高強混凝土抗凍耐久性研究

張麗娟，　吳　晶

(河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院　公路學(xué)院， 河南　鄭州　450052)

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高強混凝土抗凍耐久性研究

張麗娟，吳晶

(河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院公路學(xué)院， 河南鄭州450052)

摘要：針對強度等級為C30～C70的混凝土，通過快速凍融循環(huán)試驗、硬化混凝土氣孔分析試驗測試了不同水灰比、不同含氣量水平下混凝土抗凍耐久性能。試驗結(jié)果表明，當混凝土水灰比不大于0.35時，混凝土可以經(jīng)受300次以上的快速凍融循環(huán)試驗，具有優(yōu)良的抗凍耐久性能，無需引氣；對水灰比為0.36～0.50的混凝土，當水泥漿體含氣量大于11%時，即可保證混凝土抗凍耐久性指數(shù)達到80以上；計算結(jié)果表明，水灰比為0.25的混凝土其內(nèi)部孔隙率僅相當于水灰比為0.50混凝土的50%，低孔隙率是高強混凝土具有抗凍耐久性能的主要因素。

關(guān)鍵詞：高強混凝土；水灰比；含氣量；抗凍耐久性指數(shù)

隨著現(xiàn)代混凝土技術(shù)發(fā)展，尤其高效減水劑的使用，使得配置高強混凝土成為可能。但對處于嚴寒地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)物，在滿足材料強度的基礎(chǔ)上還需使混凝土具有優(yōu)良的抗凍耐久性能[1, 2]。一直以來，對普通混凝土抗凍耐久性的研究已取得諸多成果，其中最重要的技術(shù)措施即為通過使用引氣劑在混凝土中引入大量微小密閉的氣泡[3]。但引氣劑的使用在提高混凝土抗凍耐久性能的同時也會造成混凝土材料強度的下降，研究表明，含氣量每增加1%，混凝土的強度將降低2%～5%[4]。顯然，對于高強混凝土，引氣劑的使用與其設(shè)計初衷(高強)存在矛盾。因此，如何在保證設(shè)計強度的基礎(chǔ)上，使混凝土材料兼具良好抗凍性是高強混凝土抗凍耐久性設(shè)計中必須面臨的問題。

理論上，高強混凝土由于其水灰比較低，使得水泥水化后內(nèi)部毛細孔尺寸趨于細化，從而使材料抗?jié)B性大大提高，這樣，相較于普通混凝土，高強混凝土其內(nèi)部毛細孔很難達到臨界飽和度，同時，高強混凝土其抵抗?jié)B透壓與靜水壓的能力也較普通混凝土更強，因而高強混凝土自身即具有一定的抗凍性，是否需要通過摻加引氣劑提高其抗凍耐久性能值得商榷。Mindess S等[5]從理論上論證了當水灰比小于0.36時，無需引氣混凝土即具有抗凍耐久性能。但Pigeon M[6]和Li Y[7]分別通過試驗證明，當混凝土水灰比小于0.30或0.25時，混凝土自身才具有抗凍性。Pinto等[8]則認為要想使非引氣混凝土抗凍耐久性指數(shù)達到100，混凝土所需要的最大水灰比為0.35?？梢?，目前關(guān)于高強混凝土抗凍性的研究也尚未達成一致，而目前的抗凍設(shè)計規(guī)范中也僅給出混凝土具有抗凍性能所要求的最大水灰比及最小水泥用量，對于最小水灰比無明確說明。

為此，本文通過設(shè)計試驗，研究不同水灰比、不同含氣量水平下混凝土抗凍耐久性能，以期為高強混凝土抗凍設(shè)計提供試驗依據(jù)。

1原材料及試驗方法

1.1原材料

試驗中所用水泥為河南天瑞集團水泥公司生產(chǎn)的P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，各項性能均滿足要求；砂子為細度模數(shù)2.8的中砂，含泥量1.1%；粗集料為石灰石碎石，粒徑為5～20 mm，含泥量0.7%；水為飲用水；減水劑采用西卡非引氣型聚羧酸高效減水劑，引氣劑為SJ-2型液體引氣劑；2種外加劑均滿足GB 50119-2013《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》規(guī)范中對外加劑的性能要求。

