评价方法影响混凝土抗冻临界强度作用机理的研究.pdf

2 0 1 1 年 第 9 期 (总 第 2 6 3 期 ) Nu mb e r 9 i n 2 0 1 1 ( T o t a l No 2 6 3 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEORETI CAL RES 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 1 0 9 0 0 1 评价方法影响混凝土抗冻临界强度作用机理的研究 刘军 。刘润清 。张冰 ，张云 ( 沈阳建筑大学 材料科学与工程学院， 辽宁 沈阳 1 1 0 1 6 8 ) 摘要： 为了从耐久性的角度保证冬季施工混凝土的后期性能使用要求， 开展了抗压强度法和抗冻性能法下低温混凝土抗冻临界强度 的研究 ， 确定了不同评价方法下抗冻I临界强度的取值范围， 并探讨了评价方法影响混凝土抗冻临界强度的作用机理， 为冬季施工混凝土 确定安全 的抗冻临界强度提供了理论支撑。 关键词： 评价方法；混凝土；抗冻临界强度；抗冻性能法 中图分类号 ： T U5 2 8 0 l 文献标 志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 9 0 0 0 1 0 3 Me c hanism a bo ut e f f e c t o f ev a l ua t i on m e t hod on c on cr e t e a n t i f r e ez e c r i t i c a l s t r en l g t h LI U J o n， LI U Rtm q j n g， ZHANG Bi n g， ZHANG Yu n ( Ma t e ri a l S c i e n c e a n dE n g i n e e ri n g Co l l e g e ， S h e n y ang J i a n z h uUn i v e r s i t y， S h e n y a n g 1 1 0 1 6 8 ， C h i n a ) Ab s t r a ct： I n o r d e r t o e n s u r e t h e r e q u i r e me n t s t h a t t h e p o s t p e rf o r man c e o f c o n c r e t e i n wi n t e r c o n s t r u c t i o n fr o m the d ura b i l i ty p o i n t o f v i e w Re s e a r c h e s o n the an t i f r e e z e c r i t i c a l s t r e n g t h o f l o w- t e mp e r a t u r e c o n c r e wi t h t h e e v a l u ati o n me t h o d o f c o mp r e s s i v e s t r e ng t h and f r os t r e s i s t a n c e I t n o t o n l y d e t e r mi n e s t h e r an g e of an t i f r e e z e c rit i c a l s t r e ng t h i n d i ffe r e n t e v a l u a t i o n me t ho ds b u t a l s o i n v e s t i g a t e s t h e me c h a n i s m t h a t e v a l u a t i o n me t h o d s a ffe c t t he ant i f r e e z e c rit i c a l s t r e n g t h o f c o n c r e t e Th u s ， i t p r o v i d e s t he t h e o r e t i c a l s u pp o r t t o e n s u r e the s a f e a n t i f r e e z e c rit i c a l s t r e n g t h i n wi n t e r c o ns t r u c t i o n Ke ywor ds ： e v a l ua t i o nmh o d； c o n c r e t e ； a nt i fre e z e c ri t i c a l s e ng t h； f r o s t r e s i s t anc e e v a l u a t i o nme tho d 0 引言 混凝土抗冻临界强度作为低温混凝土施工质量监测最直 接和最简便的性能指标 ， 一直延用至今。 