輕骨料混凝土在鹽溶液中的抗凍性研究

左 馳， 陳月順， 杜志云， 張夢(mèng)光

(湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

輕骨料混凝土在鹽溶液中的抗凍性研究

左 馳， 陳月順， 杜志云， 張夢(mèng)光

(湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

采用快速凍融的試驗(yàn)方法，對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)的普通混凝土和輕骨料混凝土在不同凍融介質(zhì)(水，3.5%Nacl)中的抗凍性進(jìn)行了比較研究。試驗(yàn)結(jié)果顯示：輕骨料混凝土較之于普通混凝土而言具有較好的抗鹽凍能力，其相對(duì)動(dòng)彈性模量在鹽水中下降的速率比在水中慢；對(duì)于強(qiáng)度相對(duì)較高的混凝土，凍融循環(huán)時(shí)表面抗剝蝕能力均大于低強(qiáng)度的同種混凝土。

普通混凝土； 輕骨料混凝土； 鹽溶液； 強(qiáng)度等級(jí)； 抗凍性

在我國(guó)北方嚴(yán)寒地區(qū)，凍融循環(huán)通常被認(rèn)為是造成混凝土結(jié)構(gòu)壽命縮短的主要原因,尤其是除冰鹽的使用，使得混凝土結(jié)構(gòu)受凍融循環(huán)和氯離子侵蝕耦合作用，嚴(yán)重影響其耐久性[1-2]。我國(guó)早在上個(gè)世紀(jì)60年代就將輕骨料混凝土應(yīng)用于橋梁工程，山東黃河大橋、蔡甸漢江大橋、南京長(zhǎng)江大橋等都采用輕骨料混凝土制成。這些都充分說(shuō)明了研究輕骨料混凝土在鹽溶液中抗凍性的必要性。輕骨料混凝土已逐漸被國(guó)內(nèi)外學(xué)者重視，也取得了一定的研究成果[3-8]，但到目前為止對(duì)其耐久性能的研究仍然相對(duì)較少。因此，分析鹽凍對(duì)混凝土造成損傷和破壞的作用機(jī)理，進(jìn)而找出能夠增強(qiáng)輕骨料混凝土抗凍性的方法，減少鹽凍對(duì)輕骨料混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命的影響就顯得尤為迫切。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

水泥，華新牌42.5普通硅酸鹽水泥；細(xì)骨料，江砂；普通混凝土粗骨料，碎石;輕骨料混凝土粗骨料，頁(yè)巖陶粒；混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30、C40、C50的普通混凝土編號(hào)分別為P1、P2、P3；輕骨料混凝土編號(hào)分別為L(zhǎng)1、L2、L3。配合比見(jiàn)表1。

表1 配合比

1.2 試驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)所澆筑的混凝土試塊尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體；將其分為兩組，第一組進(jìn)行水凍(自來(lái)水)試驗(yàn)；第二組進(jìn)行鹽凍試驗(yàn)(凍融介質(zhì)為3.5%Nacl溶液)。兩組棱柱體試塊的凍融循環(huán)試驗(yàn)均通過(guò)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》(GBT50082-2009)中的快速凍融法進(jìn)行開(kāi)展,并在同一條件下養(yǎng)護(hù)28 d。第一組棱柱體試塊在自來(lái)水(凍融介質(zhì))中浸泡4 d后，取出將其表面水分用干凈的濕抹布擦干，依次測(cè)量其質(zhì)量和相對(duì)動(dòng)彈性模量后放入試件盒內(nèi)，注入自來(lái)水(凍融介質(zhì))使其完全浸沒(méi)棱柱體試塊5 mm左右，之后按照儀器操作章程進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，每組棱柱體試塊凍融300次，每隔50次取出并測(cè)量其彈性模量和質(zhì)量損失。第二組鹽凍試驗(yàn)可參照第一組進(jìn)行，只需將第一組凍融介質(zhì)水轉(zhuǎn)變?yōu)?.5%Nacl溶液即可。試驗(yàn)儀器選用湖北工業(yè)大學(xué)結(jié)構(gòu)大廳上海三好制冷設(shè)備廠生產(chǎn)的混凝土快速凍融試驗(yàn)機(jī)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 表面形態(tài)對(duì)比研究

