水工混凝土抗冻性能影响因素研究.pdf

水利科研 东北水利水 电 2 0 1 0年第 1 期 【 文章编号 1 0 0 2 -0 6 2 4 ( 2 0 1 0) 0 1 一o 0 5 6 一o 3 水工混凝土抗冻性能影响因素研究 温 宝山 ， 王兴庭 ， 周 明学 2 ( 1 中国长江三峡集 团公司试验 中心 ， 湖北 宜 昌 4 4 3 1 3 3 ； 2 巴斯夫化学建材武汉分公司， 湖北 武汉 4 3 0 0 0 0 ) 摘 要 影响水 工混凝土抗冻性能 的因素较 多， 主要 包括含 气量 、 水胶 比 、 骨科粒径及 种类 、 掺 和料及人工砂石粉含量等。本文按照 水工混凝土试验规程 对影响混凝土抗冻耐久性的各种 因素做 了 系统的试 验研 究， 试验 结果表 明 ： 含 气量对 混凝土抗 冻性 影响 最为显 著 ， 其次骨料 种 类及粒 径 、 水胶 比等都 不 同程度地影 响着混凝土的抗 冻性能 ， 粉煤灰 对混凝 土抗 冻性影响较 为 复杂， 而人 工砂石粉 的含量则主要 影响混凝土 引气剂的掺 量 ， 在含 气量相 同时石粉含量 对硬 化 混凝 土抗冻 耐久性没有 显著的影响。 关键词 混凝 土； 抗 冻性能 ； 影响 因素 中图分类号 T V4 1 文献标识码 A 1 概述 冻融破坏是水工混凝土结构 老化病害 的主要 原 因之一 ，严重影响混凝 土结构物的使用寿命和 安全运行 因此抗冻性是评价寒冷地区混凝 土结 构耐久性的重要指标 。混凝土遭受冻融侵蚀是一 个较为复杂的物理劣化过程 ， 包 含渗透扩散 、 冻融 循环、 开裂破坏等次生过程 ， 影 响混凝土抗冻性 能 的因素也较为复杂。以下通过一 系列室 内快速冻 融试验 研究混凝 土在 冻融循环作 用下质量损失 和相对动弹性模 量的变化规律 ，探讨混凝土含气 量 、 粗 骨料种类及粒径 、 粉煤 灰掺量 、 人工砂石粉 含量及水胶比对混凝土抗冻性能的影响。 2 冻 融试 验 2 1 试 验 材 料 试验采用中热水泥 ， I 级粉煤灰， 除“ 人工砂石 粉含量对抗冻性能影响” 部分试验外， 其他试验所 采 用的人工砂细度模数为 2 6 0 。 2 2 试验方法 试验按照 D L T 5 1 5 0 - 2 0 0 1 水工混凝土试 验 规程进行 ，试件规格为 1 0 0 m i n x 1 0 0 m mx 4 0 0 mi n棱柱体 ， 冻融温度为一 2 5 2 0 q C， 冻融循环一次 历时 2 4 h ， 在进行规定次数冻融循环后计算试件 的相对动弹性模量损失或重量损失。 3 结果分析 3 1 含气量 的影晌 混凝土毛细孔里的水分结冰时 体 积会随之 增大 ， 需要孔 隙扩展结冰水体积 ， 或者把 多余的水 沿试件 边界排 出， 或者二者同时发生 ， 这个过程形 成水压 力 其大小取 决于结冰处至“ 逸 出边 界” 的 距离 、 材料的渗透性以及结冰速率。饱和 的水泥浆 体试件中 。 除非浆体里每个毛e m i L 距最近的逸出边 界不超过 7 5 1 0 0 r n ， 否则就会产生破坏压 力， 这么 小 的间距可 以通过掺 用适 当的引气剂来达到【 1 1 ， 因 此 引气剂能够有效地减小混凝土受冻损伤。有试 验表明， 冰冻至一 2 4 C 时， 不引气的水泥浆体试件 伸长约 1 6 0 0 x1 0 1T I ， 溶解至初始温度 时， 可观测 到 5 0 0 x 1 O m 的永久伸长：引气 1 0 的试件在冰 冻期间无明显膨胀 。 融解循环结束时无残余膨胀【2 】 。 多数水工混凝土 中掺加引气剂 ，以达到 良好 的抗 冻耐久性水工混凝土含气量与相对动弹性模量 的关系见图 1 。 由图 1可 以看 出，含气量对混凝土抗 冻耐久 性的影响十分显著， 但含气量达到 6 2 ， 混凝土相 对动弹性模量的降低幅度与含气量为 5 1 时基本 2 0 1 0 年第 1 期 东北水利水 电 水利科研 喇 戳 茁 0 o 9 0 8 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 O 2 0 U U 1UU 15U ZUU 25U 冻融 循次数 次 图 1 混凝土含气 量对 相对动弹 性模量 的影 响 相 同 ， 抗冻性 能不再 因含气量 的增加 而改善 ， 说 明 含气量对抗冻性能的增强作 用存在一个极限饱和 点 。