混凝土耐久性影响的研究.doc

关于含水量对混凝土耐久性影响的研究

摘要：混凝土的耐久性是工程上长期以来关注的重点，尤其是水工混凝土。混凝土的冻融破坏是导致混凝土耐久性丧失的最主要的原因之一，严重影响了混凝土建筑物的长期使用和安全维护。因此，进行混凝土冻融后的力学性能研究具有非常重要的现实意义。对于水工混凝土而言，改善其抗冻性能是提高混凝土耐久性的有效手段。目前最常用且最有效的办法就是在混凝土浆体中掺入适量的引气剂。本文以三峡工程II期混凝土工程为例先后说明以上两点。
关键词：混凝土；水工混凝土；耐久性；冻融破坏；引气剂
0 前言
混凝土的耐久性是指结构在规定的使用年限内，在各种环境条件作用下，不需要额外的费用进行加固处理就能保持其安全性、正常使用和可接受的外观能力。影响混凝土耐久性的因素很多，如：混凝土冻融、碳化；钢筋锈蚀；侵蚀性介质腐蚀；碱集料反应等。混凝土自身的物理性能是影响其耐久性的内在因素，而具体的使用环境则是外在因素。在这几种主要的影响因素中，尽管碳化对混凝土的耐久性影响较大，但其破坏过程较长，所以冻融破坏则表现的最为明显。而混凝土的抗冻性是指混凝土在受到物理作用（干湿变化，温度变化，冻融变化等）后，保持其强度和外观完整性的能力。它是反映混凝土耐久性的重要指标之一。目前，水工建筑物的耐久性主要通过抗冻性和抗渗性指标来表征[1]。
任一材料，其耐久性都不是固定不变的。然而，混凝土因耐久性不足引起的破坏也不是突然发生的，而是在一段使用时间的环境作用下，混凝土的微观结构和性质逐渐发生变化，直到不能满足使用要求，达到其使用寿命。混凝土受冻融循环作用后，其力学性能和耐久性都会发生劣变，导致混凝土结构的安全性能降低、使用寿命的减短。但是目前关于对混凝土结构工程的设计，往往是忽略了冻融循环对混凝土的力学性能产生的不利影响。所以，对混凝土结构进行冻融循环后的力学性能分析，进而预测其剩余寿命，具有很大的应用价值。 现有的关于冻融循环后混凝土性能的研究，大多是以质量损失或相对动弹性模量变化为标准[2]，针对混凝土的抗冻安全等级而展开的。而对冻融后混凝土的力学性能研究得较少。然而，在实际应用中，建筑物的使用性能及耐久性恰恰与混凝土的力学性能关系最为密切。因此，研究混凝土冻融循环作用后的力学性能有着非常重要的现实意义。混凝土的冻融破坏实质上是受拉开裂破坏。动弹性模量能够敏感地反映混凝土的内部结构损伤，较直接地测试其抗压强度，进而能更精准地反映混凝土的冻融损伤的情况[3]。此外，以动弹性模量为指标的测试方法为非破损法，且操作简便。
本文以三峡大坝混凝土II期混凝土工程为例，按照现行的GBJ82-85《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法》[4]中抗冻性能试验的“快冻法”对混凝土试块进行0、25、50、75、100、125、150、200甚至300次冻融循环试验，并对实验结果进行分析，建立起冻融循环后混凝土的抗压强度与冻融循环次数之间的关系式。在影响混凝土抗冻性的诸多因素中，含水量又起着至关重要的作用。因此，本文在研究混凝土抗压强度与冻融次数之间关系的基础上，进一步分析含水量对混凝土抗冻性能的影响，并提出有效的防治措施。
1 试验准备
1.1 试验样本
本实验的试验样本取自三峡大坝II混凝土工程，为了更好的说明含水量对混凝土冻融的影响并找出其防治的办法，分别取大坝内部、外部、基础、水位变化区四个不同部位的4组13个样本进行混凝土的快速冻融试验。
1.2 试验方法
本试验按照现行的GBJ82-85《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法》中抗冻性能试验的“快冻法”。试验设备采用日本全自动快速冻融试验机。混凝土中心冻融温度控制在-17±2℃~6±2℃，冻融循环时间为3~4小时，试验龄期是28d，在到达试验龄期前4d，将试件在20±32℃的水中浸泡4d，试件在本冻融试验中均处于饱水状态。本试验方法均按水工混凝土试验规程（SD105—82）进行。
2 试验结果与分析
2.1 试验数据
本文仅随机地取每组样本中的一个进行分析，试件28d试验数据如下：

表1 各工程部位混凝土性能试验结果
Table 1 Concrete performance test results in the different engineering parts

工程部位
28d抗压强度
（MPa）
28d弹性模量
（GPa）
内部
22.6
22.9
外部
27.5
26.8
基础
20.5
29
水位变化区
32.2
29.7

表2 混凝土28天龄期抗冻试验结果
Table 2 Results of Frost Resistance test at the age of 28d

工程部位
相对动弹性模量（%）
25次
50次
75次
100次
125次
150次
200次
250次
275次
300次
内部
93.5
93.2
93.1
93.2
93.2
93.1

外部
95.3
94.9
95.5
95.6
95.5
95
95.2

基础
92.4
90.1
88.4
87.2
82.8
81
79.5

水位变化区
94.5
93.9
94
94
94
94.1
94
93.7
93.6
92.5

根据孙丛涛、牛荻涛等的《混凝土动弹性模量与超声声速及抗压强度的关系研究》一文中得出的动弹性模量与抗压强度的关系[5]
Ed=8.5fcu0.45 （1）
可以得出不同部位混凝土冻融后的抗压强度，如表3：

