混凝土冻融变形的试验研究.pdf

2 0 1 0年 第 4 期 (总 第 2 4 6 期 ) Numb e r 4 in 2 01 0( To t a 1 No 2 4 6) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 T HEoRE TI 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 0 0 4 0 0 7 混凝土冻融变形的试验研究 周 志云 ，孙敏 ，吕礼春 ( 上海理工大学 环境与建筑学院 ，上海 2 0 0 0 9 3 ) 摘要 ： 进行了砂浆饱 和水试件 的水 中和空气冻融试验 ， 并通过测量砂浆试件 中心的冻融变形和温度变化 ， 以及对所测数据的分析 ， 明 确了混凝土的冻结收缩 、 膨胀变形的发展规律 。同时 ， 通过测量试件冻融循环前后 动弹性模量的变化， 得 出相对动弹性模 量可以间接地 反 映试件 的残留冻融变形 的大小 。 关键词 ： 冻融试验 ；冻结 收缩 ；冻融变形；动弹性模量 中图分 类号 ： T U5 2 8 0 1 文献标 志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 0 ) 0 4 0 0 2 0 0 3 De f or mat i on s o f c onc r e r e un der d i ffe r en t f r e ez e t h a w t e s t c ondit i on s Z HOUZ h i - ) mn ， S U NMi n ， L gL i c h u n ( S c h o o l o f E n v i r o n me n t a n dA r c h i t e c t u r e ， Un i v e r s i tyo f S h a n g h a i f o r S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y ， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 3 ， C h i n a ) Abstr a c t ： F r e e z e t h a w t e s t s we r e c o n d u c t e d wi t h mo r t a r s p e c i me n s i n a i r and i n wa t e r r e s p e c t i v e l y I n t h e e x pe r i me n t s t h e v a r i a t i o n o f fre e z e t h a w d e f o r ma t i o n s a n d t e mp e r a tur e i n the mo r t a r d u r i ng f r e e z e - t h a w p r o c e s s we r e me a s u r e d By a n a l y z ing the me a s ur e d d a t a， t h e b e h a v i o r o f f r o s t s h r i n k a g e a nd e x p a n s i o n i n t h e c o n c r e t e wa s c l a rifie dBy me a s u ri ng t h e d y n a m i c e l a s t i c mo d u l u s b e f o r e a n d a f t e r f r e e z e t h a w p r o c e s s ， c o me t o the r e l a t i v e d y n a m ic e l a s t i c mo d u l u s C an be i n d i r e c t l y r e fle c t e d i n t h e r e s i d u a l s p e c i me n d e f o rm a t i o n o ffi - e e z e t h a w Ke ywor ds ： fre e z e tha wt e s t ； fr os t s h rin k a g e； fre e z e tha wd e f o rm a t i o n s ； d yn a mi c e l a s t i cmo d u l us 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【 1 1 。国内外在研究 硬化混凝土体积变化的冻融破坏机理时， 主要有以下两种理论 作为学术 界的主流 。