CDF法檢測混凝土抗凍性能試驗方法研究

李中田 ，馮 林，高 峰 ，雷秀玲 ，李艷萍，黃如卉

（1.中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林 長春 130061；2.中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610000）

抗凍性能是混凝土諸多耐久性指標的集中體現(xiàn)，凍融破壞是影響寒區(qū)水工建筑物結構耐久性的主要因素。一般認為，凍融破壞是由于混凝土受凍使表層孔隙水結冰，擠壓未受凍水向混凝土內(nèi)部移動產(chǎn)生壓力，同時由表及里逐漸結冰時水分的體積增加又產(chǎn)生膨脹壓力，在液體壓力和膨脹壓力反復作用下，混凝土表面剝落破壞，內(nèi)部微裂紋增加，結構疏松最終導致破壞。

1 試驗方案

1.1 試驗原材料

試驗選用的水泥為P.MH42.5級水泥；摻合料選用Ⅱ級粉煤灰；粗、細骨料分別是天然卵石和天然砂；外加劑選擇北京中水科海利公司生產(chǎn)的SK-2型緩凝高效減水劑、SK-H型引氣劑。

對這次試驗所選用的混凝土原材料進行品質(zhì)檢驗，檢測結果顯示，原材料各項性能指標滿足相應國標及DL/T5144-2006《水工混凝土施工規(guī)范》技術要求。

1.2 試驗配合比

試驗選用水膠比分別為0.50，0.45，0.40的3個二級配碾壓混凝土配合比，進行兩種方法凍融試驗，配合比具體參數(shù)見表1。

碾壓混凝土抗凍試件按DL/T5433-2009《水工碾壓混凝土試驗規(guī)程》確定的試驗方法成型，成型過程中混凝土拌和物含氣量控制在3%～5%。

表1 混凝土配合比

1.3 試驗儀器

試驗在中水東北勘測設計研究有限責任公司科研院進行，儀器設備：CDR-3型混凝土凍融試驗機、德國史來賓格公司生產(chǎn)的CDF單面凍融試驗機、NM-4A型非金屬超聲波儀和超聲波清洗器等。

2 試驗方法及結果分析

利用文中前述混凝土配合比成型抗凍試件，分別采用水、鹽溶液（97%蒸餾水和3%Nacl配制而成）為凍融介質(zhì)，進行全浸快速凍融和單面凍融試驗，并對試驗結果對比分析。

2.1 試驗方法

2.1.1 快速凍融法

混凝土快速凍融試驗采用CDR-3型凍融試驗機，根據(jù)SL352-2006《水工混凝土試驗規(guī)程》進行?？箖鲈嚰?00 mm×100 mm×400 mm的棱柱體，到達試驗齡期前4 d，將試件在（20±2）℃的水中浸泡，然后進行試驗。試驗中，每次凍融循環(huán)降溫和升溫終了時，試件中心溫度分別控制在（-17±2）℃和（8±2）℃，凍融一次周期不超過 4 h。

試驗出現(xiàn)以下3種情況之一即停止：

1）凍融至預定的循環(huán)次數(shù)。

2）相對動彈性模量下降至初始值的60%。

3）質(zhì)量損失率達5%。

2.1.2 單面凍融法

單面凍融試驗采用德國史萊賓格公司生產(chǎn)的CDF單面凍融試驗機，依據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行。制作試件時，采用150 mm×150 mm×150 mm的立方體試模，試件成型后，先在空氣中帶模養(yǎng)護48 h，脫模后放在（20±2）℃水中養(yǎng)護至7 d齡期，切割成150 mm×110 mm×70 mm規(guī)格的試件，然后放入標準養(yǎng)護室養(yǎng)護至試驗齡期。凍融循環(huán)前，采用涂有異丁橡膠的鋁箔對試件的側面進行密封。

單面凍融試驗一個周期為12 h。每4次凍融循環(huán)后進行1次測試，測試過程包括超聲波清洗試件，過濾剝落物，超聲波波速測試等。

試驗出現(xiàn)下列情況之一時停止試驗：

1）達到28次凍融循環(huán)時。

2）試件單位表面面積剝落物總質(zhì)量大于1500 g/m2時。

3）試件的超聲波相對動彈性模量降低到80%時。

2.2 試驗結果分析

混凝土快速凍融試驗（水凍、鹽凍）結果見表2；混凝土單面凍融試驗（水凍、鹽凍）結果見表3。

由表2試驗結果可見，采用水或鹽溶液為介質(zhì)的快速凍融試驗，隨著凍融次數(shù)增加，均呈現(xiàn)質(zhì)量損失增大、相對動彈模降低的規(guī)律。經(jīng)分析得出：經(jīng)歷200次快凍循環(huán)后，水凍試件表面水泥凈漿大部分剝落，砂粒裸露，但砂漿依然包裹骨料，未見大范圍骨料裸露。鹽凍試驗條件表現(xiàn)比水凍更嚴酷，鹽凍試件表面砂漿嚴重剝落，大骨料裸露。根據(jù)此次試驗結果，按快凍等級評價標準進行評定，同一配合比試件，能承受鹽凍的能力比水凍少100～150次循環(huán)。采用鹽凍評定試件抗凍性，節(jié)約試驗時間14～21 d左右。

