混凝土冻融耐久性量化分析.pdf

2 0 1 0 年 第 5 期 (总 第 2 4 7 期 ) Nu mb e r 5 i n 2 0l 0( To t a l No 2 4 7) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THE0RET I CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 0 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 0 0 5 0 0 1 混凝土冻融耐久性量化分析 苏昊林 。王立久 ( 大连理工大学 建设工程学部 ，辽 宁 大连 1 1 6 0 2 4 ) 摘要： 阐述了混凝土的冻融破坏机理和冻融破坏的过程； 根据混凝土冻融循环的试验结果 ， 分析混凝土的抗压强度、 劈拉强度和抗折 强度随冻融次数变化的规律， 并建立混凝土抗折强度的指数衰减规律方程， 由此可对混凝土冻融耐久性进行量化分析； 引入抗冻因子的概 念进一步分析混凝土耐久性 与强度 的关 系； 同时提 出了提高混凝土抗冻性 能的主要措施 。 关键词 ： 混凝土 ；冻融耐久性 ；破坏机理 ；量化分析 中图分类号 ： T U5 2 8 O 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 0 ) 0 5 0 0 0 1 0 2 Qu ant i t a t i ve a na l ys i s of f r ee z e- t ha w du r ab i l i t y o f c onc r e t e SUHa o 一 i n， W AN G L i u ( F a c u l ty o f I n f r a s t r u c t u r e E n g i n e e ri n g ， Da l i a n Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， Da l i a n 1 1 6 0 2 4 ， C h in a ) Abs t r ac t ： I t d e s c ri be s t h e c o n c r e t e fr e e z e -t h a w d a ma g e m e c h a n i s m an d p r o c e s s o ff r e e z e - t h a w d a m a g e； a c c o r d i n g t o t h e e x p e ri m e n t a l r e s u l t s o f c o n c r e t e f r e e z e tha w c y c l e ， an a l y z e s c o n c r e t e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h 、 s p l i t t i n g t e n s i l e s t r e n gth and fl e x u ml s t r e n gth wi t h the v a r i a t i o n o f the n u mb e r o ff r e e z i n g an d t h a wi n g， a n d e s tab l i s he d t h e c o n c r e t e fl e x u r a l s tre n gth o fthe e x p o n e n t i a l d e c a y l a w o f e q ua t i o n， S O i t c a i 1 a n a l y z e s t h e f r e e z e t h a w d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e q u a n t i t a t i v e l y ； i n tr o d u c e s the c o n c e p t o f f r e e z i n g f a c t o r f o r fu r t h e r a n a l y s i s o f c o n c r e t e d u r a b i l i t y a n d s tr e n gth o f the r e l a - t i o ns h i p； m e a n wh i l e p u t s fo r wa r d k e y me a s u r e s t o i mp r ov e t h e pe r f o r ma n c e o ff r e e z e tha w r e s i s t a n c e o f c o nc r e t e Key wor ds ： c o n c r e t e； fre e z e t ha w d u mbi l i t y； d am a g e me c h ani s m； q uant i ta t i v e a n a l y s i s 0 引言 混凝土是由集料 、 水泥和水 3 部分组成。