一种是 P o we r s 的静水压理论 ； 另一种是 从热力学 的平衡观点 出发 ， 探讨冻融破坏机理的理论 。近些年 来， 世界各国冻害研究专家正在从热力学平衡的角度进行细致 而深入的研究3 - 6 ， 而硬化混凝土初冻冰核温度以及冻结收缩 、 膨胀变形的发生规律尚未完全明确。 为此， 本文设置了一 2 0到 + 2 0的冻融循环温度， 并设立水中及空气冻融的两种冻融环境 ， 进行了砂浆试件的冻融循环试验研究。 1试验 概 况 1 1 试验概 况 试验试件采用普通硅酸盐水泥， 密度 3 1 6 g c m ； 细骨料为 河砂， 饱和面干密度2 7 7 g c m， 。考虑到砂浆和混凝土过渡区的 孔隙构造基本相同， 本次试验采用砂浆制作试件 ， 试件的类型 和冻融试验前 的各种强度见表 t 。试验试件 的材龄取 3个月以 上， 这是为了防止试验过程中由于水泥的水化作用而可能引起 的孔隙构造的变化。另外， 冻融试验前试件一直养护在 2 O水 中， 以保证试验时试件处于饱和水状态。在冻融过程中， 试件中 心温度控制在一 2 0至 2 0之间， 一次冻融循环为 2 4 h左右， 表 1 砂浆试件的配合比及其力学性能 温度 随时问变化的曲线如图 1 。 试验测量了冻融循环过程中试验箱内温度 、 各类试件的中 心温度 、 试件中心的冻融变形 以及冻融循环前后试件 的动弹性 模量， 并测量了各类试件的孑 L 隙构造。试件的中心温度、 冻融变 形和动弹性模量的测量采用 4 0 mmx 4 0 mmx l 6 0 mm的试件。 本试验中采用的记号c ： s ： w表示水泥：砂水的质量比 分别 为砂浆试件的抗压强度及劈裂强度 ， 丘 为砂浆试件的静障 量。 1 2试验 方 法 冻融试验温度的调节使用恒温恒湿器 ， 试验在空气和水中 进行， 如图 2所示。为确保空气冻融试验的试件在试验过程中 其含水率不发生变化， 用两层塑料袋包裹、 橡胶皮筋封 口； 在水 中冻融试验的试件要完全浸入水中。 试件的冻融变形和中心温度分别采用事先预埋在试件中心的 埋入式应变计及电热对( h e r mo c o u p l e s ) 量 ， 并用静态应变 自动 记录器记录冻融循环过程中的全部冻融变形及试件的中心温度。 孔隙构造采用压汞法测量， 试料是从冻融试验用试件 4 0 n m1 4 0 mmx l 6 0 1T ff n中采集的。孔隙半径的计算用 Wa s h b u m式， 其 中水银的接触角和表面张力分别为 1 3 9 6 。 、 4 8 4 d y n c mtT 。 收稿 日期 ：2 0 0 9 1 2 3 0 基金项目： 上海市自然科学基金( 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资助 2 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 冻融 时间 ， h ( b ) 水中冻融 图 1 冻融试验试验箱 内温度及试件中心温度 图 2 冻融试验示意 图 2 试验结果与分析 2 1 硬化 砂 浆孔 隙构造 的评 价 混凝土抗冻性主要取决于材料内部孔隙率和孔隙的特征， 一 般来谚 抒L 隙率小、 且封闭孔较多的材料其抗冻性较好。图 3 为 本次试验所测各类砂浆试件的孑 L 隙分布图。从图可以看出， 水 灰比相同的试件， 其内部所含孔隙总量基本相同， 水灰比越低， 其孔隙率也越低。水灰比0 6 5 、 砂灰比2的试件同其他两系列 试件相 比， 1 0 0 1 0 0 0 n m范围内的孔隙量较少 ， 而 4 3 1 O 0 n m 范围内的孑 L 隙量较多。根据试验测得混凝土的冻融劣化特性 ( 图 4 ) 可以推测 ， 水泥浆基体的抗冻性同 4 3 1 0 0 n m范围内的 孔隙量多少有相关性， 而不只是孑 L 隙总量。 2 2 混凝土的冻融劣化特性 混凝土冻融劣化特性的研究通常采用直接测试混凝土动 弹性模量 ， 以残余动弹性模量与原有量的比值， 即相对动弹性 模量来表示混凝土劣化状况。这种方法不要求过多的试件 ， 且 能够基本反映混凝土的劣化状况。图 4为冻融试验试件的相对 动弹性模量与冻融循环次数的关系， 由图可知 ： ( 1 ) 水灰比 0 6 5的试件 ， 砂灰 比的改变对其抗冻能力有较 显著的影响。因含砂量改变了砂浆的孔隙构造、 孔隙径的分布 吕 u l。 0 、 奇 巨 N u b ： 、 蛙 餐 J 士 盈 l 3 0 0 5 O 塑 觳 蒋 c 1 1 0 1 O 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 O 0 0 0 0 孔 隙半 径 n m 孔 隙半 径 n m 图 3 实测砂 浆试件 的孔 隙分布 冻 融 循 环 次 数 图4 试件在不同冻融环境作用下相对动弹性模量的变化 以及其对裂缝的抵抗能力。