在饱和点以下含气 量对混凝土抗冻性能 的贡 献 显著 ， 但 含气 量超过 了饱和点 ， 抗冻性能不再 随 着含气量的增加而增强 。 3 2 水胶比的影响 混凝土含气 量为 4 5 时 。水灰 比对混凝 土抗 冻性能的影响见图 2 。 0 5 0 1 o o 1 5 O 2 O0 2 5 0 冻融次数 冻 融次 数 图 2 水灰 比对混凝 土抗冻性 能的 影响 由图 2可 以看 出相对 动弹性 模量和 质量损 失 的变化说 明。 水胶 比越 大 ， 混凝土 的抗冻性能越 差 这是因为硬化 混凝 土的孔结构是 由水灰 比所 决定 ， 一般情况下， 水化程度一定时水灰比越大 ， 硬化水泥浆体 里的大孔体 积越大 ，可冻水存在 于 大孔 中，使得水灰 比较高 的水泥浆体 中有较 多的 可冻水 ， 因此抗冻性能较 差 ， 在冻融循环 的过程 中 质量损失和相对动弹性模量降低较 多。 3 3 粗骨料的影响 水泥浆基体 引气 的混凝 土仍可能受到冻融 的 损伤， 这种情况是否会发生， 很大程度上取决于骨 料对冰冻作 用的反应 ，骨料饱 和浆体 结冰产生 内 部压 力的机理 同样适 用于 用岩石生产 的骨料 。 同 时骨料的粒径也 会对混凝土的抗冻性能产 生重要 的影响。骨料种类对混凝土抗 冻性能影响试验采 用了白云岩 、 玄武岩和花 岗岩 3种 骨料 ， 骨料最大 粒 径对 抗冻性 能 的影 响试 验 采 用的 骨料 为花 岗 岩 骨料粒径分别选用了水工混凝土常用的一级 配( 最大粒径为 2 0 mm) 和 二级配 ( 骨料最大粒径为 4 0 mm， 由于试件条件 的限制 ， 需对拌 制好 的混凝 土进行湿筛 ， 湿筛后实际骨料最大粒径为 3 0 H l n o ) 2种混凝 土 ，在含气 量为 4 5 左右条件下进 行的 冻融循环试验 ， 骨料对抗冻性能影响见图 3 、 图 4 。 玄 武岩 1 0 0 9 o 8 0 徼 7 0 妻 6 0 5 0 3 i 壬 K ； 0 5 0 1 L H J 1 5 O 2 o 0 2 5 0 3 o o 冻融次数 石 0 5 0 1 I J L J 1 U 2 U U 2 5 0 j U U 冻 融次数 图 3 骨 料种类对 混凝土抗 冻性能 的影响 骨料 的这种抗冻性能 的差异 主要是 因为岩 石 本身的结构造 成的 。玄武岩和花 岗岩同属于岩浆 岩 ， 而 白云岩属 于沉积 岩 ， 从结 构上来说 ， 沉积岩 不如岩浆岩致密 ，表观密度小 孔隙率和 吸水率 大 ， 强度较低 ， 因此抗冻耐久性也就较 差【 3 】 。 摹 喇 掣 教 葭 罂 2 O 【 x 】 8 0 6 0 4 0 2 0 O 图 4 骨料粒 径对相对 动弹性模 量的影 响 由图 4可以看出 ， 随着骨料最 大粒径的增加 ， 混凝土的相对动弹性模量迅速下降，这是因为混 凝土 中骨料粒径愈大 。在温度 变化过程 中骨料 对 水泥砂浆的变形约束愈大 ，同时骨料的增大使得 5 7 ； 。 啊 掣默督靛 O 5 O S O 5 O 5 O 4 3 3 2 2 1 1 O 蛔 掣徼 葭 水利科研 东北水利水电 砂浆与骨料间的界面增大 ，降低 了混凝土的抗渗 性能 ， 因此大粒径混凝土随冻融循环次数的增加 ， 相对动弹性模量急剧 降低。另外 ， 骨料在混凝土抗 冻融过程 中存在 “ 临界 骨料粒径” 即在 一定 的孔 径分布 、 渗透性 、 饱和度 与结冰速率条件下 ， 大颗 粒 骨料可能会受冻害 ， 但小颗粒则不会【 4 I 。例如混 凝 土试 件养护 1 4 d后受 到冻融循环 时 ，粒径 为 1 2 2 5 H l l T I 燧石 的混凝土 弹性模量降低 5 0 时需 要 1 8 3个循环 ，而 5 - 1 2 1 1 1 1 1 1 燧石、养护条件相同 的混凝试件则需要 4 4 8个循环。但 对于同一种 骨料 ， 临界尺寸并 非单一值 ， 因为它还取决于结冰 速率 、 饱和度和骨料的渗透性。 3 4 粉 煤灰 的 影 响 混凝土内部微孔结构是影响混凝土受冻融破 坏 的关键 因素 ，掺加掺 和料能够改善混凝土的孔 结构。