常温下硬化的混 凝土是由未水化的水泥、 水泥水化产物、 集料 、 水和空气共同组 成的气液固三相平稳的体系。当混凝土处于一定负温度下时， 其内部孔隙中的水分就将发生从液相到固相的转变。含水或与 水接触的混凝土在长期正负温度交替作用下会出现由表及里 的剥蚀现象， 称为冻融破坏。混凝土冻融破坏非常普遍 ， 因此对 于混凝土的抗冻耐久性进行量化分析， 在设计之初就考虑到其 使用寿命， 这一点是十分必要的。 1 混凝 土冻融破坏机理及破 坏过程 1 1 混凝土冻融破坏的机理 造成混凝土冻融破坏所必须具备的 3 个条件 ： 即混凝土本 身的孔结构 、 饱水状态和正负温度变化。许多学者对混凝土的 冻融破坏机理进行了大量研究， 虽然提出各种理论， 但至今尚 未达成共识 目前公认程度较高的是美国学者 T CP o w e r s e提 出的静水压理论与渗透压理论 1 】 。 静水压理论认为： 如果材料孑 L 隙饱水， 则由于水结成冰产 生体积膨胀， 在混凝土中形成冰胀压力 ， 使材料破坏。混凝土有 无冻害与其孔隙的饱水程度密切相关， 一般把 9 1 7 饱水度称为 极限饱和度。混凝土在完全饱水状态下 ， 其冻结膨胀压力最大。 而渗透压理论认为： 由于混凝土孔溶液中含有 N a + 、 I ( + 、 C a ”等盐 收稿 日期 ：2 0 0 9 1 2 - 2 8 基金项 目：“ 十一五” 国家科技重大项 目支撑计 | ( 2 0 0 6 B A J 0 4 A 0 0 4) 类 ， 大孔中的部分溶液先结冰后， 未冻溶液中盐的浓度上升， 与 周围较小孔隙中的溶液之间形成浓度差。由冰与过冷水的饱和 蒸汽压差和过冷水之间的盐分浓度差引起水分迁移而形成渗 透压。当冰胀压力与渗透压力共同作用超过混凝土抗拉强度 时 ， 混凝土就会 开裂 。 渗透压理论与静水压理论最大的不同在于未冻结孔溶液 迁移的方向。静水压理论认为材料冻害只是由冰胀压力引起的， 而渗透压理论认为是冰胀压力和渗透压力联合作用的结果， 它 多了渗透压力参与的概念。 1 2混凝 土 冻融破 坏 的过 程 混凝土是一种多孔体材料 ， 其孔径大致分布如表 1 所示。 表 1 混凝土孔径分布 Ix m 当环境温度下降时， 由于混凝土表面温度降低较快， 而混 凝土内部温度降低较慢， 所以在内外混凝土之间就形成温度梯 度。当温度低于 0时， 粗大孔隙中靠近混凝土表面的水就开 始结冰。随着温度的继续下降， 冻结就逐步深入至内部， 细小孔 隙中的水分将会逐步冻结。混凝土受冻时， 在结冰水膨胀力与 过冷水渗透力共同作用下， 孔壁出现较大拉应力 ， 产生微细裂 纹。当这种内应力超过混凝土所能承受的极限时， 便引起混凝 土内部孔隙和裂缝不断地发育。当经过反复多次的冻融循环以 后 ， 损伤逐步积累扩大， 发展成互相连通的裂缝， 最终导致混凝 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 土破坏。混凝土冻害大多从表面开始， 其特征是从表层向内逐 层剥落田 。因此， 混凝土的冻融破坏过程是比较复杂的一系列物 理化学过程 。 2 冻融耐久性试验 2 1 试验方 法 参照 D L T S 1 5 O 一2 0 0 1 水工混凝土试验规程 的规定进行 快速冻融循环试验。一个冻融循环历时 3 h ； 试验过程中试件处 于完全浸水状态， 试件中心温度控制在( 一 l 7 2 ) ( 8 2 ) 范围内 循环， 冷冻液的温度控制在一 2 5 1 5 范围内循环。试验中， 由设 在棱柱体试件中心和冷冻液中的温度探头测温， 并通过控制柜 来调控温度。冻融结束后， 根据混凝土试件质量损失、 相对动弹 性模量变化值及强度下降值来衡量混凝土抗冻性能。试件尺寸 包括 1 0 0 mm x l 0 0 m mmx 4 0 0 I n m的棱柱体和 1 0 0 m mx l 0 0 mmx 1 0 0 n u n的立方体 ， 前者用于测试相对动弹性模量和质量损失， 以 及随后的抗折强度试验， 后者用于立方体抗压强度和劈裂抗拉 强度试验。 