砂灰比为 2的试件， 因其内部相应 的连通微观毛细管孔隙 4 3 1 0 0 n m的含量高 ， 当其冻结时将产 生较大的冻结压 ， 从而造成损伤。 ( 2 ) 水灰比不同， 只要砂灰比适当， 其冻融劣化的进展状态 并无 明显差别 。这说明通过试验 可以找到预防混凝土冻融劣化 的最佳配合比。 ( 3 ) 在水中冻融的试件 ， 其冻融劣化进展普遍要快于在空 气冻融的试件。但若配合比恰当， 即使水灰比较高的试件也表 现出 良好 的抗冻性 。 2 3 混凝土的冻融变形特性 混凝土的冻融劣化有几种形式。最常见的是混凝土内部开 裂、 出现裂缝或表面剥落， 这主要是水泥浆基体在反复的冻融 循环下逐渐膨胀所导致的。本文着重研究试件在不同冻融环境 下的冻结收缩 、 膨胀的变形特性。 2 3 1 空气冻融的密封试件 在冻结过程中由于冰点降低和过冷却现象， 温度即使降低到 冰点以下，对水泥浆基体中孔径较小的毛细孔隙水仍然会以过冷 水的形式存在而不结冰；而在融化过程中毛细孔隙水的冰点降低 和孔径有关 ， 即， 孑 L 隙内的冰将从孔径小的孑 L 隙依次开始融化8 1 。 图 5 ( a ) 、 ( b ) 分别为各类混凝土在第 1 次、 第 8次空气冻融循环 所测得的冻融变形与温度的关系。其试验观察到的现象如下： 2I 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 锺 2 、 蘸 温度 ( a ) 空气冻融第1 次冻融循环 温 度 ， ( b ) 空气冻融第8 次冻融循环 温度 ( c ) 水中冻融第1 次冻融循环 图 5 试件在不同冻融环境下的冻融变形与温度的关系 ( 1 ) 从图 5 ( a ) 可以看出， 空气冻融的各类试件在第 1 次冻 融循环时均有过冷却现象， 而且水灰比越低过冷却越强。当冻 结温度降到 0以下时， 各类试件首先在表 2所示的初冻冰核 温度下开始有少量冰核形成并造成微小的膨胀， 继而转入收缩 ； 然后当冻结温度继续降低到表 2所示的冻结体系膨胀温度时， 过冷水也开始冻结并引起较大的膨胀； 这可以用 S e t z e r s 的微冰 晶成长模型 来解释， 即， 当冻结温度降到 0以下时， 首先在 较大的孔隙中形成微小的冰核， 孔隙中的蒸气压降低， 由于冰 熵值比周围凝胶孔中的过冷水熵值低 ， 因此在较大孔隙中的冰 晶和较小孔隙中的过冷水之间产生热力学不平衡， 这必然造成 周围较小孔隙中的冷却水向含有冰核的较大孔隙迁移， 从而引 起孔隙水的再分布， 这种再分布引起混凝土在冻结时的收缩。如 表 2 砂浆试件的初冻冰核 、 冻结收缩及膨胀 的温度 2 2 果再继续降温， 过冷水将在那里结冰或在相应于此冰点温度的 孔隙内冻结 ， 随着凝胶孔迁移的水持续不断地增加， 毛细孑 L 的 冰晶体积稳定增大， 直到孔隙中没有空间来容纳更多的冰为止。 如果过冷水还继续流向结冰区， 就会使结冰孔内产生压力， 当其 压力超过孔壁基质的抗拉强度时，孔壁基质上会出现微裂缝， 这将导致整个体系的膨胀。 ( 2 ) 在冻结过程中再分布的孔隙水不可能在融化过程中完 全回到原来的位置， 因为在融化过程中孔隙内的冰是从孔径小 的孔隙依次开始融化， 而且冻结前较大的孔隙通过毛细管吸收 达到饱和的可能性极小， 因此在融化过程中孔隙水进行逆向迁 移的条件是不具备。这点可从第 1 次冻融循环结束后， 试件中 残留的收缩变形来证实。 ( 3 ) 空气冻融的各类试件在第 8次冻融循环时仍可观察到过 冷却现象， 但冻结收缩现象没有观察到。 另外， 通过图5 ( a ) 、 ( b ) 的对比可以看出，第 8 次冻融循环的冻结体系膨胀温度比第 1 次的要高， 这说明经过几次冻融循环后试件已有损伤， 其抗拉强 度降低的结果。 2 _ 3 2 水 中冻融 的试件 混凝土内孔隙水的过冷却程度受多种因素的影响， 如试件 表面有无冰层覆盖、 试件大小、 冷冻速度、 试件的含水量、 混凝 土孔隙内所含液体种类以及孔隙的大小等 。 本次试验主要讨论 了试件表面有无冰层覆盖对过冷却程度的影响， 图 5 ( c ) 为各类 试件在水中冻融循环所测得的冻融变形与温度的关系； 图 6为 空气冻融及水中冻融循环作用下混凝土试件的残留变形与冻 融循环次数的关系。其试验观察到的现象如下： ( 1 ) 从图5 ( c ) 可以看出， 水中冻融的各类试件在- 0 5左右 时就有明显的膨胀， 且观察不到孔隙水的过冷却现象。 这是因为水 中试件的中心温度保持 0 至_ 2大约有 2 h 左右( 见图 1 ) ， 使试 件表面形成了稳定成长的冰晶层。 此冰晶层作为稳定冰核， 通过与 表面相通的孔隙向试件内部移动， 引起试件的整体膨胀。 ( 2 ) 如图6所示， 各类试件在第一次冻融循环后的残留变形 均为收缩变形， 而随着冻融循环次数的增加， 水灰比越高， 融化后 试件残留的永久膨胀变形越大， 特别是在水中冻融的试件。 