大温差地区水泥混凝土道面耐久性研究.pdf

第 3 9卷第 5期 2 0 1 3年 1 0月 四川建筑科学研究 S i e h u a n B u i l d i n g S c i e n c e l l 9 大温差地区水泥混凝土道面耐久性研究 林兴刚， 容树俭 ， 郝伟， 刘方达 ( 中国航空港建设第九工程总队， 四川 成都6 1 1 4 3 0 ) 摘要： 通过设计大温差环境下机场道面混凝土的耐磨试验、 抗冲击试验、 抗冻性试验， 研究了大温差环境下道面 耐久性破坏的主要原因。试验结果表明， 严酷条件下的机场道面混凝土 ， 在有害介质与冻融循环双重作用下， 道面 的耐磨性能及抗冲性能急剧下降， 在冻融循环作用下， 道面强度下降很快， 特别是道面的抗折强度比抗压强度下降 得更快， 在满足道面设计抗冻等级的情况下， 达到抗冻等级的冻融循环次数后， 混凝土的抗折抗压强度损失超过 50 。 关键词： 大温差； 水泥混凝土道面； 冻融 ； 耐久性 中图分类号： 1 4 1 4 文献标志码： B 文章编号： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 3 ) 0 51 1 90 4 0 引 言 水泥混凝土道面板的耐久性破坏是 由多种原因 引起 的， 环境因素是引起破坏的主要 因素之一 ， 对于 高寒地区机场道面来说 ， 温度 变化是 引起道面耐久 性破坏的最主要的环境因素 。温度的变化引起材料 一 系列性能的变化 ， 其 中一个 明显标 志就是体积随 温度变化的变形效应。当温度发生变化时， 不同的 材料会产生不 同的热变形 响应 。混凝土是一 种 非均匀的材料体系， 由粗细骨料、 硬化水泥浆、 水以 及存留其中的气体组成， 在温度变化下各组分材料 必然产生变形的不一致， 并在组分之间产生内应力， 影响混凝土 自身性 能【 2 _ 3 J 。在我国新疆 、 内蒙 、 西藏 等部分地区， 温度变化幅度大， 常年处于干燥环境。 这些地区不但年温差大 ， 13温差 高 ( 1 9 6 2年新疆最 高达 3 5 8 C ) ， 而且地面温度也很高( 1 9 7 4年新疆 吐鲁番达到 8 2 3 C) J ， 这些地 区的温度变化对混 凝土材料所造成的影响更加显著。另外， 使用荷载 的作用及混凝土内部结构的因素也是引起耐久性破 坏的主要因素。对机场道面混凝土来说， 其强度下 降、 抗冻性能降低、 抗渗性不足、 耐磨性能较差及抗 冲击性能差等耐久性指标下降是引起道面结构不能 使用的重要原因。 为 了对严酷条件下水泥混凝土道面板耐久性破 坏进行研究 ， 本文根据大温差地 区的气候特征设计 了水泥混凝土的耐磨试验、 抗冲击试验 、 抗冻性试验 及冻融前后强度的变化 等， 研究 水泥混凝土的耐久 收稿 日期 ： 2 0 1 2 - 0 4 1 2 作者简介： 林兴剐( 1 9 7 3 一) ， 男， 研究生学历 ， 高级工程师， 主要从事 工程管理工作 。 E ma i l ： l u o e h a 2 0 0 6 1 6 3 t o m 性破坏 ， 寻找引起耐久性破坏的主要原因 ， 以便于在 工程实践中采取适 当的防治措施 ， 减少道面板的耐 久性破坏。 1 原材料及水泥混凝土配合比设计 1 1 原材料 水泥： 采用山丹铁骑生产的4 2 5 R普通低碱水 泥； 砂： 采用清水产的砂子， 细度模数 = 2 6 8 ， 无 潜在碱一 硅酸反应危害 ； 碎石： 采用金塔产的碎石 ， 粒 径为 54 0 m m连续级配 ； 减水剂 ： 采用天 津产 的 U N F- 5型高效减水剂， 掺量为水泥用量的0 5 2 5 ， 减水率为 1 5 ； 芒硝： 采用四川彭州生产的 无色透明硫酸盐类矿物芒硝( N a ： S O 。 