壞要比一般凍融更加嚴(yán)重,如何使處于寒冷地區(qū)海洋環(huán)境和除冰鹽環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足抗鹽凍性要求已成為近年來(lái)混凝土耐久性研究的重點(diǎn)。

Powers等[2-3]先后提出了靜水壓假說(shuō)和滲透壓假說(shuō),對(duì)混凝土凍融過(guò)程中孔隙水遷移方向進(jìn)行了研究,分析了孔隙水對(duì)孔壁的作用。后來(lái)對(duì)凍融循環(huán)機(jī)理的研究又出現(xiàn)了充水系數(shù)理論、臨界水飽和度理論、微冰晶模型等。國(guó)內(nèi)慕儒等[4]通過(guò)結(jié)冰壓、滲透壓、最不利飽水度和微冰晶模型理論研究了混凝土凍融循環(huán)條件下水分遷移和損傷機(jī)理;楊全兵[5]探討了不同濃度鹽溶液凍融循環(huán)條件下混凝土內(nèi)部飽水度、溶液結(jié)冰膨脹率,證實(shí)了中低鹽濃度會(huì)引起混凝土內(nèi)部產(chǎn)生最大結(jié)冰壓。以上這些假說(shuō)和理論均為混凝土凍融破壞機(jī)理的研究奠定了基礎(chǔ)。

目前,混凝土抗鹽凍性能的研究工作主要集中在混凝土配制技術(shù)、抗凍機(jī)理、試驗(yàn)方法和模型建立等方面。其中配制技術(shù)主要包括礦物摻合料的摻入和含氣量的控制,研究結(jié)果[6-8]表明,粉煤灰代替部分水泥,可以降低工程造價(jià)并改善混凝土性能,含氣量是影響混凝土抗鹽凍性能的主要因素,而引氣技術(shù)的使用是提高混凝土抗鹽凍性能的主要措施。由于各研究者試驗(yàn)方法和研究重點(diǎn)不同,混凝土的抗鹽凍性能與含氣量、強(qiáng)度等級(jí)及礦物摻合料的定量關(guān)系仍在探索中;試驗(yàn)方法的研究主要集中于孔結(jié)構(gòu)測(cè)試及凍融試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法等[9-10]。

參考已有研究成果,基于實(shí)際需求,本文依據(jù)GBJ/ T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》中的快凍法對(duì)不同配合比混凝土抗鹽凍性能進(jìn)行研究,考察不同強(qiáng)度等級(jí)(C35、C50)、礦物摻合料摻量、新拌混凝土含氣量等因素對(duì)混凝土抗鹽凍性能的影響,通過(guò)混凝土外觀、表面剝落量、相對(duì)動(dòng)彈性模量隨鹽凍循環(huán)次數(shù)變化規(guī)律的分析,綜合評(píng)價(jià)不同影響因素之間的相對(duì)關(guān)系,為實(shí)際工程中設(shè)計(jì)具有高抗鹽凍性能的混凝土結(jié)構(gòu)提供參考。

1 原材料和試驗(yàn)方法

1. 1 試驗(yàn)原材料

水泥為P·Ⅱ42. 5R;粉煤灰為I級(jí)低鈣型;礦渣粉為S95級(jí)磨細(xì)礦渣;骨料采用細(xì)度模數(shù)為2. 6的河砂和粒徑5～25 mm連續(xù)級(jí)配的石灰?guī)r碎石;減水劑為PCA型聚羧酸高性能減水劑,減水率為35%;引氣劑為GYQ型高效引氣劑;水為普通自來(lái)水。

1. 2 試驗(yàn)配合比

考慮道橋工程中常用的混凝土,試驗(yàn)設(shè)計(jì)了C35 與C50兩種強(qiáng)度等級(jí)的混凝土,坍落度為(180± 20)mm,所設(shè)計(jì)的6組試驗(yàn)配合比見(jiàn)表1。

表1 混凝土試驗(yàn)配合比

依據(jù)GB/ T50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法》測(cè)試混凝土拌合物的性能,裝模成型后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期,依據(jù)GB/ T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》測(cè)試不同齡期混凝土的抗壓強(qiáng)度和60 d齡期的抗折強(qiáng)度。