2 2 试验材料 试验用粗骨料为石灰岩碎石， 细骨料为中砂( 河砂 ) 。骨料 的基本性质与级配见表 2和表 3所示。 水泥采用大连小野田 P O 4 2 5 R级水泥， 性质指标见表 4 。水为普通饮用水。减水剂 为高性能AE减水剂， 为多羧酸系化合物。 配制的混凝土强度等 级为C 4 0 ， 配合比见表 5 。 表 2 骨料的基本 性质 表观密度 ( g c m )吸水率 堆积密度 ( k g m )细度模数 表 4 水泥的性质指标 2 3 试件的制备与试验过程 采用强制式搅拌机拌制混凝土。搅拌时， 先倒人砂和水泥， 搅拌 3 0 S ， 然后倒入水再搅拌 6 0 S ， 最后倒入粗骨料搅拌 6 0 S 。 搅拌后的混凝土拌合物在满足整体和易性要求之后 ， 灌人模具 内成型。 试件经 2 4 h后拆模 ， 放入标准养护室养护 2 8 d 。 在快速 冻融循环试验开始之前 ， 将试件放在水中浸泡 4 d ， 然后取出擦 干水分， 称初始质量， 测量初始 自 振频率； 然后将试件装入试件 盒 ， 注人淡水 ， 水面浸没试件 2 c m左右 ， 开始快速冻融循环试 验。每 2 5次冻融循环对试件检测一次， 测定试件的质量和自振 频率， 计算质量损失率和相对动弹性模量， 然后将试件调头重 2 新装入试件盒， 操作与前相同， 继续试验。到达预定循环次数后 取出试件 ， 测试其质量和相对动弹性模量， 并测量经快速冻融 试验后的混凝土立方体试件的抗压强度、 劈拉强度和棱柱体 试件的抗折强度。所有试验内容均严格按照 D L T 5 0 5 1 -2 0 0 1 水工混凝土试验规程 的要求进行操作。 2 4 试验 结 果与分析 图 1为配制的 C 4 0混凝土在冻融循环试验时， 强度随冻融 次数变化的规律。从图 1 可以看出， 随着冻融循环次数的增加， 混凝土立方体抗压强度、 劈拉强度和抗折强度均呈下降趋势， 且 劈拉强度和抗折强度的下降幅度较抗压强度下降幅度明显。抗 折强度和劈拉强度在冻融循环 2 0 0次后已基本失去承载能力。 冻融循 环次数 图 1 混凝土强度随冻 融循环次数的变化 图2与图 3分别是混凝土质量损失率和相对动弹性模量 随冻融循环次数的变化。从图2和图 3可以看出， 在冻融循环 次数较少时， 混凝土试件的质量呈增加趋势， 8 O 次左右以后混凝 土试件本身质量开始减少。混凝土的相对动弹模量的变化也很 明显， 冻融循环次数达到 2 0 0 次时， 其下降幅度达到 1 8 。 1 l l 芝 0 繁 。 。 越 0 一O -0 冻融循环次数 图 2 混凝土质量损失率随冻融循环次数的变化 1 1 蓬 1 被 幅 韶 冻融循环次数 图 3 混凝相对动弹性模量随冻融循环次数的变化 3 混凝土冻融耐久性量化分析 混凝土的冻融耐久性 ， 可采用其性质的衰变过程， 即混凝 土的衰变方程来描述。根据试验结果， 以抗折强度的衰变程度 来模拟混凝土的耐久老化衰变， 如式( 1 ) ： 下转第 6页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图 9 L S 4在 1 8 0次干湿交替循环后 5 0 0 0倍 SE M照片 ( 1 ) 在不同浓度和种类硫酸盐干湿循环腐蚀试验中， 掺合 料混凝土抗硫酸盐侵蚀性能表现为先提高后下降的过程， 但峰 值出现的时间、 提高和下降的幅度相差较大。 ( 2 ) 在硫酸盐干湿循环腐蚀试验中， 硫酸盐的种类和浓度对 掺合料抗硫性能影响较大， 影响程度由大到小依次为： 5 0 N a ： S O 溶液 、 2 5 Mg S O 溶液、 2 5 Na 2 S O 溶液、 0 5 N a 2 S O 溶液。 ( 3 ) 在硫酸盐干湿循环腐蚀试验中， 可以采取加大侵蚀溶 上接第 2页 Rr ,r= a Ro e - ( 1 ) 式 中： 冻融循环 次后 的抗折强度 ； 一 待定系数； R _ 一 初始抗折强度； A 衰减系数。 冻融循环 次后， 当试件抗折强度低于初始抗折强度的8 0 时， 可认为该混凝土抗 冻耐久性 已基本丧失。该衰变方程与牛 顿的物质冷却定律或放射性物质蜕变方程相一致， 如式( 2 ) ： R 0 9 8 1 4 R o e - 1 1 3 5 ， R Z =- 0 9 1 1 5 ( 2 ) 室内试验冻融一次相当于自然条件下冻融 1 2次( 平均值) 。 表 6列出了我国各地年平均冻融循环次数 y 。 表 6 我国典型地区年平均冻融循环次数 y 量化分析其使用年限 t 的公式如式( 3 ) ： t = 1 2 N y ( 3 ) 关于的取值可利用混凝土抗折强度衰变方程( 可由图 1 的试验结果求得 ) 计算出来， 由此便可量化分析其使用年限 3 J 。 