1 0 H 2 O) 。 1 2 混凝土配合比 水泥混凝土的配合比见表 l 。按表 l 所示 的配 合比进行搅拌， 出机塌落度为2 0 m m ， 稠度为 1 8 S 。 表 1 水泥混凝土的配合比 2耐磨性试验 2 1 试验方案 按照表 1所示的配合 比进行成件 ， 制成 1 5 0 m m 1 5 0 m m 1 5 0 m m的试件， 每组3 个， 共7 组， 成型 后 2 4 h 拆模， 放人标准养护室养护 7 d 取出试件， l 组在干空室( 相对湿度为 6 0 5 温度为 2 0 cC 3 C) 养护 2 1 d 后取出， 在 M S - 2 5 0型混凝土磨耗试 验机上进行耐磨性试验， 用第 2 8 d的磨耗量表示其 耐磨性能。 6组在干空室养护 1 7 d后取出， 3组放进 1 5 C 1 2 0 四川建筑科学研究 第 3 9卷 一 2 O 的水 中浸泡 4 d ( 测温试件为 C 6 0混凝 土试 块 ， 与耐磨试件一起放入水 中浸泡 ) ， 水深超过试 件 顶面 2 0 mm， 取 出后放进 T D R 1型混凝土快 速冻融 试验机进行饱水状态下 的快速冻融试验 ， 分别冻融 5次 、 1 O次和 l 5次， 每次冻融循环时 间为 4 h， 在冻 结和融化终 了时， 试件 中心温度分别为 一1 7 2 q c 和 8 2 c I 二 ， 冻融之间的转换时间为 9 m i n ， 到达预 定的冻融次数之后 ， 把试件取 出， 用 旧棉 布擦 干表 面 ， 放在烘箱中进行烘干至恒重 ， 然后在 M S - 2 5 0型 混凝土磨耗试验机上进行耐磨性试验。 另外 3组 放进 1 5 E 2 0 c lC的芒 硝 水 ( 2 的 N a S O 1 0 H 0溶液) 中浸泡 4 d ， 水深超过试件顶 面 2 0 mm， 取出后与前 3组一样进行 5次 、 1 0次和 1 5次的快速冻融试验 ， 到达预定的冻融次数之后 ， 把试件取出 ， 用 旧棉布擦干表面， 放在烘箱中进行烘 干至恒重 ， 然后在 MS一 2 5 0型 昆 凝土磨耗试验机上 进行耐磨性试验。 2 2试 验数 据及 分析 各组试件的磨耗量及磨损 比变化情况如图 1 、 2 所示 。 图 l 磨损量与冻融循环次数的关系 图2 磨损比与冻融循环次数的关系 由图 l 、 2可以看出， 随着冻融次数的增加， 试件 的磨耗量也在增加， 冻融 l 5次后的磨耗量是通常情 况下的 1 2 2倍， 耐磨性降低的很快。由于饱水冻融 作用， 使混凝土试件的表面发生了变化， 增大了磨耗 量。由此可知 ， 道面水泥混凝土在冻融循环 的作用 下， 道面表面的耐磨性降低， 表面构造性功能会很快 丧失， 而表面的拉毛 、 刻痕 ， 甚至刻槽等构造性功 能 的减弱或丧失 ， 必将影响道面的使用性能。 从图中还可 以看出， 试件在硫酸盐溶液和冻融 循环的双重作用下， 耐磨性能急速下降 ， 在冻融循环 l 5次后 ， 磨耗量增加 了将近一半 ， 达到正常情况 下 的 1 4 8 倍 。硫酸盐溶液对试件进行侵蚀 ， 使混凝土 表面产生变化 ， 在冻融循环的作用下 ， 加速了硫酸盐 的侵蚀 ， 同时也加速了冻融作用 的效果 ， 这样形成了 恶性循环 ， 使混凝 土试件的耐磨性能降低 。 但在该试验过程 中， 并没有观察到硫酸盐侵蚀 试件造成试件表面产生膨胀的现象 ， 可能是试验的 时间较短 ， 硫酸盐侵蚀混凝土是一个缓慢的过程 ， 同 时试验冻融循环的次数较少 ， 硫酸盐侵蚀混凝土 的 效果表现得不够明显。 