混凝土冻结特征温度预测方法研究.pdf

2 0 1 0年 第 2期 (总 第 2 4 4 期 ) N u mb e r 2 i n 2 0 1 0 ( T o t a 1 No 2 4 4) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 。 THE0RETI CAL l t ES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 0 0 2 0 1 2 混凝土冻结特征温度预测方法研究 周志 云。司金涛 ( 上海理工大学 土木工程系 ，上海 2 0 0 0 9 3 ) 摘要： 根据已有文献的试验数据建立了混凝土孔隙结构分析的数学模型。 基于孔隙结构的研究结果， 提出了在冻融循环下混凝土中形 成冰晶核的温度和混凝土冻结特征温度的预测方法。 预测值与现有的试验观察数据有很好的一致特性。 该预测方法可以可靠地用于评估 混凝土的状态 ， 判别其处于安全状态还是亚安全状态。 关键词 ： 孑 L 隙结构 ；冰晶核 ；冻结特征温度 ；预测 ；冻融 中图分类号： T U 5 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 2 0 0 3 8 0 4 Re s e a r c h OI 1 pr e di c t i on me t h od o f c on c r e t e c ha r a cter i s t i c c ool i ng t e mpe r a t ur e ZHOUZh i - yu n， S IJ i n t a o ( T h e D e p a r t me n t o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， Un i v e r s i t y o f S h a n g h a i f o r S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， S h angha i 2 0 0 0 9 3 ， C h i n a ) Ab s t r act： A ma t h e ma t i c a l mo d e l for s t u d y i n g t h e p o r e s Lt r u c t u r e o f c o n c r e t e i s e s t a b l i s h e d a c c o r d i n g t o t h e p u b l i s h e d e x p e r i me n t a l d a t a Ba s e d o n t h e a n a l y s i s r e s u l t s 。 a m e t h o d i s p r o po s e d for p r e d i c t i n g the t e mp e r a tur e o ff o r mi n g i c e c r y s t a l s n u c l e a t i o n a nd t h e c h a r a c t e r i s ti c c o o l i n g t e m - p e r a t u r e u n d e r t h e c i r c u m s tan c e o f f r e e z e t h a w c y c l e s Go o d a g r e e me n t wa s o bt a ine d b e t we e n pr e d i c t e d v a l u e s a n d e x p e rime n t a l o bs e r v a t i o n Th e me t ho d i s r e l i a b l e t o e s t ima t e t h e s t a tus o f c o n c r e t e and d e c i d e whe t h e r i t i s in t h e s t a tus o f s a f e t y o r i n a s t a tus b e tw e e n s a f e ty and u n s a f e t y Ke y wor ds ： p o r e s tr u c t u r e ； i c e c r y s t a l s n uc l e a t i o n； c ha r a c t e r i s t i c c o o l i n g t e mp e r a t u r e ； p r e d i c ti o n； f r e e z e t h a w 0 引言 在自然环境下， 混凝土受到各种劣化因素的影响而丧失其耐 久性。