对于在 水中冻融、 水灰比较高的试件来说， 试件在冻结时， 内部容易产生 微裂缝， 在融化时， 由于凝胶孑 L 膨胀， 而微冰晶体尚未融化， 这时试 件从外部吸收水分， 进一步增大了试件的可冻结水量， 因此随着冻 融循环次数的增加， 不可恢复的微裂缝累加就越大。 但对于在空气 冻融的试件来说， 因无法从外部吸收水分， 可冻结水量相对较少， 因此相对于水中冻融的试件来说， 其残留变形较小。 冻融循环次数 图 6 试件在 不同冻融循环环境下的冻融残 留变形 下转第 2 1 页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 钢管与核心混凝土之间的黏结力主要有 ： 混凝土中的水泥胶凝 体和钢管表面的化学胶结力， 钢管和混凝土界面粗糙不平的机 械咬合力 ， 钢管 和混凝土 之间 的机 械摩擦力 ， 而且钢管混 凝土 界面黏结一 滑移的发展过程与钢筋和混凝土界面的黏结一 滑移 过程相似。 ( 2 ) 根据 1 4个不同膨胀剂掺量下 自密实钢管混凝土推出 试件的试验研究结果 ，对推出试件的荷载一 滑移曲线进行了综 合分析和归纳 ， 根据试件的荷载一 滑移曲线 ， 将试件的受力过程 划分为胶结段、 滑移段、 摩阻段三个受力阶段。 ( 3 ) 膨胀剂的适量掺人提高了自密实钢管混凝土中钢管与 混凝土的黏结滑移性能， 但膨胀剂的过量掺入 ， 使钢管壁过早 的发生屈曲， 反而大幅降低自密实钢管混凝土的黏结滑移性能。 ( 4 ) 虽然每个试件滑移曲线不尽相同， 但从走势可以看出， 随着推出次数的增加， 抗剪黏结破坏荷载不断降低 ， 说明在反 复加载过程中， 界面逐渐被磨平， 到第 4次的加载过程中， 可以 发现黏结滑移破坏荷载降低幅度很小 ， 说明， 经过反复加载 ， 试 上接第 2 2页 2 3 3 试件的残留冻融变形与相对动弹性模量的关系 图 7为试件在各次冻融循环后的残留冻融变形与相应冻 融循环次数后的相对动弹性模量的关系。由图 7可以看出： ( I ) 试件的残留冻融变形由收缩向膨胀转变的过程中， 试 件的相对动弹性模量降低， 且水灰 比越大 ， 其残留冻融膨胀变 形越大、 相对动弹性模量降低也愈大， 尤其是水灰 比较大而砂 灰比较小的试件。 ( 2 ) 试件的残留冻融变形与相对动弹性模量有一定的相关 性， 相对动弹性模量可以间接地反映出试件残留冻融变形的大小。 血l 牡 _=譬 冻 融残余 变形 1 0 图 7 试件冻融的残留变形与相对动弹性模量的关系 3结论 通过试验以及对试验结果的分析可得出以下结论 ： ( 1 ) 水灰 比相同， 砂灰比不同的试件， 冻融劣化的进展状况 不同。砂灰比较小的试件劣化显著， 且水中冻融的试件比空气 冻融的密封试件 劣化严重 。 ( 2 ) 水泥浆基体的抗冻性同4 3 1 0 0 n l T l 范围内的孔隙量的 多少有相关性， 而不只是孔隙总量。 ( 3 ) 空气冻融的试件有明显的过冷却现象， 且水灰 比越低 其过冷却越强， 但在水中冻融的试件没有观察到过冷却现象。 ( 4 ) 混凝土冻结过程的收缩现象在外部无水供给的情况下 发生， 且仅仅发生在微冰晶形成后， 也就是说它取决于试件孔 隙水的三相转变； 在冻结过程中， 试件收缩是孔隙水发生再分 件黏结滑移破坏荷载已接近钢管与核心混凝土之间的摩擦力。 参考文献 ： 1 陆建彬， 黄鑫洪， 等 自密实高性能混凝土在结构工程中的应用f J 1 建 筑技术 ， 2 0 0 7 f 2 J 王国杰， 郑建岚 ， 自密实钢管混凝土的研究与应用【 J J 混凝土， 2 0 0 6 3 杨有福 ， 韩林海矩形钢管自密实混凝土的钢管一混凝土界面黏结 性能研究I J 1 工业建筑， 2 0 0 6 【 4 韩林海钢管混凝土结构【 M E 京 ： 科学出版社， 2 0 0 4 5 V I R D I K s ， D O WI N G P J B o n d s t r e n g t h i n c o n c r e t e f i l l e d c i r c u l a r s t e e l t u b e s， CES LI C Re p o r t CC1 1 ， I mpe r i c a l Co l l e g e ， L o n d o n， De e， 1 9 7 5 【 6 杜艳静 自密实混凝土耐久性及变形规律试验研两D 1 l南京： 南京工 业大学结构工程， 2 0 0 8 作者简介： 黄B ( 1 9 8 3 一 ) ， 男， 硕士研究生， 主要从事混凝土结构研究。 单位地址： 江苏南京市中山北路 2 0 0 号( 2 1 o o o 9 ) 联系电话 ： 1 5 8 5 0 5 1 4 9 7 5 布的宏观表象。 ( 5 ) 试件的残留冻融变形与相对动弹性模量有一定的相关 性， 相对动弹性模量可以问接地反映出试件残留冻融变形的大小。 