由该试验可 以看出， 严酷条件下 的机场道 面混 凝土 ， 在 自然环境气候和地理作用下 ， 特别是有害性 的物质对混凝土的侵蚀 ， 是造成耐久性破坏的重要 原 因。 3 抗冲性试验 3 1 试验情况 按表 1 所示的配合 比进行搅拌 ， 制作成直径 尺 =1 5 2 m m、 厚度 h= 6 3 5 n I I T I 圆形抗冲击的试件 ， 每 组 6个 ， 共 7组 ， 成型后 2 4 h拆模 ， 放人标准养护室 养护 7 d取出 ， 1 组试件在干空室( 相对湿度为 6 0 5 温 度 为 2 0 3 )养护 2 1 d后 取 出， 按 A C I 5 4 4委员会提出的测试抗冲击性能的方法 ， 应用 落锤冲击试验测试试件的抗冲击性能。 6组在干空室养护 1 7 d后取出， 3组放进 l 5 2 0 q C的水 中浸泡 4 d ， 水深超过试件顶面 2 0 m m， 取出后放进 T D R 1 型混凝土快速冻融试验机进行饱 水状态下 的快速冻融试验 ， 分别 冻融 5次、 1 O次和 1 5次 ， 每次冻融循环时间为 4 h ， 在冻结和融化终 了 时， 试件 中心温度分别为 一1 7 2 C和 8 2 C， 冻融之间的转换时间为 9 m i n ， 到达预定的冻融次数 之后 ， 把试件取出 ， 用 旧棉布擦 干表面 ， 应用落锤冲 击试验测试试件的抗冲击性能。 另外 3组放 进 1 5 一2 O 的芒硝 水 ( 2 的 N a S O 1 0 H 0溶液) 中浸泡 4 d ， 水深超过试件顶 面 2 0 m m， 取 出后 与前 3组一样进行 5次、 l O次和 1 5次 的快速冻融试验 ， 到达预定 的冻融次数 之后 ， 把试件取出 ， 用 旧棉布擦干表面 ， 然后? 贝 0 试试件的抗 冲击性能。 3 2 试验数据及分析 试验测得混凝土试件的抗 冲击性能试验结果见 表 2 。 2 0 1 3 N o 5 林兴刚， 等： 大温差地区水泥混凝土道面耐久性研究 1 2 1 由表 2可以看 出， 试件 的抗 冲击性能随着冻融 循环次数的增加而不 断的下降 ， 初裂 的锤击数随着 冻融循环次数 的增加 而减少。在 冻融循环 的作用 下， 试件的表面发生表皮松动、 脱落、 掉渣 ， 抗冲击性 能下降。在硫酸盐溶液的侵蚀和冻融循环双重作用 下， 试件的初裂次数明显的下降， 冻融循环加速了硫 酸盐的侵蚀作用 ， 同时硫酸盐的侵蚀也加大 了冻融 的效果， 试件的抗冲击性能下降较快。在同等冻融 循环次数的情况下 ， 在硫酸盐溶液环境 中的试件初 裂次数也明显 的低 于正常环境下 的试件 ， 表 明硫酸 盐加速了混凝土的破坏 ， 使抗冲击性能降低。 由该试验可 以看 出， 在冻融循环和有 害环境 中 的机场道面混凝土 ， 抗击飞机轮子 的冲击作用 明显 减弱， 道面的抗冲击性能下降。 4 抗 冻性试 验 4 1 试验情况 按表 1 所示的配合比进行搅拌， 制作成 1 5 0 m m x 1 5 0 n ! r l l 5 5 0 ra m9组 和 1 0 0 mm X 1 0 0 m m 4 0 0 r l l l n 2组试件 ， 每组各 3个试件。 1 5 0 mm1 5 0 mm 5 5 0 m m 1 组试件成型后 2 4 h 拆模， 放人标准养护室养护2 7 d 后取出， 进行强度 试验 ， 测量其抗折、 抗压强度 。 1 5 0 mm1 5 0 m m 5 5 0 mm 4组试件 和 1 0 0 m m 1 0 0 m m 4 0 0 m m 1组试件成 型后 2 4 h拆模 ， 放 人标准养护室养护 2 4 d后取出 ， 和测温试件 ( 混凝 土 C 6 0试件) 一起放进 l 5 2 0 的水中浸泡 4 d ， 水深超过试件顶面 2 0 mm。 