气候变化条件下水工混凝土的抗冻性能.pdf

水利水电科技进展,2015,35(6)摇 Tel:[phone]摇 E鄄mail:jz hhu. edu. cn摇 http:/ / www. hehaiqikan. cn 第 35 卷第 6 期 Vol. 35 No. 6 水 利 水 电 科 技 进 展 Advances in Science and Technology of Water Resources 2015 年 11 月 Nov. 2015 基金项目:国家自然科学基金(51209146);江苏省自然科学基金(BK2012066) 作者简介:戈雪良(1981),男,江苏苏州人,高级工程师,博士,主要从事水工材料研究。 E鄄mail:xlge nhri. cn DOI:10. 3880/ j. issn. 10067647. 2015. 06. 007 气候变化条件下水工混凝土的抗冻性能 戈雪良1,苏文德2,陆采荣1 (1. 南京水利科学研究院,江苏 南京摇 210029; 2. 厦门轨道交通集团有限公司,福建 厦门摇 361004) 摘要:为了提高气候变化条件下水工混凝土的抗冻耐久性,采用自制的气候模拟系统,设定了 -5益、-10益、-17益、-30益、-40益等 5 个冻融过程降温终了混凝土试件中心温度,研究冻融温度 对 F50、F100、F300 等 3 种抗冻设计等级水工混凝土的质量损失、动弹性模量的影响。 试验结果表 明:随着冻融过程中降温终了试件中心温度的降低,F50、F100、F300 等 3 种抗冻设计等级的水工混 凝土的质量损失、动弹性模量损失逐渐增大,水工混凝土能经受的最大冻融循环次数也逐渐减少。 降低冻融过程中混凝土试件的中心温度可引起水工混凝土抗冻耐久性的降低。 关键词:水工混凝土;气候变化;冻融中心温度;抗冻耐久性;试验研究 中图分类号:TV431摇 摇 摇 文献标志码:A摇 摇 摇 文章编号:10067647(2015)06003704 Frost resistance properties of hydraulic concrete under climate change conditions/ / GE Xueliang1, SU Wende2, LU Cairong1(1.Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, China; 2.Xiamen Rail Transit Group Limited Corporation, Xiamen 361004, China) Abstract: In order to improve the durability of frost resistance of hydraulic concrete under climate change conditions, a climate simulation system made by the authors was employed to study the effects of freeze鄄thaw temperatures on the weight loss and dynamic elastic modulus of hydraulic concrete with the three designed antifreeze levels F50, F100, and F300. During the test, the freeze鄄thaw processes were observed with set five center temperatures of concrete samples:-5益, -10益,-17益,-30益, and -40益. The results show that, with decreasing center temperatures of samples in the freeze鄄 thaw processes, the weight loss and dynamic elastic modulus loss of the three designed antifreeze levels gradually increase, while the maximum withstanding numbers of freeze鄄thaw cycles gradually decrease. That is to say that lowering the center temperatures of concrete samples in freeze鄄thaw processes will decrease the durability of frost resistance of hydraulic concrete. Key words: hydraulic concrete; climate change; central temperature of freeze鄄thaw; durability of frost resistance; test research 摇 摇 我国现已建成各类水库 98000 多座,总库容近 9300 多亿 m31,分布在不同气候区域,每年经受的 冻融循环次数不尽相同。 