随着低温混凝土研究 的深入 ， 抗冻临界强度作为现场施工检测指标 ， 其简便性和有 效性使其在低温混凝土研究领域中有着长期的研究价值 ， 但是 如何准确的确定这一指标 ， 使其在表征低温混凝土的早期抗冻 性能方面更具有权威性和代表性 ， 已经成为近几年低温混凝土 领域研究的热点和难点 。 传统低温混凝土抗冻临界强度确定 的评价方法为抗压强度法， 主要基于低温混凝土冻后抗压强度 发展的情况来确定其抗冻临界强度 ， 而现阶段混凝土的应用 ， 由于结构工程安全需要， 更注重其后期的耐久性【 3 。 针对这一问 题， 基于对低温混凝土后期耐久性能影响的考虑 ， 提出了抗冻 性能评价方法， 确定了在该评价方法下低温混凝土抗冻临界强 度的取值， 研究了这种评价方法与传统中抗压强度评价方法对 低温混凝土抗冻临界强度取值的影响， 以及由于评价方法不同 造成抗冻临界强度取值不同的作用机理。 1 试验原材料及试验 方法 1 1 原材料及组成设计 ( 1 ) 水泥： 本试验采用沈阳冀东水泥有限公司生产的盾石 牌 P I I 4 2 5 级水泥， 密度约为 3 1 g c m3 。 ( 2 ) 粗集料： 采用石灰岩碎石 5 - 2 0 mm， 即最大粒径为2 0 r n r fl 。 连续颗粒级配， 压碎指标为2 1 0 ， 含泥量为 0 6 。 表观密度约 为 2 7 5 0k g m 。 ( 3 ) 细集料： 选用河砂， 属中砂， 细度模数约为 2 8 。 级配良好， 属 I I 区， 坚固性为 4 1 0 ， 含泥量为 1 1 。 表观密度约为 2 5 0 0 k g m 。 ( 4 ) 粉煤灰 ： 选用沈阳 I 级粉煤灰， 密度 2 4 0 g c m ， 需水量 比9 2 ， 4 5 iz m方孔筛筛余 9 5 。 ( 5 ) 硅灰： 实测密度为 2 ： 2 1 6 g c m ， 比表面积约为 2 0 0 0 0 m ( 6 ) 外加剂： 萘系高效减水剂， N a ： S O , 。 ( 7 ) 水 ： 沈阳市饮用自来水。 试验中共采用 8 组不同组成谢 十 的混凝土， 具体情况见表 1 。 表 1 混凝土组成设计 编号 早强剂掺量 高效减水剂掺量 粉煤灰掺量 硅灰掺量 B 3 1 1 O C 3 1 1 5 一 D 3 1 2 0 一 E 3 l 一 5 F 3 1 8 G 3 1 一 i 0 H 3 1 1 5 5 I 2 试验 环境 一 次气冻环境： 混凝土经过不同预养护时间后， 放入恒负 收稿 日期 ：2 0 1 1 _ o 3 1 8 基金项目：国家“ 十一五” 科技支撑计划重大项 目( 2 o 0 6 B A J 0 4 A 0 4 ) ； 国家自然科学基金( 5 1 O 7 2 1 2 2 ) ； 辽宁省自然科学基金资助项 目( 2 o 0 8 2 o 0 8 ) 1 温为一 2 O的冰箱中静置 3 d 。 一 次水冻环境： 混凝土经过不同预养护时间后浸水 4 h ， 捞 出擦干表面， 放入恒负温为一 2 0的冰箱中静置3 d 。 多次冻结环境： 混凝土经过不同预养护时间后 ， 放入测试 抗冻性能的快速冻融仪中， 冻融 6 个循环。 2 试验 结果与分析 由于对冬季施工中混凝土后期性能要求的不同， 在传统确 定抗冻临界强度的抗压强度法( 受冻转标准养护后混凝土的抗 压强度不低于标准养护混凝土抗压强度的 9 5 ) 的基础上， 提 出了确定低温混凝土的抗冻性能法( 受冻转标准养护后混凝土 的抗冻融循环次数不低于标准养护混凝土的抗冻融循环次数 的 9 5 ) t3 1 。 2 1 评价方法对混凝土抗冻临界强度的影响 根据抗压强度法和抗冻性能法 中混凝土抗冻临界强度确 定所需的比对研究的参数， 文中分别进行了不同配合 比混凝土 在标准养护 2 8 d的抗压强度和抗冻融循环次数、 不同预养护龄 期时遭受三种受冻环境破坏后转入标准养护至 2 8 d 抗压强度， 和抗冻融循环次数的试验研究。 通过对试验结果的分析， 确定 出 A H组混凝土在不同评价方法下 、 抵抗不同冻害环境所需 要的抗冻临界强度 。 其中抗压强度法下确定的混凝土抗冻临 界强度如表 2 所示 ， 抗冻性能法下确定的混凝土抗冻临界强度 如表 3 所示 。 