然后 ， 将浸泡完毕 的试件取 出擦干 ， 将 1 0 0 m m 1 0 0 r l l n l 4 0 0 m m 1组试件放在 D T一8 W 动弹仪 上测定横向基频 ， 试件成型面朝上 ， 激振换能器位于 试件的中部， 测定横向基频的初始值。然后将 4组 1 5 0 m m 1 5 0 m m 5 5 0 mm 和 1组 1 0 0 m m 1 0 0 m m 4 0 0 m m试件放进 T D R 1 型混凝土快速冻融试 验机进行饱水状态下 的快速冻融试验。每次冻融循 环时间为 4 h ， 在冻结 和融化终了时 ， 试件 中心温度 分别 为 一1 7 c C2 和 8 2 ， 冻融之间的转换 时间为 9 m i n 。将 3组 1 5 0 m m 1 5 0 m m 5 5 0 mm 分别冻融 5 0次、 1 0 0次和2 0 0次， 然后分别进行抗 折、 抗压强度试验。将 1组 1 5 0 m m1 5 0 mm5 5 0 m m和 1 组 1 0 0 mm1 0 0 mm 4 0 0 m m试件做冻融 试验直至破坏， 其中， 1 0 0 m m X 1 0 0 mm 4 0 0 m m试 件在冻融 2 0 0次以内， 每 5 O次测一次横向基频和质 量损失 ， 超过 2 0 0次循环后 ， 每隔 2 5次测量一次横 向基频和质量损失 ， 当相对动弹模量达到 6 0 或质 量损失达到 5 时 ， 停止冻融。 另外 1 5 0 m m1 5 0 mm5 5 0 m m 4组试件 和 1 0 0 m m1 0 0 mm 4 0 0 m m 1组试件成型后 2 4 h拆 模 ， 放入标准养护室养护 2 4 d后取出， 和测 温试件 ( 混凝土 C 6 0试件 ) 一起放进 1 5 2 O 的芒硝水 ( 2 的 N a 2 S O 1 0 H O溶液) 中浸泡 4 d ， 水深超过 试件顶面 2 0 m m。 然后 ， 采取 与正常情况下试件 的冻融试验一样 进行冻融试验 ， 即 ： 测量 1 0 0 m m1 0 0 m m 4 0 0 mm 试件的基频和质量与预定冻融循环次数的横向频率 及质量损失 ， 直 至破坏 ， 测 量 1 5 0 m m1 5 0 m m 5 5 0 m m试件在冻融 5 0次、 1 0 0次、 2 0 0 次和冻融破 坏时的抗折、 抗压强度。 4 2 试验数据与分析 1 0 0 m m1 0 0 r f ff n 4 0 0 mm抗冻试件的冻融试 验结果见图 3 、 4， 其 中 D 表示在普通水溶液中饱水 的冻融试件 ， D 表示在硫酸盐溶液中饱水的冻融试 件。 图3 相对动弹模量与冻融循环次数的关系 从 图 3 、 4中可以看 出， 抗冻试件在不同环境下 的抗冻性能是不同的， 在正常的环境下， 试件经过 3 2 5次的冻融循环试验 ， 抗冻等级达到 F 3 0 0 ， 而在硫 酸盐侵蚀的环境中， 经过 2 5 0次， 试件的质量损失已 经超过 5 ， 抗冻等级为 F 2 2 5 ， 由于冻融的时间较 长 ， 硫酸盐已经与混凝土发生反应 ， 可以看到试件的 表面层发生细微的凹凸不平 的膨胀突起 ， 经过冻融 1 2 2 四川建筑科学研究 第 3 9卷 0 l O 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 冻融 循环次数 图 4质量损失与冻 融循环次数 的关 系 循环， 加速了硫酸盐的侵蚀， 使试件的表面剥落、 掉 渣， 质量损失超标。实际上， 硫酸盐对试件的侵蚀只 限于表层 ， 由动弹模量的数值可以看出， 试件的内部 并没有损伤， 相对动弹模量还很高， 达到7 0 3 。 