1. 3 試驗(yàn)方法

凍融介質(zhì)選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3. 5%的NaCl溶液。試件質(zhì)量變化采用感量0. 1 g的電子天平測(cè)定,剝落量采用感量0. 01g的電子天平測(cè)定,動(dòng)彈性模量變化采用NM-4B型非金屬超聲波檢測(cè)分析儀測(cè)定。新拌混凝土含氣量采用直讀式LC-615型含氣量測(cè)定儀測(cè)定,硬化混凝土氣泡特征參數(shù)采用MIC-840-01型硬化混凝土氣孔分析儀測(cè)定,包括硬化混凝土含氣量、平均氣泡直徑、氣泡比表面積、氣泡間距系數(shù)等參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2. 1 混凝土力學(xué)性能

按表1的配合比制備混凝土試件,測(cè)試了混凝土不同齡期的抗壓強(qiáng)度、動(dòng)彈性模量、抗折強(qiáng)度以及劈拉強(qiáng)度,結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可以看出,礦物摻合料的摻加以及引氣劑的使用都會(huì)降低混凝土抗壓強(qiáng)度;與此同時(shí),混凝土折壓比有所提高。綜合來(lái)講,在滿(mǎn)足混凝土強(qiáng)度等級(jí)的前提下,對(duì)于以抗彎拉為主要受力指標(biāo)的路面混凝土或者其他混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件,使用引氣劑提高混凝土折壓比將提高混凝土強(qiáng)度利用率。

表2 混凝土力學(xué)性能

2. 2 硬化混凝土氣泡結(jié)構(gòu)分析

Powers[11]1945年首次提出了氣泡間距系數(shù)這一概念,并且根據(jù)靜水壓理論模型計(jì)算出臨界氣泡間距系數(shù)約為250 μm。當(dāng)氣泡間距系數(shù)小于這一值時(shí),混凝土具有較好的抗凍性。Pigeon等[12]認(rèn)為用氣泡間距系數(shù)來(lái)衡量混凝土抗凍性的最大優(yōu)點(diǎn)在于可以通過(guò)少量次數(shù)的加速凍融循環(huán)作用或者直接測(cè)定硬化混凝土氣泡間距系數(shù),來(lái)快速評(píng)價(jià)混凝土的抗凍性能,因而可以大大降低工程造價(jià),并且評(píng)價(jià)結(jié)果可靠性很高。

按表1的配合比制備混凝土試件,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)60d,分別測(cè)試6組硬化混凝土氣泡特征參數(shù),結(jié)果見(jiàn)表3。由于新拌混凝土在振搗、靜置、養(yǎng)護(hù)過(guò)程中存在含氣量經(jīng)時(shí)損失,并且密閉微小的氣孔相互連通成為大氣孔,造成硬化混凝土氣泡結(jié)構(gòu)變差,因此硬化混凝土含氣量往往低于新拌混凝土含氣量。新拌混凝土含氣量在控制混凝土配合比設(shè)計(jì)中是一重要指標(biāo),而混凝土抗凍性能的優(yōu)劣取決于硬化混凝土氣泡間距系數(shù)、平均氣泡直徑以及氣泡比表面積等參數(shù)。

表3 硬化混凝土氣泡特征參數(shù)

硬化混凝土含氣量與新拌混凝土含氣量有較好的相關(guān)性。對(duì)比C35-0-4與C35-2-4兩組混凝土氣泡特征參數(shù),其硬化混凝土含氣量相差0. 2%,但其氣泡間距系數(shù)相差48. 0 μm;礦物摻合料的摻加或水膠比的降低使得硬化混凝土含氣量降低,平均氣泡直徑增大,氣泡比表面積減小,氣泡間距系數(shù)變大。從C35-2-2、C35-2-4和C35-2-6這3組硬化混凝土氣泡特征參數(shù)可以看出:含氣量增大,氣泡間距系數(shù)依次減小,并且減小趨勢(shì)隨含氣量增大而變得平緩。