隨著凍融循環(huán)的持續(xù)，棱柱體試塊的破壞程度逐漸加深。在凍融循環(huán)初期即凍融次數(shù)較少時(shí)，不同強(qiáng)度等級(jí)輕骨料混凝土和普通混凝土的表面破壞都不明顯，混凝土基本不產(chǎn)生剝落，表觀保存也較為完整。當(dāng)凍融次數(shù)增加到一定程度后，棱柱體試塊有剝落現(xiàn)象產(chǎn)生，粗骨料會(huì)逐漸完全暴露出來(lái)，局部破壞也會(huì)較為嚴(yán)重，部分混凝土試塊也會(huì)產(chǎn)生破壞，退出試驗(yàn)。為了能夠清楚的說(shuō)明不同之處從而進(jìn)行對(duì)比，選取了在水凍環(huán)境下凍融300次和在鹽凍環(huán)境下凍融200次進(jìn)行對(duì)比說(shuō)明。

對(duì)于普通混凝土而言，水凍環(huán)境凍融300次后，P1混凝土表面疏松，混凝土大量剝落，粗骨料明顯暴露，P1凍融300次后所造成的損傷較為嚴(yán)重；P2混凝土保護(hù)層剝落，表面呈坑坑洼洼狀，存在少許的粗骨料暴露；P3混凝土表面較為完整，仍有少量砂漿脫落，但粗骨料未暴露。由此可見(jiàn)，對(duì)于普通混凝土，其強(qiáng)度等級(jí)越高，抗凍性能越好，表面損傷程度越小。對(duì)于輕骨料混凝土而言，凍融300次后，L1已經(jīng)發(fā)生破壞，退出試驗(yàn)；L2表面酥松，裂紋開(kāi)裂明顯;L3表面完整。在鹽凍環(huán)境凍融200次時(shí)，對(duì)于普通混凝土而言：棱柱體試塊保護(hù)層幾乎全部脫落，粗骨料也完全暴露，試塊周?chē)袈浯罅糠勰顨堅(jiān)炷翐p傷嚴(yán)重，毫無(wú)承載能力；P2已經(jīng)發(fā)生破壞，退出試驗(yàn)；而P3在凍融200次時(shí)也存在粉末狀殘?jiān)鼊兟?，粗骨料未完全暴露出?lái)?？擅黠@看出：對(duì)于普通混凝土而言，強(qiáng)度越高，表面損傷程度越小。對(duì)于輕骨料混凝土而言：L1在凍融150次時(shí)，已完全發(fā)生破壞，退出實(shí)驗(yàn)；L2在凍融200次時(shí)，棱柱體試件發(fā)生斷裂；L3經(jīng)凍融后表面保存較為完整。對(duì)于輕骨料而言，L3的抗鹽凍性能較好。

混凝土在水凍300次與鹽凍200次后表面形態(tài)的相互比較可知：(1)普通混凝土：P1鹽凍200次比水凍300次表面損傷的程度大很多。P3在水凍300次后表面依舊比較光滑；在鹽凍200次后，表面開(kāi)始變得凹凸不平，保護(hù)層混凝土逐漸脫落，表面有裂紋產(chǎn)生，雖然無(wú)粗骨料暴露，但試件邊角已經(jīng)松軟并逐漸掉落。(2)輕骨料混凝土：L2在水凍300次后，表面除有部分位置凹凸不平，其他部位依舊比較光滑；在鹽凍200次之后，混凝土保護(hù)層掉落嚴(yán)重，且邊角部位產(chǎn)生大量裂紋。L3水凍300次和鹽凍200次表面狀態(tài)相差不大。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.2.1 計(jì)算方法