由此可以看出， 道面水泥混凝土在侵蚀性介质 环境中， 侵蚀介质对混凝 土 的破坏作用不 容忽视。 有害介质和环境荷载对道面水泥混凝土的影响相当 大， 造成耐久性指标下降， 甚至破坏。 1 5 0 m m1 5 0 m m 5 5 0 mm试件 的强度试验结 果见表 3 ， 其中 Q S表示在普通水溶液中饱水的冻融 试件， Q L表示在硫 酸盐溶液中饱水的冻融试件 ， 抗 压强度是压小梁 1 5 0 m m1 5 0 m m 5 5 0 mm试件的 端头得到的抗压值。 表 3 1 5 0 m m1 5 0 m m 5 5 0 m m试件的强度试验结果 试 件 编 号抗 折 强 度 毫 篆 由图5 、 6可以看出， 试件的强度在冻融循环后 下降很快 ， 特别是试件的抗折强度 比抗压强度下降 的幅度大， 对冻融循环更敏感。对正常饱水冻融试 验的试件 ， 冻融循 环次数 达到 3 2 5次 ， 而在 3 2 5次 时， 抗 折强度 下降 了 5 9 7 ， 抗 压强度 下降 了 5 7 2 ， 硫酸盐溶液侵蚀的试件也存在 同样 的情况 ， 图5 抗折强度与冻融循环次数的关系 0 5 0 l O0 l 50 20 0 2 S0 30 0 35 0 冻融循环 次数 图 6 抗压强度与冻融循环次数的关 系 达到抗冻等级的冻融循环次数时， 抗折强度下降了 6 6 ， 抗压强度下降了 5 8 3 ， 由此可见， 虽然抗冻 等级满足了道面设计的要求， 但达到抗冻等级的冻 融次数时， 强度下降超过原设计强度的一半。 受硫酸盐侵蚀的试件的抗压强度和抗折强度的 损失都 比普通环境 中饱水试件的抗折抗压强度损失 大 ， 而抗折强度的损失 比抗压强度快 ， 由此可见 ， 试 件在硫酸盐环境中的耐久性较差。 5 结 论 通过对水泥混凝土进行 的耐磨性试验、 抗 冲击 试验 、 抗冻性试验及冻融循环后强度的测试 ， 得到 以 下结论 ： 1 ) 水泥混凝土道面的耐磨性受到使用环境和 使用荷载的影响。 在自然冻融循环作用下， 表面起皮、 脱落， 表面 的拉毛、 刻痕， 甚至刻槽等构造性功能减弱或丧失 ， 使道面的耐磨性降低。 在有害介质的作用下， 如硫酸盐侵蚀的环境中， 与冻融循环的双重作 用 ， 加速了道 面表面 的耐久性 破坏 ， 使道面的耐磨性能急剧下降。 2 ) 水泥混凝土道面 的抗冲击性 能， 同样受到使 用环境和使用荷载的影响。在冻融循环的作用下， 道面的抗冲击性能下降。在有硫酸盐等有害物质的 侵蚀作用及冻融循环 的双重作用下 ， 道面 的抗冲性 能加速降低 。 3 ) 道面水泥混凝土在冻融循环作用下 ， 道面强 度下降很快， 特别是道面的抗折强度比抗压强度下 降的更快 ， 在满足道面设计抗冻等级的情况下 ， 达到 抗冻等级的冻融循环次数后 ， 混凝土 的抗折抗压强 度损失超过一半 。 参 考 文 献 ： 1 乔宏霞， 何忠茂， 刘翠兰 硫酸盐环境混凝土冻弹性模量及微 观研究 J 哈尔滨工业大学学报， 2 0 0 8 ， 4 0 ( 8 ) ： 1 3 0 2 - 1 3 0 6 2 戴剑锋 ， 刘晓红， 郑克宇， 等 盐湖地区混凝土的腐蚀和防治 【 J 甘肃工业大学学报， 2 0 0 2 ， 2 8 ( 2 ) ： 1 O 0 1 0 2 3 洪乃丰 盐渍土对建筑物的腐蚀与防护 J 工业建筑， 1 9 9 8 ， 2 8 ( 1 )： 5 - 8 4 高相东， 王新友 低水胶比粉煤灰混凝土的耐硫酸盐侵蚀性能 研究 J 山东建材， 1 9 9 9 ( 6 ) ： 5 7 6 5 4 3 2 ， 0 辑=昏 如如 m 0 莲 水举 疆 擐