2. 3 混凝土抗鹽凍性能

2. 3. 1 礦物摻合料與氣泡參數(shù)對(duì)混凝土抗鹽凍性能的影響

將按表1配合比制備的抗凍性試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)60 d,置于鹽溶液中進(jìn)行快速凍融試驗(yàn)。保持新拌混凝土含氣量為4%,強(qiáng)度等級(jí)為C35不變,雙摻粉煤灰和礦渣粉組(C35-2-4)與基準(zhǔn)組(C35-0-4)相對(duì)比,其累積剝落量和相對(duì)動(dòng)彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律如圖1和圖2所示。可以看出,在鹽溶液中凍融循環(huán)150次后,兩組混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量依然保持90%以上,但雙摻粉煤灰與礦渣粉使得混凝土抗凍性能有所降低。其原因是摻合料的添加導(dǎo)致所引入的氣泡穩(wěn)定性變差,降低了混凝土的引入氣泡質(zhì)量。C35-0-4組在鹽凍過(guò)程中累積剝落量均小于C35-2-4組,而其動(dòng)彈性模量保持率均大于C35-2-4組。這是由于C35-0-4組硬化混凝土中氣泡更加微小,排列更加緊密,更有利于抵抗鹽凍破壞作用。

圖1 摻合料添加與否累積剝落量隨凍融循環(huán)次數(shù)變化規(guī)律

圖2 摻合料添加與否相對(duì)動(dòng)彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)變化規(guī)律

2. 3. 2 強(qiáng)度與氣泡參數(shù)對(duì)混凝土抗鹽凍性能的影響

保持新拌混凝土含氣量3%～4%及摻合料類(lèi)型不變,對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土進(jìn)行鹽溶液環(huán)境下的快速凍融試驗(yàn),其累積剝落量和相對(duì)動(dòng)彈性模量變化規(guī)律如圖3和圖4所示。

圖3 不同強(qiáng)度試件累積剝落量隨凍融循環(huán)次數(shù)變化規(guī)律

圖4 不同強(qiáng)度試件相對(duì)動(dòng)彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)變化規(guī)律

由表3可知,C35-2-4組氣泡間距系數(shù)比C50-2-4組氣泡間距系數(shù)小12. 5 μm。氣泡間距系數(shù)越小,密閉氣孔更能緩沖凍融過(guò)程中的破壞應(yīng)力,從而改善混凝土抗凍融性能。由表3可見(jiàn),C50-2-4組所含的氣泡質(zhì)量較C35-2-4組要差,含氣量減小1. 2%,從而在凍融循環(huán)過(guò)程中,75次循環(huán)時(shí)C50-2-4組出現(xiàn)裂縫,動(dòng)彈性模量急劇下降到60%以下,裂縫的出現(xiàn)加速了凍融損傷速度,使得腐蝕介質(zhì)更容易進(jìn)入試件內(nèi)部,加速內(nèi)部裂縫產(chǎn)生;在150次凍融循環(huán)時(shí),C50-2-4組試件出現(xiàn)大面積缺角、剝落、石子裸露等現(xiàn)象,超聲波采集困難。而C35-2-4組試件外觀基本沒(méi)有過(guò)多破損,動(dòng)彈性模量保持率仍在90%以上。

2. 3. 3 含氣量對(duì)混凝土抗鹽凍性能的影響

為了研究含氣量對(duì)混凝土抗鹽凍性能的影響,按表1配制了3組強(qiáng)度等級(jí)和摻合料相同、含氣量不同的混凝土。隨著引氣量的增加,C35-2-2、C35-2-4 和C35-2-6組混凝土氣泡間距系數(shù)依次減小,由大于250. 0μm減小到231. 6μm(表3)?？梢?jiàn),含氣量在合適的范圍內(nèi),隨著引氣量的增加,硬化混凝土中的微小密閉的氣泡增多,將大大改善混凝土抗鹽凍性能。經(jīng)過(guò)150次凍融循環(huán)后,其累積剝落量和相對(duì)動(dòng)彈性模量變化分別如圖5和圖6所示。