参考文献 ： 1 】 金伟良， 吕清芳 ， 赵羽习， 等 混凝土结构耐久性设计方法与寿命预 测研究进展 J 】 建筑结构学报 ， 2 0 0 7 ， 2 8 ( 1 ) ： 7 一 l 3 2 P O WE R S T C A w o r k i n g h y p o t h e s i s o f f u r t h e r s t u d i e s f o r f r o s t r e s i s - t a n c e o f c o n c r e t e C H P r o e O f A C I， 1 9 4 5 ( 4 1 ) ： 2 4 5 2 7 2 3 S E T Z E R M J Ne w a p p r o a c h t o d e s c r i b e f r o s t a c t i o n i n h a r d e n e d c e m e n t p a s t e a n d c o n c r e t e C P r o e C o n f Hy d r a u l i c C e me n t P a s t e ， T h e i r S t r u c t u r e a n d Pr o p e r t i e s ， S h e f fie l d， 1 9 7 6： 3 1 2 - 3 2 5 【4 P E N T I A L A V F r e e z i n g i n d u c e d s t r a i n s a n d p r e s s u r e s i n w e t p o r o u s ma t e ri a l s a n d e s p e c i all y i n c o n c r e t e m o rt a r s J J _ A d v n C e m B a s Ma t ， 1 9 9 8 ( 7 ) ： 8 - 1 9 5 】S E T Z E R MJ Mi c r o i c e l e n s f o r m a t i o n a n d f r o s t d a ma g e C D r a f t P r o c o f t h e Mi n n e a p o l i s Wo r k s h o p o n F r o s t Da ma g e i n Co nc r e t e i n US A， 1 9 9 9 ( 1 4 ) ： 1 - 1 5 6 S C H UL S O N E MI c e d a ma g e t o c o n c r e t e R U S A rmy C o r p s of E n g i n e e r i n g s ， C o l d R e gio n s R e s e a r c h a n d E n g i n e e ri n g L a b o r a t o r o r y ， S p e c i a l R e p o rt 9 8 - -6 1 9 9 8： 1 2 2 7 C O O K R A， H OV E R K C Me r c u r y p o r o s i m e t ry o f c e m e n t b a s e d ma t e r i a l s a n d a s s o c i a t e d c o r r e c t i o n f a c t o r s J A C I Ma t e r i a l s J o u rnal， 1 9 9 3 ( 3 ) ： 1 5 2 1 61 8 镰田英治 夕l J 原害 E 细孔耩造【 J 1 夕1 J 工学年 次 文赧告集， 1 9 8 8 ， 1 0 ( 1 ) ： 5 l 一 6 0 9 】S E T Z E R M J B a s i s o f t e s t i n g t h e fr e e z e t h a w r e s i s t a n t s u r f a c e a n d i n t e r n a l d e t e r i o r a t i o n 【 C F r o s t R e s i s t a n c e o f C o n c r e t e EF N S p o n e d b y S e t z e r MJ a n d Au b e r g R 1 9 9 7： 1 5 71 7 3 作者简 介 单位地址 联 系电话 ： 周志云( 1 9 6 6 一 ) ， 女 ， 工学博士， 副教授， 硕士生导师， 主要 从事混凝土结构的基本理论、 耐久性方面的研究工作。 E 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 ) 1 3 7 61 0 8 8 4 3l 2 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m