1)動(dòng)彈性模量計(jì)算方法：

Er=Ep/E0

其中各參數(shù)表示如下：Er為相對(duì)動(dòng)彈性模量，

Ep為p次凍融后的動(dòng)彈性模量，E0為初始動(dòng)彈性模量。

2)質(zhì)量損失率計(jì)算方法：

ΔM=M0-MP/M0

其中各參數(shù)表示如下：M0為試件初始質(zhì)量，MP為p次凍融后的質(zhì)量。

2.2.2 水凍環(huán)境 水凍環(huán)境下凍融循環(huán)的相對(duì)動(dòng)彈性模量和質(zhì)量損失見(jiàn)圖1～圖4。

圖 1 水凍條件下P1-P3相對(duì)動(dòng)彈性模量損失

圖 2 水凍條件下P1-P3質(zhì)量損失

圖 3 水凍條件下L1-L3相對(duì)動(dòng)彈性模量損失

圖 4 水凍條件下L1-L3質(zhì)量損失

由圖1和圖3可以看出，水凍環(huán)境下，整體來(lái)說(shuō)，無(wú)論是輕骨料混凝土還是普通混凝土，混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高，相對(duì)動(dòng)彈性模量下降速度越慢，而且棱柱體試塊的相對(duì)動(dòng)彈性模量與凍融循環(huán)的次數(shù)呈反比例的趨勢(shì)。圖1可以看出混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30的普通混凝土P1在凍融200次以后，其相對(duì)動(dòng)彈性模量下降到60%，即達(dá)到認(rèn)定發(fā)生凍融破壞標(biāo)準(zhǔn)。而從圖3可以看出，輕骨料混凝土在凍融達(dá)到150次時(shí)，棱柱體試塊發(fā)生破壞，退出試驗(yàn)。

圖2和圖4可以看出，普通混凝土，強(qiáng)度等級(jí)為C30質(zhì)量損失較快，C40和C50質(zhì)量損失率基本小于1%。而對(duì)于輕骨料混凝土而言(強(qiáng)度等級(jí)為C30輕骨料混凝土)，在凍融次數(shù)比較低時(shí)，其質(zhì)量反而會(huì)增加。整體而言，輕骨料混凝土的質(zhì)量損失較小。

2.2.3 鹽凍環(huán)境 鹽凍環(huán)境下凍融循環(huán)的相對(duì)動(dòng)彈性模量和質(zhì)量損失見(jiàn)圖5～圖8。

圖 5 鹽凍條件下P1-P3相對(duì)動(dòng)彈性模量損失

圖 6 鹽凍條件下P1-P3質(zhì)量損失

圖 7 鹽凍條件下L1-L3相對(duì)動(dòng)彈性模量損失

圖 8 鹽凍條件下L1-L3質(zhì)量損失

由圖5和圖7可知，鹽凍環(huán)境下，相對(duì)動(dòng)彈性模量也同樣與凍融循環(huán)次數(shù)呈反比。普通混凝土在鹽凍環(huán)境下的相對(duì)動(dòng)彈性模量的下降速率比輕骨料混凝土在鹽凍環(huán)境下的下降速率快。P1,P2在凍融循環(huán)次數(shù)不足150次時(shí)，其相對(duì)動(dòng)彈性模量已經(jīng)下降到60%。輕骨料混凝土L1在凍融循環(huán)次數(shù)到達(dá)150次就發(fā)生完全破壞，退出試驗(yàn)。由圖6和圖8,在鹽凍環(huán)境下，隨著混凝土強(qiáng)度的增加，質(zhì)量損失率隨之降低。凍融初期，輕骨料混凝土L1的質(zhì)量同水凍環(huán)境相同，都存在增加趨勢(shì)。