气候变化国家评估报 告预估我国在 21 世纪 20 年代、50 年代和 80 年代 平均气温分别升高约 1郾 2益、2郾 2益和 3郾 2益 2,气温 变化将对我国水工混凝土结构物的受冻融作用区域 划分产生重要影响,大体上导致南北分界线北移,现 有分界线处以及北方地区的年平均冻融循环次数有 可能显著增加,从而加速这部分地区水工混凝土结 构物的冻融破坏。 另外,气候变暖导致极端气候出 现的频次增加,极端低温甚至是突破历史极值的低 温使我国北方地区已考虑抗冻设计的水工混凝土的 抗冻耐久性面临新的挑战。 目前,我国水工混凝土的抗冻融试验一般是在 -17益 依2益 的降温终了低温,以及 8益 依2益 的升温 终了温度下进行,以此对水工混凝土的抗冻性能进 行评估。 水工混凝土抗冻等级的设计原则为:在最 冷月评价温度低于-10益 的严寒区一般设计 F300, 而在最冷月评价温度大于-3益 的温和区设计 F50 或 F100。 国内外开展的水工混凝土抗冻耐久性方 面的研究比较多,取得了一些重要的研究成果3鄄9。 根据调研,我国南方地区最冷月(1 月)极端低温气 温平均值为-8郾 4益,东北、西北、华北地区最冷月 (1 月)极端低温气温平均值为-32郾 7益 10。 针对现 行抗冻耐久性设计原则、抗冻试验方法以及我国南 方和北方地区的最冷月气温现状,本文采用 F50、 73 水利水电科技进展,2015,35(6)摇 Tel:[phone]摇 E鄄mail:jz hhu. edu. cn摇 http:/ / www. hehaiqikan. cn F100、F300 等 3 种抗冻等级的水工混凝土,在-5益、 -10益、-17益、-30益、-40益等 5 种降温终了混凝土 试件中心温度下进行冻融试验,研究不同冻融温度 条件下不同抗冻设计等级水工混凝土的抗冻性能。 1摇 原材料、配合比与试验方法 1. 1摇 原材料 水泥采用 PO 42郾 5 普通硅酸盐水泥,玉级粉 煤灰。 细骨料为天然河砂,细度模数为 2郾 71。 粗骨 料为灰岩人工碎石,粒径范围为 5 40 mm。 外加剂 为萘系高效减水剂和 Air鄄202 引气剂。 经检测,水 泥、粉煤灰、外加剂的品质和参数均符合相应现行规 程规范的技术要求,可用于试验研究。 1. 2摇 配合比 根据气候严寒区、温和区分别要求的水工混凝 土抗冻等级情况,通过优化配合比以及控制体积含 气量,设计了 F50、F100、F300 等3 种抗冻等级的水工 混凝土。 经测试,F50、F100、F300 水工混凝土实际含 气量分别为2郾 8%、3郾 7%、5郾 8%,配合比见表1。 表 1摇 不同抗冻等级的水工混凝土试验配合比 编号 水胶 比 水/ (kgm-3) 水泥/ (kgm-3) 粉煤灰/ (kgm-3) 骨料/ (kgm-3) 减水 剂/ % 引气 剂/ % F50 0郾 501211944920750郾 500郾 008 F100 0郾 471222085220570郾 500郾 018 F300 0郾 381322786919460郾 900郾 100 1. 3摇 试验方法 采用自行研制的 GDJS鄄800 气候模拟系统进行 水工混凝土冻融试验,该系统可实现混凝土试件中 心温度-70 150益 的变化范围,实时控制精度为 0郾 1益,温度波动度为依0郾 5益,可通过程序设定改变 温降速率与温度恒定时间等试验参数。 水工混凝土 抗冻试件的成型、制作与养护按照 SL3522006水 工混凝土试验规程进行。 冻融试验降温终了试件中心低温分别设为 -5益、-10益、-17益、-30益、-40益,降温历时均为 2h,升温终了试件中心温度统一设为 8益,升温历时 均为 1h。 经过若干个冻融循环后,采用动弹性模量 测定仪(频率 100 10 000 kHz)、电子天秤(称量 10 kg,感量 5 g)分别测试混凝土的动弹性模量和质 量,进而对抗冻耐久性进行评估。 2摇 试验结果与讨论 2. 1摇 水工混凝土的冻融质量损失 F50、F100、F300 等 3 种抗冻设计等级的水工混 凝土在-5益、-10益、-17益、-30益、-40益等 5 种降 温终了试件中心温度下,经受若干冻融循环次数后 的质量损失率如图 1 所示。 从图 1 可以看出,随着 冻融试验降温终了水工混凝土试件中心温度的降 低,水工混凝土的质量损失率逐渐增大。 200 次冻 融循环后,降温终了试件中心温度从 - 5益 降到 -40益,中低抗冻设计等级的 F50、F100 水工混凝土 的质量损失率分别从 2郾 6% 增大到 12郾 4%,以及从 2郾 2%增大到 9郾 2%。 对于高抗冻设计等级的 F300 水工混凝土而言,350 次冻融循环后,降温终了试件 中心温度从-5益降到-40益,其质量损失率从 0郾 6% 增大到 7郾 5%。 图 1摇 不同抗冻设计等级水工混凝土的冻融质量损失率 2. 2摇 水工混凝土的动弹性模量变化 3 种抗冻设计等级的水工混凝土在测试完冻融 质量损失后,分别进行动弹性模量测试,根据动弹性 模量变化,并结合冻融质量损失情况,可对不同抗冻 设计等级的水工混凝土在不同降温终了试件中心温 度条件下的冻融耐久性进行评估。 不同冻融循环次 数下水工混凝土的动弹性模量试验结果如图2 所示。 