圖5 不同含氣量試件累積剝落量隨凍融循環(huán)次數(shù)變化規(guī)律

圖6 不同含氣量試件相對(duì)動(dòng)彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)變化規(guī)律

由圖5和圖6可見(jiàn),含氣量為2. 0%的混凝土經(jīng)50次凍融循環(huán)后,累積剝落量已大于0. 5 kg/ m2,試件表面開(kāi)始出現(xiàn)裂縫,75次凍融循環(huán)后,試件表面出現(xiàn)大量的石子裸露現(xiàn)象,裂縫增多,超聲波采集變得困難,其相對(duì)動(dòng)彈性模量保持率僅有32%;含氣量為4. 5%和6. 3%的混凝土,經(jīng)150次凍融循環(huán)后,累積剝落量仍然小于0. 5 kg/ m2,外觀基本保持完整,相對(duì)動(dòng)彈性模量保持率分別為91%和99%。鹽凍過(guò)程中,試件損壞程度C35-2-2組最大、C35-2-4組居中、C35-2-6組最小。由此可見(jiàn),對(duì)于中低強(qiáng)度的混凝土,引氣技術(shù)是提高其抗鹽凍性能的有效手段。

3 結(jié) 論

a.單純提高強(qiáng)度等級(jí)并不一定利于混凝土抗鹽凍性能改善,含氣量是影響混凝土抗鹽凍性能的決定性因素,隨著含氣量的增大,混凝土的抗鹽凍性能提高。

b.粉煤灰和礦渣粉的摻入會(huì)使得混凝土含氣量降低和氣泡間距系數(shù)增大,從而導(dǎo)致混凝土的抗鹽凍性能有所降低。

c.驗(yàn)證了氣泡間距系數(shù)與混凝土抗鹽凍破壞能力有較好的相關(guān)性;僅僅使用新拌混凝土的含氣量并不足以完全反映混凝土硬化后的氣泡結(jié)構(gòu)和特征,進(jìn)行抗凍混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)可采用含氣量和氣泡間距系數(shù)雙參數(shù)來(lái)保證其抗鹽凍性能。

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Experimental study of frost-salt resistance of concrete

/ / YAN Xile1,2, ZHANG Ping1,2, QIN Honggen1,2, PANG Chaoming1,2, SUN Wei1,2(1. School of Materials Science and Engineering, Southeast Uniυersity, Nanjing 211189, China; 2. Jiangsu Key Laboratory of Ciυil Engineering Materials, Nanjing 211189, China)

Abstract:In order to study the influence of concrete strength grade, volumes of fly ash and slag powder, and air-entraining content on the frost-salt resistance of concrete, an accelerated freeze-thaw test of concrete in salt solution was carried out. The correlation between the air-entraining contents of fresh concrete and hardened concrete was validated through measurement of bubble parameters of hardened concrete. The variation of surface characteristics, relative dynamic modulus of elasticity, and cumulative amount of spalling of concrete with the number of freeze-thaw cycles were investigated. The influence of concrete strength grade, volumes of fly ash and slag powder, and air-entraining content on the frost-salt resistance of concrete was examined. The results shows that a higher concrete strength does not always improve the frost-salt resistance, the air-entraining content is the decisive factor influencing the frost-salt resistance of medium-and low-strength grade concrete, and the volumes of fly ash and slag powder should be controlled within an appropriate range.

Key words:concrete; frost-salt resistance; salt solution; amount of spalling; air-entraining content; relative dynamic modulus of elasticity

(收稿日期:2014- 10 13 編輯:熊水斌)

通信作者:張萍(1980—),女,工程師,博士,主要從事材料無(wú)損檢測(cè)及缺陷表征研究。E-mail: zhangpingseu@163. com

作者簡(jiǎn)介:閆西樂(lè)(1989—),女,碩士研究生,主要從事水泥基材料無(wú)損檢測(cè)及缺陷表征研究。E-mail:yanxifang@163. com

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金(51308112);江蘇省交通廳科研項(xiàng)目(2010Y31)

DOI:10. 3880/ j. issn. 1006- 7647. 2016. 02. 008

中圖分類(lèi)號(hào):TU502

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1006- 7647(2016)02- 0042- 04