表 2 抗压强度法下混凝土抵抗早期冻害所需的抗冻临界强度 MP a 表 3 抗冻性 能法下混凝土抵抗早期冻害所 需的抗冻临界强度 Ml a a 分析表 2 、 3可知 ， 一次气冻环境中， 抗压强度法下混凝土 的抗冻临界强度为 3 7 4 4 MP a ， 抗冻性能法下混凝土的抗冻临 界强度为 3 7 ,- 4 7 MP a ； 一次水冻环境中， 抗压强度法下混凝土 的抗冻临界强度为 7 8 8 9 MP a ， 抗冻性能法下混凝土的抗冻临 界强度为 7 8 1 1 5 MP a ； 多次冻结环境中， 抗压强度法下混凝 土的抗冻临界强度为 7 0 8 2 MP a ， 抗冻性能法下混凝土的抗冻 临界强度为 7 0 ,- , 1 0 4 MP a 。 三种冻害环境中均表现出抗冻性能 法下混凝土的抗冻临界强度需求大于抗压强度法下混凝土的 抗冻临界强度。 2 2 2 混凝土受冻后 内部裂缝状 态 低温混凝土在养护硬化期间， 如果未达到足够的强度遭受 冻害， 将损害混凝土一系列的性能。 产生这种损害的来源比较广 泛 ， 包括水分结冰产生的膨胀应力， 水分结冰导致水分迁移产 生的应力等闸 。 以分析水分结冰产生的膨胀应力为例 ， 低温混凝土内部毛 细孑 L 中的水在结冰的过程中， 由于不同相之间的密度变化， 导致 其体积产生 9 1 的增加。 这种体积膨胀产生的压力， 随着水结冰 的深入 ， 将对混凝土内部的结构产生一定的破坏 。 这种破坏 首先来 自水分比较密集的表面和界面， 随着破坏的深入在混凝 土内部产生了裂缝的累积， 当裂缝累计到一定程度将导致混凝 土结构的最终破坏， 而这种破坏即使经过后期的正温养护也无 法得到完全的恢复， 对混凝土各方面性能损伤较为严重 ， 对混 凝土的耐久性能损伤尤为严重9 - 。 通过对低温混凝土早期受冻 后 ， 内部微观结构的分析 ， 可以从其 S E M 图中清晰看到冻害破 坏所造成的混凝土内部的裂缝和裂纹状态， 这种裂缝的主要形 式如图 1 所示。 ( b ) 图 1 受冻转标准养护后混凝土 的内部裂缝 分析图 1中裂缝可以得知， 这些破坏基本都是从水分密集 且孔隙相对较大的地方开始发生， 如混凝土表面和混凝土内部 骨料与水泥浆体接触的界面， 裂缝经过推移以及反复的累积最 终形成破坏， 这些裂缝主要由大裂缝、 小裂缝和微裂纹组成。 3 评价方法作用机理分析 从不同评价方法所确定的不同受冻环境中混凝土的抗冻 临界强度取值范围可知， 对于同种混凝土抵抗冻害破坏时， 如果 采用抗冻性能法所确定的抗冻临界强度要高于抗压强度法下 确定的抗冻临界强度， 而造成这种抗冻临界强度需求差异的主 要是由于混凝土抗压强度指标和抗冻融循环指标对于混凝土 内部裂缝的敏感度差异。 根据混凝土受冻后内部的S E M图片， 对抗压强度法评价中 混凝土内部的裂缝形态进行假设， 如图 2 所示。 当采用抗压强度评价方法时， 许多微裂纹如图 2中的C部 b级裂缝 a 级 裂缝 c 级裂缝 图 2 混凝土受冻后裂缝的分布假设( 抗压 强度法 ) 分缺陷并不对抗压强度的测定值产生显著影响。 理论上标准养 护的混凝土抗压强度计算如式( 1 ) ， 冻后转标准养护的抗压强 度计算如式( 2 ) ： 庐 ( 1 ) A 庐 ( 2 ) A 式中： E杨氏模量； F 标养混凝土抗压强度 ； A标养混凝土抗压截面积； 冻后转标养混凝土抗压强度 ； A 冻后转标养混凝土抗压截面积。 采用抗压强度评价方法确定低温混凝土抗冻临界强度时， 要求达到抗冻临界强度的混凝土冻后转标准养护的抗压强度 必须达到标养混凝土抗压强度的 9 5 以上 ， 即有： ： 9 5 ( 3 ) A A 9 5 A ( 4 ) 理论上 ： - - A 一 q 一 b j 一 c ( 5 ) i =1 J 1 p 1 联合式( 4 ) 和式( 5 ) ， 可得： + + C p 5 ( 6 ) i 1 J 1 p I 实际从图 2中 C 部分缺陷主要为线性， 并不对面积产生影 响， 这部分缺陷也无法从抗压截面积中得以表现， 实际中得以 表现的损伤仅为： q + b j 5 ( 7 ) i 1 j =l 由此可以推断， 由于抗压强度反应方式的问题 ， 对混凝土 后期耐久性产生不良影响的微裂缝无法在抗压强度评价方法 所确定的抗冻临界强度中得以预防。 当采 用抗冻性 能评价方 法确定低 温混凝 土的抗冻 临界强 度时， 冻后转入标准养护的混凝土在经受多次冻融循环检测后， 图 2中的 b级裂缝劣化成 a 级裂缝， 而在抗压强度测定中无法 反应的微裂纹 c在多次冻融循环作用中， 逐步得以叠加形成了 小裂缝 b甚至为裂缝 a ， 其累积结果假设如图 3 所示。 