以往的研究表明，在原材料及配合比方面影響混凝土抗凍性的因素主要有水灰比、粗集料粒徑及其含量，而本次試驗的主要目的為確定高強混凝土無需摻加引氣劑的最大水灰比及各水灰比下能夠保證混凝土具有優(yōu)良抗凍性的最小含氣量，因此，本次試驗選取的變量僅為水灰比及含氣量水平，其中水灰比選為0.25、0.30、0.35、0.40、0.45以及0.50，含氣量水平定為2%、4%以及6%，所配置混凝土強度等級為C30～C70，試驗混凝土配合比詳見表1。另外需要說明的是，為避免因摻減水劑對混凝土含氣量造成影響，本次試驗中使用的減水劑為非引氣型，測試結(jié)果(表2)表明，對僅摻減水劑的各配合比混凝土，其含氣量均在1.9%～2.3%，已有文獻[9,10]表明，當不摻引氣劑或含引氣組分的外加劑時，由于機械裹挾作用，混凝土仍具有1%～2%的含氣量，但該部分含氣量是由孔徑較大且不規(guī)則的氣泡構(gòu)成，對混凝土抗凍性能的影響甚微。

表1　混凝土試驗配合比

注：表中減水劑和引氣劑摻量均為水泥質(zhì)量的百分數(shù)，編號中2代表未摻加引氣劑配合比，下同。

表2　新拌混凝土性能測試結(jié)果

1.2試驗方法

本試驗包括力學(xué)性能試驗，新拌混凝土含氣量試驗，新拌混凝土表觀密度測試試驗，混凝土凍融循環(huán)(快凍法)試驗以及硬化混凝土的氣孔結(jié)構(gòu)分析試驗。其中，力學(xué)性能試驗主要測試各配合比混凝土成型28 d以及56 d后的抗壓強度值，新拌混凝土含氣量及其表觀密度測試均在混凝土攪拌完成后10 min內(nèi)完成，具體試件制備及測試方法參照JTG E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》執(zhí)行?；炷羶鋈谘h(huán)(快凍法)試驗中試件為棱柱體(100 mm×100 mm×400 mm)，每種配合比混凝土試驗成型3塊，具體試驗步驟按照GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行，試驗中對試件每進行50次凍融循環(huán)后測試其動彈性模量Ed的下降值，最終通過計算抗凍耐久性指數(shù)DF來評價各配合比混凝土的抗凍耐久性能，DF的具體計算方法將在2.2小節(jié)中給出。硬化混凝土氣孔結(jié)構(gòu)分析試驗采用丹麥生產(chǎn)的Air-rapid457硬化混凝土氣孔分析儀進行分析，分析試件為經(jīng)56 d標準養(yǎng)護后的混凝土。

2試驗結(jié)果

2.1新拌混凝土性能

新拌混凝土性能測試內(nèi)容包括含氣量、表觀密度以及塌落度，試驗結(jié)果如表2所示。試驗中保證新拌混凝土含氣量與目標含氣量的誤差不大于±0.5%。各配合比混凝土塌落度保證在100～150 mm之間。

將表2中不同水灰比、不同含氣量混凝土表觀密度的變化趨勢分別繪于圖1和圖2，顯然，隨著含氣量的增加，不同配合比混凝土的表觀密度也隨之減小，而對于同一含氣量水平的混凝土，高強混凝土(水灰比小)的表觀密度要大于普通混凝土(水灰比大)。對于本文進行的試驗，由于所有混凝土均使用相同的原材料，因此，表觀密度值的大小可在一定程度上反應(yīng)混凝土的密實程度。試驗結(jié)果表明，低水灰比、低含氣量的混凝土其內(nèi)部孔隙率更小，材料更為密實。另外，本文之所以進行混凝土表觀密度的測試，是由于表觀密度的

圖1　混凝土表觀密度隨含氣量的變化趨勢

圖2　混凝土表觀密度隨水灰比的變化趨勢

測試方法雖較為簡單，但卻可與含氣量的測試結(jié)果一起對引氣混凝土的配合比進行校核，以確保所配置的混凝土達到設(shè)計要求。

2.2硬化混凝土性能

圖3給出了不同配合比混凝土28 d與56 d抗壓強度值，圖4為不同配合比混凝土耐久性指數(shù)DF與含氣量的關(guān)系，表3為不同配合比硬化混凝土氣孔結(jié)構(gòu)參數(shù)。其中，DF的計算公式如下：