其中在寒冷地区， 混凝土构筑物常因冻融循环而损坏 ， 这已 成为混凝土耐久性方面的主要问题之一 l1。 混凝土的抗冻性与其内 部的孔隙结构、 水饱和程度、 混凝土的强度等许多因素有关， 其中 最主要的因素是它的孔隙结构。混凝土孑 L 隙中的水的冻结冰点随 孔径的减小而降低， 即在某一冻结温度下 ， 存在结冰的水和过 冷水， 过冷水的冻结需要冻结温度的进一步降低和诱导冰晶核的 生成嘲 。而硬化混凝土的冰晶核温度( 即： 生成稳定冰晶核的温度) 影响孔隙冻结压的形成囡 ， 在未达到冰晶核温度时， 孑 L 隙处于无压 状态， 混凝土不会受冻融损伤； 当降温超过混凝土冰晶核温度时， 孔隙内逐步形成冻结压； 一方面， 在冻结孑 L 隙处于饱和状态时， 冻 结压会迫使未冻结液体向外迁移从而产生水压作用， 另一方面， 在 冻结孔隙处于三相共存的状态时， 由于较小孔隙的过冷水的化 学势能比冻结冰的化学势能低， 使过冷水向冻结孑 L 隙处流动并结 成冰， 随着冰晶的增长， 孔隙冻结压加大， 冻结冰的化学势能逐步 与过冷水的化学势能达到局部平衡， 这一平衡持续到冻结温度 的进一步降低冈 。当冻结温度降到混凝土冻结特征温度时， 混凝土 内的孔隙水开始大面积冻结， 这时 昆 凝土的体积才开始膨胀。 近年 来， c o u s s y 朔有孑 L 介质力学方程研究了孔隙结构对在冻结温度 下水泥基体的冻结特征温度及孔隙压的影响。 本文将结合C o u s s y 的理论和混凝土孔隙结构预测模型提出定量预测冻结特征温度的 方法， 并用现有的试验结果对该方法进行了验证。 1 混 凝 土孔 隙 结构 1 1 硬化砂 浆 、 混凝 土孔 隙结构 的 实测值 混凝土是一种典型的多孔介质材料， 孔隙分布错综复杂， 孔 形各异 、 孑 L 径尺寸跨越微观尺度与宏观尺度之间， 对混凝土冻 融劣化的宏观表象有着巨大影响。 图 1 为文献 8 9 】 实测砂浆和混凝土的孔隙结构分布图， 从 图可以看出： 水灰比O 6 5 、 砂灰比3的试件 ， 无论是砂浆还是 混凝土的试件， 其单位质量所含孔隙总量及分布的差异不大。 水灰比0 6 5 、 砂灰比2的砂浆试件， 4 3 7 5 n l n的孔隙含量较多。 水灰比越小孔隙率越低。 1 2 混凝土孔隙分布的简单数 学模型 孑 L 隙结构的含义包括孔隙率、 孔径分布、 孔形貌和孔隙在混凝 土材料内的分布等多项性质， 目前还难以直接获取全部信息。 但从 已获得数据中发现孔隙体积分布可以用函数式( 1 ) 来表示： V ( r ) = Y 0 e x p ( - A( I n ( r ) ) ) ( 1 ) 式中： 为单位质量的总孔隙量( 1 0 mUg ) ， 其大小同水灰比 成线性关 系， 如式 ( 2 ) 所示 ： V 0 = 1 4 5 6 5 W C 一 1 0 2 7 2 ( 2 ) A、 B为影响孑 L 隙分布形状的系数， 由文献 8 9 】 试验数据决 定 ， 如表 I 。 由式( I ) 、 式( 2 ) 计算所得孔隙体积分布模拟值与实测值的 对比如图 2 。由图2可知， 函数式( I ) 、 式( 2 ) 能很好地模拟混凝 土的孑 L 隙体积分布及孑 L 隙率。 收稿 日期 ：2 0 0 9 - 0 9 - - 0 3 基金项目：上海市自然科学基金项目( 0 9 Z R 1 4 2 2 2 0 0 ) ； 教育部留学回国人员科研启动基金项 目 3 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 孔 隙半径 n m ( a ) 砂 浆试 件 孔 隙半 径 n m f b ) 混 凝 土试 件 图 1 实测砂浆一 混凝 土试件 的孔隙体积分布 表 1 孔隙分 布形状 的影响 系数 2 混凝 土冻结特征 温度 2 1 融点下孔隙分布对液体饱和曲线的影响 在水泥基质材料情况下， 对于给定的孔隙， 孔隙水的冻结冰点 取决于j 孔隙的人口孔径。 其冰点 氐 与孔径的关系推到如_ F 1 O l 。 首先孑 L 隙内部固体一 液体的热力学平衡， 即两相的化学势能 相等 ， 由此可得式( 3 ) ： P c叩 焘 ( 3 式中： p 广冰晶压力； p L _液体压力 ； 卜冻结温度 ； 一 水 的融点温度 ， 2 7 3 1 5 K； 水分的摩尔融解热 ， 6 0 4 x 1 0 J mo l ； 一 冰的摩尔体积， 2 0 1 0 m3 mo l 。 