表3 混凝土冻融循环后的抗压强度
Table 3 The compressive strength of concrete after freeze-thaw

工程部位
冻融后混凝土的抗压强度（MPa）
25次
50次
75次
100次
125次
150次
200次
250次
275次
300次
内部
10.66
10.62
10.49
10.44
10.2
10

外部
11.53
11.42
11.58
11.61
11.58
11.45
11.5

基础
12.83
12.13
11.63
11.28
10.05
9.57
9.19

水位变化区
14.39
13.72
13.69
13.62
13.55
13.42
13.33
13.27
13.14
12.98

2.2 数据处理
利用数学模型Y=A+B*X[6]对表3中的试验数字进行回归，得到不同部位混凝土相对抗压强度与冻融循环次数的线性关系式。
大坝内部：
f（N）= 10.863—0.005N
f（N）/ f cu =1—0.00028N （2）
大坝外部：
f（N）= 11.53—6.23^10-5N
f（N）/ f cu =1—4.855^10-6N （3）
大坝基础：
f（N）= 12.681—0.017N
f（N）/ f cu =1—0.0013N （4）
水位变化区：
f（N）= 14.078—0.0037N
f（N）/ f cu =1—0.00028N （5）

2.3 试验分析
从以上各式可以看出，该大坝工程基础部分的混凝土抗压强度受冻融循环的影响最大、衰减最快。
从试件所处的环境方面来看，基础部位的混凝土长期浸泡在水中，含水量最大。其原因是：混凝土本身并不是十分致密的，其内部都会有连通或不连通的孔隙；在饱水环境中，水分就会沿着混凝土表面的微孔隙渗入混凝土内部；在正负温的大幅交替和频繁变化中使混凝土内部结构遭受冻融破坏。破坏应力主要由两部分组成，即静水压力和渗透压力。在这两种联合应力的作用下，加剧了混凝土内部的微孔结构及微裂缝的增加和发展，使混凝土的强度降低、密实度下降[9]。而密实度下降又会反过来使混凝土的吸水量增大。经冻融后裂缝增加发展，强度降低。这是一个层层循环过程。因此在静水压和渗透压的反复作用下，混凝土内部的损伤不断积累扩大，发展成相互连通的裂缝，进而产生由里及表的剥蚀破坏。所以含水量是引起混凝土冻融循环破坏抗压强度降低的重要因素[8]。
比较这四个混凝土试块所处的环境，含水量由大到小依次是基础、水位变化区、内部、外部；因此混凝土抗压强度衰减由快到慢的次序也是基础、水位变化区、内部、外部。上文中关于抗压强度与冻融次数的关系式也刚好印证了这一点。
3 引气剂的作用机理
为改善混凝土的抗冻性能，目前常用的做法是在混凝土浆体中加入引气剂[9]。引气剂作为提高混凝土的抗冻性能最主要的技术措施已被广泛应用到工程实践中，其效果也得到了普遍认可。根据静水压假说，如果在混凝土中掺入引气剂，硬化后的混凝土浆体内将分布有不与毛细孔连通的、相互独立且封闭的气泡。当孔隙内的水冻结时，气泡就会被压缩，这大大减轻了冰冻给孔隙带来的胀压力。冰冻溶解时，在表面张力的作用下，又能将水徘回孔隙中。这时气泡就犹如一个压力安全阀，为孔溶液提供缓冲所需的空间，缩短了形成静水压力的流程长度。从而使混凝土的抗冻性能大大提高。在混凝土中掺加引气剂，引入大量均匀、稳定的微小气泡，在有效改善混凝土内部孔结构的同时，还能显著地减小混凝土的泌水，改善其和易性。进而保证了抗压强度，提高了抗渗性和耐久性。
虽然引气剂可以提高混凝土的抗冻能力，但是当含气量高达6%-8%时，抗渗能力反而会急剧下降[10]。因此应合理控制引气剂的掺量。从三峡大坝II期工程混凝土工程的配比来看，引气剂的掺量在5%左右。
4 结语
本文通过对三峡工程II期混凝土工程抗冻性能的试验研究，得出以下结论：
（1） 含水量的多少对混凝土冻融后抗压强度的衰减有着直接的影响，所以提高混凝土耐久性，尤其是水工混凝土，主控目标就是含水量。可从配比、养护条件、施工等几方面来保证混凝土的密实度。
（2）对于水工混凝土，还应合理掺加引气剂以提高混凝土的抗冻耐久性。

参考文献：
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[3] 宋玉普.冀晓东. 混凝土冻融损伤可靠度分析及剩余寿命预测[J]. 水利学报， 2006,37(3):259-263
[4] GBJ82-85. 普通混凝土力学性能试验方法[S]. 北京：中国建筑出版社. 2002
[5] 牛荻涛.孙丛涛.元成方.盖青山. 混凝土动弹性模量与超声声速及抗压强度的关系研究[J]. 混凝土，2010(4)
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[7] 程红强.张雷顺.李先平. 冻融对混凝土强度的影响[J]. 河南科学，2003,21（2）：215-216
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[10]杨华金.周世华.苏杰. 气泡参数对混凝土性能的影响[J]. 水利发电，2009,35（1）：18-20