粉煤灰涡_ 凝土在含气量为 5 时进行冻融循 环试验 ， 相对动弹性椟量结果见图 5 。 喇 融 督 葭 O 0 9 0 8 0 7 0 6 0 5 0 ： 、 、 掺 量4 。 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 o o 2 5 0 冻融次数 图 5 粉 煤灰掺量 对相对动 弹性模置 的影 响 由图 5可 以看 出 ，掺 加 2 0 粉煤灰混凝土试 件的相对动弹性模 量比不掺粉煤灰的略大，显示 出了好 的抗冻性能 这 是因为粉煤灰具有火 山灰 活性 ，能与水泥水化过 程中析 出的氢氧化钙进行 “ 二次反应” ， 形成紧密 的混凝 土微观结构 ， 改 善了 混凝土的界面 。 减少 了过渡区 ， 因此能提高混 凝土 的抗冻性能。在粉煤灰掺量达到 4 0 时 ， 混凝土的 相对动弹性模量迅速下降 ，粉煤灰 的掺入能够细 化混凝士 内部空 隙， 增加 结构 总空隙率 5 1 ， 同时降 低 了混凝土孔隙水的冰 点【6 ) ， 使冻融破坏方式由静 水压侵蚀 向渗透压 侵蚀转变 ，总空 隙率的增加及 渗透压 侵蚀会加速 粉煤灰 的冻融破坏 ， 因此 ， 粉煤 灰掺量合适能够提高混凝土的抗冻性能 ，但掺量 过大对混凝土抗冻性能就会有一定的负面影响。 3 5 人 工砂 石粉 含量 的 影 响 人工砂石粉含量对混凝土抗冻性能的影响试 5 8 2 0 1 0年第 1 期 验采 用二级配混凝土 拌合物性能见 表 1 ， 混凝土 冻融循环后相对动弹性模量见图 6 。 表 1 人工砂石粉 含量 对混l t +拌合 物的影响 水胶比石 量 含 嘣 杈 葭 0 5 O 0 9 5 9 0 8 5 8 0 7 5 0 5 O 1 J 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 冻融次数 图 6 石粉含量 与混凝土相对动 弹性模量关 系图 在含气量一定时，人工砂 石粉含量对混凝土 的抗冻性能无明显的影响 ，石粉含量对混凝土抗 冻耐 久性 的影 响主要反映在 了引气 剂的用量上 ， 如表 1 所示 。石粉含量每增加 3 ， 混凝土要达到 相 同的含气 量引气剂 用量需增加 1 1 0 0 0 0 ，因此 在拌制高石粉含量的引气混凝土时应适 当加大引 气 剂掺量 ， 以达到 良好的抗冻耐久性。 参考文 献 1 P OWE R， T C ， T h e p h y s i c a l s t r u c t u r e a n d E n g i n g e e r i n g Pr op e r t i e s of Con c r e t e， Bu l l e t i n 9 0P or t l a nd Ce me n t As s o c i a t i on， S ko ki e， I L， 1 95 8 【 2 库马 梅塔 ， 保罗 J M 蒙特罗， 混凝土微观结构、 性能和 材料 M 覃维祖 ， 王栋民， 丁建彤译 北京 ： 中国电力出 版 社 2 0 0 8 ， 9 3 彭小芹 土木工程材料 M 重庆： 重庆大学出版社， 2 0 0 2 4 B l o e m， D L ， Hi g h wa y Rc s ， V o 1 6 p 4 8 6 O ， 1 9 6 3 5 林震， 陈益民 外掺磨细矿渣与粉煤灰的水泥基材料的 亚微观结构研究 J 硅酸盐学报， 2 0 0 0 ， 2 8 ( z 1 ) ： 6 1 0 6 袁晓露， 李北星， 等 粉煤灰混凝土的抗冻性能及机理分 析 J j 混凝土， 2 0 0 8 ， ( 1 2 ) ： 4 3 4 4 收稿 日期】 2 0 0 9 0 7 3 1 作者简介温宝山( 1 9 8 0 一 ) ， 男， 陕西岐山县人， 助理工程师， 从事 混凝 土及相 关原料 的试验研 究。 4 4 7 3 1 1 5 5 5 5 5 5 7 2 5 4 O 8 5 6 6 6 6 5 3 4 4 6 7 9 7 m ” ” 0 O O 0 O 0 _ ， _ _ 5 _ ， 3 0 O O O 0 O