再 由 L a p l a c e定律确定 固体一 液体 界面热力 学平衡 的曲率 半径 r ： pc- py 2 yc c o s (+) ( 4 ) r 式中 ： 是水 与固体基质 的接 触角 ， 这里采用零接 触角 ， 即 r 设 为同体一 液体界面处 的孑 L 隙半径 ； 是冰晶体一 液体界面能 ( S e t z e r 取 4 6 d y n c m) 。 1 0 1 00 1 000 孔 隙半 径 n m 1 0 孔 隙 半 径 n m 图 2砂浆一 混凝 土试件 的子 L 隙体积分布实测值与模拟值 将式( 3 ) 和式( 4 ) 结合得出著名的 G i b b s T h o ms o n定律， 如 式 ( 5 ) ： F 2 T T mV i ( 5 ) ( r， ) 式 ( 5 ) 表 示 ， r 是冻结 温度 低 于融点 温度 时冰 晶体能 3 9 0 8 6 4 2 O 氙 1 E 0 一 一 堑 1 + t 0 8 6 4 2 O O g 6 4 2 O 宙， 1 g 。 1 ) 1 f 酶 一 1 g_ - 0 一 、 甏 毯 4 嘴 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 传播的最小孔径， 即所有人 口半径大于 r 的孔隙在冻结温度 吓 都将冻结。 现将混凝土孔隙结构用孔隙入口半径大于r 的累计孑 L 隙体 积占总孔隙体积的分数 I - S ( r ) 来表示， 由式( I ) 得： l ( r ) = V ( r ) V o = e x p ( - ,4 ( I n ( r ) ) ) ( 6 ) 式( 6 ) 的模拟值和文献 8 9 试验值对比见图 3 。 图3表示不同水灰比、 砂灰比的混凝土和砂浆试件累计孔 隙体积分数的实测值和模拟值， 从图可以看出， 模拟值很好地 体现了试验试件的孔隙结构特性， 本文以下均采用模拟孔隙函 数进行计算。 0 辍 蛙 鬣 ： 磷5 0 蛙 鬣 ： 骺 1 0 O 1 O O 孔隙半 径 ri m 图 3不同试件孔隙累计体积分数的实测值和模拟值 从初始饱和的试件开始， 在冻结温度 时， 保持未冻结的 液体体积函数为 Js ， 由 G i b b s T h o ms o n定律可导出式( 7 ) ： s )= s ( ) ( 7 ) 式( 7 ) 表示在融点下降温 A T = 与液体饱和度的关系， 其关系曲线如图4 。 S 蛙 一 r， K 图 4 在融点下降温7 _ 后混凝土孔隙的液体饱和度 4 0 2 2 混凝土冻结特征温度 混凝土孔隙水的冰点降低是受界面张力的影响， 并随孔 径的减小而降低 ， 即在某一冻结温度下， 存在结冰的孔隙、 过 冷的水和未结冰的孔隙， 过冷水的冻结需要诱导冰核的生成、 成长以及冻结温度的进一步降低口 1 。在稳定诱导冰核形成之 前， 孑 L 隙处于无压状态， 随着冻结温度的进一步的降低 ， 诱导 冰核逐步增大形成稳定冰晶核， 这时孑 L 隙内渐渐形成冻结压。 而诱导冰晶核的生成 、 成长受混凝土孔隙率、 孔隙分布和试件 的含水量等的影响 ， 当孔隙率大， 大孔隙多且连通孔较多时诱 导冰晶核容易生成、 成长， 即水灰比越大越有利于诱导冰晶核 成长 。 当稳定冰晶核形成后， 随着温度的降低 ， 过冷水逐渐开始 大面积结冰， 从宏观上看， 混凝土开始膨胀， 此时对应的冻结温 度定义为混凝土冻结特征温度。如果冻结温度在混凝土冻结特 征温度 以上 ， 可 以认 为混凝 土处于安全状态 ， 不会受 到冻融损 伤； 反之， 混凝土处于冻融损伤的亚安全状态， 这受最低冻结温 度、 冻融循环次数等因素的影响。 混凝土冻结特征温度在 C o u s s y的论文 中提到， 笔者认为 C o u s s y提到冻结特征温度应作为稳定冰晶核形成的冰晶核温度， 而混凝土冻结特征温度除受混凝土冰晶核温度的影响外 ， 还受 混凝土的总孑 L 隙率、 孔隙分布的特征材料系数等的影响。孔隙 分布的特征材料系数由配合比决定。 2 3 混凝土冻结特征温度的预测方法 利用C o u s s 的理念， 基于S L - A T 曲线， 通过加权冷却温 度 A T与 关联的人口半径 r 的孔隙量， 并引入水灰比对冰晶核 形成的影响系数 ， 混凝土的冰晶核温度( 由式( 8 ) 决定： S=l r ( ) i - l A T ( r ) d s ( r ) ( 8 ) 式中： k ， 在水灰比大于 0 5 5时， 取 1 ； 水灰比大于 0 4 5 小于等于 O 5 5时 ， 取 1 5 ； 水灰 比小于等于 O 4 5时 ， 取 2 2 5 。 