圖3和圖7對(duì)比可知，輕骨料混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量在鹽水中下降的速率比在水中的慢。混凝土強(qiáng)度較高的輕骨料混凝土L3在水凍環(huán)境下凍融不足150次，其相對(duì)動(dòng)彈性模量下降到60%，而鹽凍環(huán)境下的L3，直到試驗(yàn)結(jié)束，其動(dòng)彈性模量一直高于60%?；炷翉?qiáng)度等級(jí)為C30時(shí)，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)到達(dá)150次，輕骨料混凝土已發(fā)生完全破壞。由圖4和圖8可知，輕骨料混凝土在鹽凍環(huán)境下的質(zhì)量損失大于在水凍環(huán)境下的質(zhì)量損失。輕骨料混凝土L1在鹽凍中凍融循環(huán)100次時(shí)，質(zhì)量損失已超過(guò)5%,達(dá)到認(rèn)定破壞的標(biāo)準(zhǔn)。而在水凍中的輕骨料混凝土L1其質(zhì)量反而增加。混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30輕骨料混凝土在鹽凍和水凍中初始凍融循環(huán)時(shí)，其混凝土質(zhì)量有所增加。究其原因，可能是由于水流入輕骨料混凝土的空隙內(nèi)，從而造成混凝土質(zhì)量增加，而后期的質(zhì)量減小則是因?yàn)殡S著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土產(chǎn)生剝落。

3 結(jié)論

1)普通混凝土在鹽凍環(huán)境下的相對(duì)動(dòng)彈性模量和質(zhì)量損失率下降較水凍環(huán)境更為迅速，其在鹽凍環(huán)境下的抗凍性劣于在水中的抗凍性。同時(shí)不管是輕骨料混凝土還是普通混凝土，強(qiáng)度等級(jí)越高，抗剝蝕能力越好，凍融循環(huán)所造成的損傷程度也就越小。

2)凍融初期的輕骨料混凝土，其相對(duì)動(dòng)彈性模量和質(zhì)量損失都減少得較為緩慢，經(jīng)過(guò)一定的凍融循環(huán)后，相對(duì)動(dòng)彈性模量會(huì)出現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。

3)相對(duì)動(dòng)彈性模量能夠較好地反映出混凝土內(nèi)部的損傷程度，輕骨料混凝土在鹽凍環(huán)境下的相對(duì)動(dòng)彈性模量下降速率比在水中慢，而強(qiáng)度較低的輕骨料混凝土在凍融到一定次數(shù)時(shí)會(huì)發(fā)生突然斷裂，故而在北方嚴(yán)寒地區(qū)，應(yīng)盡量選擇強(qiáng)度等級(jí)較高的輕骨料混凝土。

4)強(qiáng)度較高的輕骨料混凝土的抗鹽凍能力比同等強(qiáng)度的普通混凝土要強(qiáng)。較之于普通混凝土而言，輕骨料混凝土具有良好的抗?jié)B性和抗凍性，從而具有更好的耐久性。

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[責(zé)任編校： 張巖芳]

Frost Resistance of Lightweight Aggregate Concrete in Salt Solution

ZUO Chi, CHEN Yueshun，DU Zhiyun，ZHANG Mengguang

(SchoolofCivilEngin.,ArchitectureandEnvironment,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

The durability of concrete material is its most important performance indicators, and freeze-thaw damage issue has become one of the important factors affecting the durability of concrete. The frost resistance of normal concrete and lightweight Aggregate Concrete in different freezing and thawing media (water and 3.5% sodium chloride solution) were investigated by quick freeze-thaw tests in the study. The results show that lightweight aggregate concrete has better salt freezing capacity and the relative dynamic elastic modulus in the salt water is lower than in water. For relatively high intensity of the concrete, the surface anti-erosion ability when freeze-thaw cycles were higher than the same kind of low-strength concrete.

ordinary concrete；lightweight aggregate concrete；salt solution；strength grade；frost resistance

2016-01-12

左 馳(1991-)， 男， 湖北武漢人，湖北工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)殇摻罨炷聊途眯?/p>

1003-4684(2017)01-0026-04

TU111.2

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