这些微观 上隐蔽的裂缝最终通过低温混凝土的相对动弹性模量在宏观 角度得以体现。 因此采用抗冻性能评价方法确定的低温混凝土抗冻临界 强度较抗压强度评价方法确定的低温混凝土抗冻临界强度更 为可靠 ， 更为合理。 4结 论 ( 1 ) 一次气冻环境中， 抗压强度法下混凝土的抗冻临界强度 为 3 7 - - 4 4 MP a ， 抗冻性能法下混凝土的抗冻临界强度为 3 7 4 7 MP a ； 一次水冻环境中， 抗压强度法下混凝土的抗冻临界强 度为 7 8 8 9 MP a ， 抗冻性能法下混凝土的抗冻临界强度为 7 8 1 1 5 MP a ； 多次冻结环境中， 抗压强度法下混凝土的抗冻临界 强度为 7 0 8 2 MP a ， 抗冻性能法下混凝土的抗冻临界强度为 7 0 1 0 4 MP a 。 ( 2 ) 不同的冻害环境中均表现出抗冻性能法下混凝土的抗 冻临界强度需求大于抗压强度法下混凝土的抗冻临界强度。 ( 3 ) 不同评价方法下混凝土抗冻临界强度需求差异来源于 不同评价方法中混凝土抗压强度评价指标和抗冻融循环评价 指标对于混凝土内部裂缝的敏感度差异。 ( 4 ) 由于抗压强度法中对混凝土后期性能有极大劣化作用 的微裂纹以隐性状态存在 ， 无法通过抗压强度法下确定的抗冻 临界强度进行有效避免， 而抗冻性能法可将此裂纹状态显性化 ， 可通过提高抗冻临界强度避免其对混凝土后期性能的劣化 ， 因 此抗冻性能法确定的抗冻临界强度更可靠、 合理。 参考文献 ： 1 杨英姿， 王政， 高小建， 等 负温混凝土的受冻临界强度及其耐 【 J 】 武汉理工大学学报， 2 0 0 9 ， 3 1 ( 2 ) ： 3 7 4 1 2 】 金宇， 宋滨生， 李岩 混凝土受冻临界强度问题分析 J 】 黑龙江水利科 技， 2 0 0 4 ( 2 ) ： 7 7 3 】L I U J u n ， L I U Yu ， L I U R u n - q i n g T h e a n t i f r e e z e c ri t i c a l s t r e n g t h o f l o w - t e mp e r a t u r e c o n c r e t e e f f e c t e d b y i n d e x J J o u ma l o f Wu h a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， 2 0 1 1 ， 2 6 ( 2 ) ： 3 5 5 3 6 1 【 4 】 刘润清， 刘军， 刘宇， 等 受冻环境对低温混凝土抗冻临界强度影响 的研究 辽宁工程技术大学学报： 自然科学版， 2 0 1 1 ， 3 0 ( 1 ) ： 9 2 9 7 5 】 e l i h ， J a n a P e r f o r ma n c e o f c o n c r e t e e x p o s e d t o f r e e z i n g a n d t h a w i n g i n d i f f e r e n t s a l i n e e n v i r o n m e n t s J J o u ma l o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d M a n - a g e m e n t ， 2 0 1 0 ， 1 6 ( 2 ) ： 3 0 6 3 1 1 6 】 苏宗义 工程建设混凝土冻害 2 O L O ( 5 ) ： 3 5 0 经营管理者， 7 王立久 ， 袁大伟 关于混凝土冻害机理的思考 J 低温建筑技术 ， 2 0 0 7 ， 1 1 9 ( 5 ) ： 1 - 2 8 董丽韬 1氐温下混凝土冻害机理 J 科技创新导报， 2 0 0 8 ( 3 0 ) ： 5 2 【 9 】9 杨进成浅析混凝土冬季施工的技术措施 J 工程科技， 2 0 0 6 ( 2 ) ： 8 0 81 1 0 1 冯乃谦新实用混凝土大全【 M 】 北京： 科学出版社， 2 0 0 5 作者简介： 刘军( 1 9 6 3 一 ) ， 女， 教授， 博导， 研究方向： 低温混凝土、 废弃 物资源化。 联系地址： 图 3 混凝土受冻后裂缝的分布假 设( 抗冻性 能法 ) 联 系电话 ： 辽亍省沈阳市浑南新区浑 科学与工程学院( 1 1 0 1 6 8 ) 1 3 9 4 0 0 6 9 41 6 9 号 沈阳建筑大学材料 3