(1)

式中：DF為混凝土抗凍耐久性指數(shù)；P為N次凍融循環(huán)后試件的相對動彈模量(%)；N為停止試驗時試件的凍融循環(huán)次數(shù)。

圖3　不同配合比混凝土抗壓強度值

圖4　不同配合比混凝土耐久性指數(shù)DF與含氣量的關(guān)系

試驗中，當各組試件每隔50次進行相對動彈模量測試，如動彈模量降至(或低于)60%時即停止實驗，如未降至60%，則繼續(xù)進行快速凍融循環(huán)直至300次，而后根據(jù)測試結(jié)果計算抗凍耐久性指數(shù)DF。

與已有研究結(jié)論類似，對于同一水灰比的混凝土，其抗壓強度隨含氣量的增加而逐漸減小，如對于水灰比為0.25的高強混凝土，當含氣量為4.2%和6.0%時，相較于不摻加引氣劑時，其28 d抗壓強度值分別降低了7.7%和11.9%，56 d抗壓強度值分別降低了6.8%和11.5%，可見，引氣劑的加入顯著降低了高強混凝土的抗壓強度，使其未必滿足設(shè)計要求。

圖5和圖6分別為不同含氣量水平混凝土動彈模量隨凍融次數(shù)增加而減小的趨勢圖。顯然，對于不摻加引氣劑的混凝土(含氣量水平2%)，水灰比為0.50的混凝土在經(jīng)受100次凍融循環(huán)后相對動彈模量即低于60%，而隨著水灰比的減小，其相對動彈模量的下降值也逐漸變小，當水灰比為0.25時，經(jīng)受300次凍融循環(huán)后混凝土的動彈模量幾乎不出現(xiàn)下降。而對于含氣量水平為4%的混凝土，引氣劑的摻加顯著地增大了混凝土的抗凍耐久性能，即使水灰比為0.50的混凝土，在經(jīng)受300次凍融循環(huán)后其相對動彈模量值仍大于80%。

圖5　混凝土相對動彈模量與凍融次數(shù)關(guān)系(含氣量水平2%)

圖6　混凝土相對動彈模量與凍融次數(shù)關(guān)系(含氣量水平4%)

編號硬化混凝土含氣量/%間距系數(shù)/μm比表面積/mm-1漿體含量/%50-20.893211.334.250-43.527226.432.150-64.519830.130.745-21.199610.333.245-44.125623.731.445-65.819031.231.240-21.474312.530.540-43.824125.329.440-66.018739.328.435-21.774014.131.235-44.523230.430.235-65.415445.229.530-22.173513.232.130-43.723130.431.630-66.018740.130.425-21.887915.134.325-44.521233.233.525-65.320036.432.7

另外，由硬化混凝土氣孔分析試驗結(jié)果可以看出，在未摻加引氣劑的情況下，所有未摻加引氣劑的混凝土氣孔間距系數(shù)均大于700 μm，比表面積均不超過15 mm-1，而已有研究成果表明[11]，混凝土具有抗凍性所要求的氣泡間距系數(shù)要達到250～300 μm，比表面積大于24 mm-1，但一旦摻加引氣劑，4%的含氣量即可基本保證引氣混凝土氣泡間距系數(shù)與比表面積滿足上述抗凍要求。

3分析與討論

根據(jù)本文試驗結(jié)果可知，如按照ACI規(guī)范的要求，將抗凍耐久性指數(shù)DF不小于60(至少可以承受300次快速凍融循環(huán)而相對動彈模量不低于60%)的混凝土視為抗凍混凝土，顯然，依據(jù)本文試驗結(jié)果(圖7)，當混凝土水灰比不大于0.35時，即使不摻加引氣劑，混凝土也具有良好的抗凍耐久性能，而當混凝土水灰比介于0.36～0.50時，則需摻加引氣劑。

圖7　混凝土抗凍耐久性指數(shù)與水灰比關(guān)系

實際上，在保證粗集料滿足堅固性要求的前提下，混凝土遭受的凍融破壞主要發(fā)生在硬化水泥漿體中，為此，通過計算得到不同配合比下硬化水泥漿體中的含氣量(圖8)，結(jié)果表明，對于大水灰比混凝土，漿體含氣量大于11%(對應(yīng)新拌混凝土含氣量為4%)時，便足以使其具有優(yōu)良的抗凍耐久性能。