如2 2 节所述混凝土冷却到冰晶核温度时， 过冷水并未立刻 大面积结冰 ， 而是随着温度的进一步降低 ， 过冷水逐渐开始大 面积结冰， 这个过程受试件总孔隙率的影响 ， 本文引人孔隙 率系数 k ； 试件水灰比相同、 其总孔隙率基本相同， 但由于砂 灰比的不同， 孔隙分布发生变化， 影响过冷水的结冰， 本文弓 I 人 材料配合比系数 。由此， 混凝土冻结特征温度 一 ( ) 可 由式( 9 ) 定义 ： ( A T ) = k 2 k 3 ( A t ) ( 9 ) 式中： ： 定义为 1 0 V 。 ， 即 = l 0 V 。 ； ， 定义为考虑水灰比与砂灰 比比值的材料配合比系数， 现采用 J G J T 5 5 9 6 普通混凝土 配合比设计规程 普通防冻混凝土的配合比设计条件作为基准 值( w c) ( s c ) = o ，2 2 ， ：现有材料配合比 基准值。 3 试验值 与预测值的对 比 利用 2 3 节的方法对文献 8 9 的砂浆、 混凝土试件的冻结 特征温度进行模拟， 其模拟结果见表 2 。 表 2 各类试件的冻结特征温度模拟值 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 本文利NS c 3 ， 8 】 冻融试验测得 的冻结变形 曲线来分析实 件的冰晶核温度和混凝土冻结特征温度 。图5为冻结温度 冻结变形的试验 曲线 ， 从 图 5可以看出 C ： S ：w： l 3 0 6 5 ， 1 ： 2 ： 0 6 5和 1 ： 2 ： 0 I 4 5 试件的冰晶核温度分别为_ 3 、 和一 8 9；冻结特征 温度分别为一 5 1 、 一 8 , 2和一 1 3 9 。 烁 落 O I f 蔓 ， 1= 图 5 各类砂 浆试件的冻结变形 从 表 2计算模拟值与 图 5试验 观察值 比较可 以看 出 ： 7 k 蝥 比 越 低 ，混凝土冰品核温度 、 冻结特征温度越低 。计算模拟值 试验 值的趋势 一致 ， 数值接近 ，冰晶核温度模拟普遍 比试验 低， 冻结特征温度模拟普遍比试验值高 ，这说 明用模拟 值估 计混凝土 的冻结特征 温度较 安全 。水灰比相同， 砂灰比低的 试件 ，其稳定 冰晶核形 成的温度 和冻结特征温度都相对较 低 ， 这 占，从模拟值和试验值中都得到证实 。从表 2看 ， 水灰 比0 2 6 的试件 的始冻 冰核 温度 为一 1 8 3 ， 冻结特征 温度 为一 6 0 即 论上估计这种 高强混凝土不可能发生冻融破坏 。而这点被 文献 9 】 试验所验证 ， 文献 9 对该种类型的试件进 行了 6 0 0次冻 融循环后 ， 混凝土外观完好 ，无质量损 失 ， 动 弹性模 量下降 5 好地体现混凝土的孔隙率和孔隙径分布的特性 【 2 ) 基于孔隙结构的研究 ， 提出预测混凝土内结晶核的形 成温度以及其冻结特征 温度 的方法 。预测 值与试验值有很好的 - 一 g u ， ： 冰晶核温度的模拟值普遍 比试验值低 ，冻结特征 温 度模拟值普遍比试验值高 ，这 说 明 用 模 拟 值 估 计 混 凝 土 冻 孬 温度是安全的。 ( 3 ) 混凝土冻结特 征温度是在 冻融环境 下混凝土开始膨胀 结温度 ， 正确地预测冻结特征温 度就 可以准确地判断混 凝土所处 的安 全状态 。如果冻 结温度在混凝土冻结特征温度以 上 ： 可 以认 为混凝 土处于安全 状态 ，不会受到冻融损伤 ； 反之 ， 曼 冻 融 损 伤 的 亚 安 全 状 态 ，这 受 最 低 冻 结 温 度 、 冻 融 循 环 次 数 等 因素 的影响 一 参考文献 ： 良， 吕清芳， 赵羽习， 等 混凝土结构丽久性设计方法与寿命预 测研究进展 【 J 1 _ 建筑结构学报 ，2 0 0 7， 2 8 ( 1 ) ： 7 一 l 3 2 1 s E T Z E R M J B a s i s。 f t e s t i “ g t h e f r e e z e - t h a w ms i s t ml o e： S t l 如 c e a n d m a I d 。 。 一 。 r a t i o n M F r o s t R e s i s t a n ( e 0 f C o n c r e t e ，e d i t e d b v S e t z e r MLa n d Au b e r g ， P u b l i s he d b y E&F N S p o n ，1 9 9 7： 1 5 7 1 7 3 【 3 z H 0U Z Y， MI H AS H I H,Mi c F o ln P c h a i s m。 