4 抗冻 因子 0 9 的 引入 为了进一步说明问题， 这里引入混凝土抗冻因子 这一参 数4 1 。 所表征的是混凝土相对动弹性模量损伤程度， 不同混凝 土存在不同的， 但针对某一混凝土而言其 0 9 是唯一的。原则 上一般是介于O - 之间， 越小混凝土抗冻性越好。因此对 于混凝土抗冻性而言有价值的是 0 1 0 。现有混凝土抗冻 因子基本处于 0 5 1 0之间 ， to = O时是一种理想状 态， 表征 的是无冻害混凝土。按现在的技术水平最高抗冻混凝土强度为 2 3 4MP a ， 这也是人们梦寐以求的无冻害混凝土的最终目标。 抗冻因子6 0 本质上是任意混凝土的对数相对动弹性模量相 6 液浓度的方法来加快试验速度， 缩短试验周期； 但硫酸盐侵蚀 溶液浓度和种类的不同， 钙矾石 、 石膏等试验结晶产物的比率 和破坏类别也将不同。因此， 应尽可能模拟实际工况环境， 选择 合适浓度和种类的硫酸盐侵蚀溶液， 以期获得准确的结论。 参考文献 ： f 1 张誉混凝土结构耐久性概论 M J 上海： 上海科学技术出版社 ， 2 0 0 3 2 亢景富 混凝土硫酸盐侵蚀研究中的几个基本问题 J 混凝土， 1 9 9 5 ( 3 ) ： 9 - 1 8 3 】梁咏宁， 袁迎曙 硫酸钠和硫酸镁溶液中混凝土腐蚀破坏的机理叨 硅酸盐学报， 2 0 0 7 ( 4 ) ： 5 0 4 5 0 8 4 马保国， 袁行洋， 苏英 ， 等内盐湖环境中混凝土硫酸盐侵蚀破坏研 究 J 1 混凝土 ， 2 0 0 1 ( 4 ) ： 1 1 - 1 5 5 牛荻涛 混凝土结构耐久性与寿命预测 M 北京： 科学出版社， 2 0 0 3 6 】 杨瑞海 复合矿物掺合料对混凝土抗硫酸盐侵蚀的影响m 粉煤灰综 合利用， 2 O 0 7 ( 4 ) ： 2 1 2 4 作者简介： 刘俊( 1 9 7 9 - ) ， 男， 硕士研究生， 从事混凝土结构耐 研究。 单位地址： 西安建筑科技大学2 3 2 信箱( 7 1 0 0 5 5 ) 联 系电话 ： 1 3 5 7 2 0 3 2 3 7 9 当于在标准混凝土对数相对动弹性模量基础上扩大 倍， 这也是 的基本物理意义。表 7 为混凝土强度等级与抗冻因子的关系。 表 7 混凝土强度等级与抗冻因子的关系 混凝土强度 2 8 5 4 4 2 8 O 5 2 3 3 6 5 9 8 8 1 0 1 0 5 2 抗冻 因子 m O 8 0 9 0 7 5 0 ( 内插 ) 0 7 3 8 0 6 8 2 O 5 8 7 O 5 2 3 从表 7可以看出， 随着混凝土的强度增加而减少， 基本呈 线性关系。以李金玉、 高建明、 钱永贵、 刘信武等人的试验数据 分析得到混凝土抗压强度与抗冻因子的关系如式( 4 ) ： 一 2 5 7 o , + 2 3 4 ， R Z =- 0 9 3 ( 4 ) 由此可见， 不单可以表征混凝土抗冻性 ， 而且还体现出与 其强度的一致性。 5结语 混凝土冻融破坏的影响因素是多方面的， 如混凝土主要原 料的性质、 孔隙中的饱水程度、 环境温度、 反复冻融的次数以及 施工工艺和施工质量等， 其中孔隙中的饱水程度是影响混凝土 抗冻性的主要因素。随着相关理论和试验技术的发展， 应该更 加深入地、 多角度地解释混凝土的冻融破坏机理。同时， 混凝土 冻融破坏的防治要对症下药，如正确选择混凝土的抗冻等级、 使用质量优良的原材料 、 采用合理的混凝土配合比、 严格控制 混凝土的施工质量、 及时对冻融破坏的混凝土进行维修、 加固以 及加入一些新型材料来提高混凝土的抗冻性能等。 参考文献 ： 1 】 李连志， 李琦， 李剑 混凝土在氯盐介质条件下的冻融破坏机理们 交 通科技与经济， 2 0 0 8 ( 4 ) ： 1 0 1 1 2 王文龙 水工混凝土冻融破坏的机理及防治【 J 】 中国农村水利水电， 2 0 0 6 ( 5 ) ： 8 4 8 6 3 】王立久， 汪振双， 崔正龙 再生混凝土抗冻耐久性试验及寿命预测 混凝土与水泥制品， 2 0 0 9 ( 4 ) ： 6 - 8 4 王立久 混凝土抗冻耐久性预测数学模型 J 混凝土， 2 0 0 9 ( 4 ) ： 1 - 4 作者简介 单位地址 联 系电话 苏昊林( 1 9 8 6 一 ) ， 男， 硕士研究生。 辽宁省大连市甘井子区大连理工大学北山公寓 A区 3 舍 3 1 6 室( 1 1 6 0 2 4 ) 1 3 8 8 9 61 4 0 7 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m