圖8　不同配合比混凝土漿體含氣量

研究表明，在混凝土能夠出現(xiàn)凍融破壞的前提條件中，水分的存在是關(guān)鍵因素，而混凝土內(nèi)部孔隙中的水分能否達到臨界飽和度是混凝土出現(xiàn)受凍破壞的必要條件。

Powers[12]曾提出一種水泥砂漿孔隙率的計算公式：

(2)

式中：Vp為孔隙率(%)；w/c為水灰比；α為水化度。

對于水化度α的計算，Pinto等[13]研究指出當水灰比為0.49和0.33時，水泥砂漿所能達到的最大水化度分別為0.85和0.64。為此，本文試將水化度與水灰比二者之間的關(guān)系視為線性，從而得到本文試驗中不同水灰比混凝土中水泥砂漿所能達到的水化度，進而計算得到相應(yīng)的孔隙率。隨后，借助于硬化混凝土氣孔分析試驗中得到的漿體體積含量(表3)，計算得到本文試驗中不同配合比混凝土的孔隙率，計算結(jié)果如表4所示，計算結(jié)果表明，對于不摻引氣劑的混凝土，水灰比為0.25的高強混凝土其孔隙率僅相當于水灰比為0.50混凝土的50%，可見，高強混凝土由于水灰比較低，使得其內(nèi)部毛細孔數(shù)量減少，這使得其具有較高的抗?jié)B性，外界水分很難侵入，從而

表4　混凝土孔隙率計算結(jié)果

造成其內(nèi)部孔隙水很難達到臨界飽和度，因而具有良好的抗凍性。

4結(jié)論

針對強度等級為C30～C70混凝土，基于本文試驗結(jié)果，可以得到如下結(jié)論：

(1)如能保證混凝土原材料中粗集料的堅固性性能滿足要求，當混凝土水灰比不大于0.35時，混凝土具有優(yōu)良的抗凍耐久性能，可以經(jīng)受300次以上的快速凍融循環(huán)試驗。

(2)引氣劑可以顯著提高混凝土的抗凍耐久性能，對于水灰比為0.36～0.50的混凝土，當漿體含氣量大于11%時，混凝土的抗凍耐久性指數(shù)DF達到80以上。

(3)計算表明，高強混凝土自身具有優(yōu)良抗凍性的原因在于其內(nèi)部孔隙率較小，水灰比為0.25的混凝土其內(nèi)部孔隙率相當于水灰比為0.50混凝土的50%，低孔隙率混凝土一方面可以提高材料的抗?jié)B能力，使其內(nèi)部孔隙水難以達到抗凍損害所需的臨界飽和度，另外，混凝土強度也隨孔隙率的降低而增大，其抵抗凍脹破壞的能力也增強。

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Examining the Frost Resistance of High Strength Concrete

ZHANGLi-juan,WUJing

(College of Highway, Henan Vocational and Technical College of Communications,Zhengzhou 450052, China)

Abstract:The experimental program investigated the frost resistance of C30～C70 concrete with varying water cement ratios (w/c) and different air-content through testing the anti-frost performance and analyzing the air-void structure of concrete. The research results show that when the w/c is less than 0.35，the concrete with no-air entrained mixtures can endure 300 freeze thaw cycles and consequently have adequate frost resistance. The results also show that when the air content of cement paste is greater than 11% for mixtures with a w/c between 0.36 and 0.50, the durability factor of concrete can reach 80. The calculating results show that the capillary porosity of concrete with a water to cement ratio of 0.25 is only equal to the 50 percent of the one of concrete with a water to cement ratio of 0.50, low capillary porosity is the main reason for the frost resistance of high strength concrete.

Key words：high strength concrete; water cement ratio; air content; durability factor

中圖分類號：TU528.31

文獻標識碼：A

文章編號：2095-0985(2016)02-0090-05

作者簡介：張麗娟(1979-)，女，河南鞏義人，講師，碩士，研究方向為公路工程檢測、混凝土材料耐久性(Email：zhanglijuanpaper@163.com)

收稿日期：2015-09-16修回日期： 2015-11-04