d e l t 。d e s c r i b e s t r a i n b e n 。 o f c o n c r e t e n f r e e z i n g p r o c e s s J J o u r n a l o f ma t e r i a 1 s i n c i v i l e n g i n e e r i n g ， AS CE， 2 0 0 8 ，2 0 ( 1 ) ： 4 6 5 3 4 P E N r r A L A V - F r e e z i “ g i n d u c e d s t r a i n s a n d s u r e s i n we t D 。 r n u 8 m 。 n 廿 “ d p e c i a l l y i n c o n ( r e n q o r t a r s l J Ad v n C e m Ba s Ma i s c O U s S Y O P o r o n l e c h a n i c s 。 f f r e e z i 1 1 g m a t e r i a 1 J J J 。 u ma l 。 f t h e Me c h a n 1 c s a n d P h y s i c s o f S o l i d s ，2 0 0 5 ， 5 3 ( 8 ) ： 1 6 8 9 1 7 1 8 6 C O u S S Y 0， MO N T E I RO P Un s a t u r a t e d p o r o e l a s t i c i t y f n r c r 、 rs t a 1 l i z a t i 。 n i “p 。 r e s 3 - C 。 in p u t e r s a n d Ge o t e e h n i c s ，2 0 0 7 ( 3 4 ) 2 7 9 2 9 0 7 c Ou s s Y O， MO N T E1 R O P P o r o e l a s t i c m。 d e l f o n c r e t e e x p o s e d t 。 t i e e z i n g p e r a t u r e s J C e me n t a n d C o n c r e t e Re s e h ，2 o o s ( 3 s ) 4 0 4 8 【 8 周 志云 - 了,2夕 ， 一 凛言 土为劣化现 象 微 棍的 力= 厶 毛 乇 ， L ， 化 嗣寸弓基斑的研究 日本： 东北大学 ，2 O 0 2 9 李金玉， 营建国， 徐文雨 ， 等 混凝土冻融破坏机理的研究 水利学 报 ， 1 9 9 9 ( 1 ) ： 4 1 4 9 1 0 s E T Z E R M J - Mi c r o i c e 1 e n s f o r m a t i 0 n a n d f r o s t d a m a g e f c 1 ， ， D 忸n P r 0 。 。 n g o i t h e M i n n e a p o l i s k s h o p 【 l f 1 F r o s t Da ml d g e j n Co nc 删 e i 力 作者 简介 4 结论 单位 地址 ( 1 ) 提出了混凝土孑 L 隙结构分析的数学模型 。 周志云 ( 1 9 6 6 一 ) ， 女 ， 博士 ，副 教 授 ， 顽 王 至 亏 丽 混凝土结构的基本理论、 耐久性方面的研究工作 。 上海市杨浦区军工路 5 1 6 号 上海理工大学环境与建筑学 院 ( 2 0 0 0 9 3 ) 此模型能很 系电话： 1 3 7 6 1 0 8 8 4 3 1 一一一一一一 一、 一一一一一一 一 = ， 枉 + 广州 2 0 0 9年散装水泥与预拌砂浆供应量强劲增长 与 2 o 装水泥供应量达到 7 2 3 62 2 00 8 万 t ， 同 比 增 长 1 7 _9 7 ； 同 时 预 拌 砂 浆 供 应 量 达一 一 一 万 ，3 2 3 与 年相比爆发式增长 7 1 9 一 水 比 重 怂 4038月 t ， 是 安 茎 丁 ： 堂 登 下 ，散 装 水 泥 行 业 迎 来 了 爆 发 式 的 增 长 。 散 装 水 泥 年 供 应 量 更 2 。 ： 竺约 木 材 蕊 菩 牛 供5 ,6 4 0 4 7 准 煤 减少粉尘排放 3 - t 。目前禁止现场搅拌区域内的新开工项目 ， 本 ： “ 鞋 跟 标 41 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m