从图 2 可以看出,F50 抗冻设计等级的水工混 凝土试件在-30益降温终了试件中心温度条件下经 过 150 次冻融循环后动弹性模量仅为初始值的 31%,冻融循环次数继续增加试件被冻断;当降温终 了试件中心温度降低至-40益 时,经过 100 次冻融 循环后动弹性模量为初始值的 30%,冻融循环次数 83 水利水电科技进展,2015,35(6)摇 Tel:[phone]摇 E鄄mail:jz hhu. edu. cn摇 http:/ / www. hehaiqikan. cn 图 2摇 不同抗冻设计等级水工混凝土的动弹性模量变化 继续增加试件被冻断。 F100 抗冻设计等级的水工 混凝土在降温终了试件中心温度达到-40益 时,经 过 150 次冻融循环后动弹性模量为初始值的 30%, 继续冻融试验试件被冻断。 在降温终了试件中心温 度从-5益降低到-40益 的过程中,经过 350 次冻融 循环后,F300 抗冻设计等级的水工混凝土的动弹性 模量从初始值的 81% 下降至 39%,表明即使是 F300 高抗冻设计等级的水工混凝土,随着冻融降温 终了试件中心温度的降低,其抗冻性能也下降较快。 图 3摇 水工混凝土能经受的冻融循环次数 2. 3摇 水工混凝土能经受的最大冻融循环次数 按照现行 SL3522006水工混凝土试验规程 中水工混凝土质量损失 5%、动弹性模量下降至初 始值的 60%的抗冻性能评判标准,图 3 给出了 F50、 F100、F300 抗冻设计等级的水工混凝土在-5益、 -10益、-17益、-30益、-40益等 5 个冻融试验降温终 了试件中心温度条件下能经受的最大冻融循环次数。 根据图 3 中的试验结果,低、中、高 3 种抗冻设 计等级的水工混凝土在不同冻融降温终了低温条件 下能经受的最大冻融循环次数的演变规律是一样 的,均是随着降温终了试件中心温度的降低而减少。 按照-17益降温终了试件中心温度条件冻融确定的 F50 抗冻设计等级水工混凝土,在-10益 或-5益 低 温条件下能经历最大冻融循环次数在 100 次以上, 而目前处于气候温和区的水利工程很少能经历 -17益低温条件。而对于严寒地区的水利工程而言, 即使是依据-17益降温终了试件中心温度条件冻融 确定的 F300 抗冻设计等级水工混凝土,当温度继续 降低至-30益甚至-40益时,其能经受的最大冻融循 环次数在 200 次以下,而目前该气候区域内出现 -30益 -40益的低温条件是完全有可能的。 2. 4摇 机理分析 水工混凝土的冻融破坏主要是由一定冻结温度 下结冰的水和过冷的水引起,结冰的水产生体积膨 胀、过冷的水发生迁移,这两种行为均能引起混凝土 内部孔压增大,产生破坏。 毛细孔中的含水率超过 一定限值时,冻结会产生很大的压力,该压力值除了 与毛细孔中的含水率有关外,还与冻结速度有关, 5 个冻融降温终了混凝土试件中心温度 ( - 5益、 -10益、-17益、-30益、-40益)对应的降温速率分别 为 6郾 5益 / h、9益 / h、12郾 5益 / h、19益 / h 和 24益 / h,与 之相对应的是水工混凝土抗冻耐久性呈现降温速率 和劣化程度增大的规律。 另外,在现行-17益 降温终了混凝土试件中心 温度的标准冻融试验方法中,毛细孔中的水会结冰, 凝胶孔水一般处于过冷状态,过冷水的蒸气压比相 同温度下冰的蒸气压要高,由此导致凝胶孔水向毛 细孔中冰的界面渗透的现象,直至达到平衡状态。 渗透过程中产生的渗透压力对水工混凝土的抗冻耐 久性也会产生影响。 在降低降温终了混凝土试件中 心温度至-30益甚至-40益时,凝胶孔中处于过冷状 态的水量可能会比中心温度为-17益 时增加,进而 更多的过冷水发生渗透迁移现象,大量过冷水的渗 透迁移进一步导致渗透压力的增大,这也是降低冻 融过程中水工混凝土试件中心温度后,水工混凝土 抗冻耐久性下降的主要原因之一。 3摇 结摇 论 a. 随着冻融过程中降温终了试件中心温度的 降低,F50、F100、F300 等 3 种代表低、中、高不同抗 93 水利水电科技进展,2015,35(6)摇 Tel:[phone]摇 E鄄mail:jz hhu. edu. cn摇 http:/ / www. hehaiqikan. cn 冻设计等级的水工混凝土的质量损失、动弹性模量 损失逐渐增大,水工混凝土能经受的最大冻融循环 次数逐渐减少。 b. 按照现行-17益降温终了低温条件冻融方法 确定的 F50 抗冻设计等级水工混凝土,在-10益 或 -5益低温条件下能经历最大冻融循环次数在 100 次以上;依据-17益 降温终了低温条件冻融方法确 定的 F300 抗冻设计等级水工混凝土,当温度继续降 低至-30益甚至-40益时,其能经受的最大冻融循环 次数在 200 次以下。 c. 冻融低温本身对水工混凝土的抗冻耐久性 会产生影响,主要表现为采用更低的混凝土试件中 心温度后,混凝土凝胶孔中处于过冷状态的水量增 多,过冷水迁移产生较大渗透压力,是水工混凝土产 生冻融破坏的主要原因之一;另外,冻融过程中的低 温温降速率对水工混凝土的抗冻性能也存在一定影 响,随着温降速率的增大,水工混凝土的劣化程度 增大。 参考文献: 1 中华人民共和国水利部,中华人民共和国国家统计局. 第一次全国水利普查公报R. 北京:中国水利水电出 版社,2013. 2 中华人民共和国科学技术部,中国气象局,国家环保总 局,等. 气候变化国家评估报告R. 北京:科学出版 社,2009. 3 李金玉,曹建国,徐文雨,等. 混凝土冻融破坏机理的研 究J. 水利学报,1999,30(1): 41鄄49. 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