表2 混凝土全浸快速凍融試驗結果表

表3 混凝土單面凍融試驗結果表

這次試驗數(shù)據(jù)顯示，當快凍質(zhì)量損失達5%以上時，相對動彈性模量仍未降至60%以下，說明快速凍融試驗對混凝土表面的破壞遠大于對混凝土內(nèi)部的破壞。

表3試驗結果顯示，單面凍融試驗，無論采用水或鹽溶液為介質(zhì)，均符合隨著凍融次數(shù)增加表面剝落物增多，相對動彈模降低的規(guī)律，水膠比越大，相同凍融循環(huán)次數(shù)的剝落物總質(zhì)量越大。經(jīng)分析得出：經(jīng)歷4次單面凍循環(huán)后，水凍試件表面只有少部分水泥凈漿剝落；鹽凍試件表面凈漿完全剝落、大部分砂漿剝落、大骨料裸露、混凝土表面凸凹不平，鹽凍試驗條件明顯表現(xiàn)比水凍更嚴酷。本次試驗結果顯示，凍融8～12次后，水膠比分別為0.40，0.45，0.50的3個配合比的單面鹽凍試件表面剝落物質(zhì)量均達到停止試驗的規(guī)定，而水凍試件進行24次凍融循環(huán)后，依然距停止試驗標準甚遠，說明采用單面鹽凍迅速加快了試驗進度。

單面凍融試驗中介質(zhì)只與試件底面接觸，主要通過毛細管吸附進入試件。凍融試驗后試件結構所受損傷只是局限在試件與鹽溶液接觸面部位，與常規(guī)全部浸水的快速凍融試驗相比，單面鹽凍混凝土內(nèi)部損傷比混凝土快凍損傷小。此次試驗數(shù)據(jù)顯示，當單面凍試驗剝落物總質(zhì)量達到停止試驗標準時，試件相對動彈性模量仍在93%以上，說明與快速凍融相比，單面凍融試驗更集中在混凝土表面的破壞，試件單位測試面剝落物總質(zhì)量是反映混凝土抗鹽凍剝蝕破壞能力最直觀的指標，可作為評價碾壓混凝土抗鹽凍性能好壞的主要指標。而混凝土相對彈性模量損失率對試件中孔隙生長、擴展等內(nèi)部結構損傷程度較為敏感，可作為評定碾壓混凝土單面抗鹽凍性能的參考指標。

表4 混凝土凍融試驗結果對比表

根據(jù)表4的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，兩種凍融介質(zhì)、兩種試驗方法確定的四類試驗結果表明，判定同一配合比混凝土的凍融破壞時間具有如下關系：單面水凍大于全浸水凍，大于全浸鹽凍，大于單面鹽凍。鹽溶液加速了混凝土冰凍破壞過程，可以考慮采用鹽凍試驗方法快速檢測現(xiàn)場碾壓混凝土抗凍性能。

3 結論

1）進行兩種凍融介質(zhì)（鹽凍、水凍）全面浸水快速凍融試驗對比，研究結果顯示，鹽溶液加快了混凝土受凍破壞速度，縮短了試驗周期。

2）進行兩種凍融介質(zhì)（鹽凍、水凍）單面凍融試驗對比，研究結果顯示，單面水凍對混凝土破壞緩慢，不能在規(guī)定的24次循環(huán)內(nèi)判定試件抗凍性；單面鹽凍可以在短時間內(nèi)判定混凝土抗凍性。

3）兩種凍融介質(zhì)，兩種試驗方法確定的四類試驗結果表明，判定同一配合比混凝土的時間具有如下關系：單面水凍＞全浸水凍＞全浸鹽凍＞單面鹽凍。

4）評價混凝土的抗凍性應對使用環(huán)境進行分類，根據(jù)不同環(huán)境采取不同的抗凍措施。環(huán)境擬實化、條件嚴酷化、測試周期快捷化是混凝土抗凍性試驗方法的主要發(fā)展方向。

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