自密实混凝土冻融循环的性能研究.pdf

何承义等 ： 自密实混凝土冻融循环的性 能研究 自密实混凝土冻 融循环 的性能研 究 何承义 ， 王景波 ， 丁剑婷 ， 盛可鉴 ( 黑龙-；IT程学院 土木与建筑工程学院 哈尔滨1 5 0 0 5 0) 【 摘要】 通过对 自密实混凝土进行快冻法和 3 N a C I 溶液的冻融循环试验， 测定不同冻融循环次数后的 抗压强度、 劈裂抗拉强度 、 质量损失率和相对动弹模量及其变化特点。结果表明， 自密实混凝土随着冻融次数的 增加， 其表观质量、 力学性能均呈现不同下降趋势。可为寒区桥梁工程设计、 养护及寿命预测提供依据。 【 关键词】 自密实混凝土； 冻融循环； 冻融 一 氯盐共同作用 【 中图分类号】 T U 5 2 8 I 文献标识码】 A 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 0 ) 1 1 0 0 0 1 0 3 EXP ERI M ENTAL RES EARCH oN PRoP ERTY oF S ELF CoM PACTI NG CoNCRETE 0lF BRm GE l N COL D REGI oN H E C h e n g y i ， WA N G J i n g b o ， D I N G J i a n t i n g ， S H E N G K e - j i a n ( D e p a a me n t o f C i v i l E n g i n e e r i n g ，H e i l o n g j i a n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y， H a r b i n 1 5 0 0 5 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： By a d o p t i n g q u i c k f r e e z e t h a w me t h o d a nd f r e e z e t h a w t e s t s o f ma s s f r a c t i o n 3Na C1 ， t h e s e l f c o mp a c t i n g c o n c r e t e s p e c i m e n s a r e s u b j e c t e d T h e n t h e w e i g h t ， t h e c u b i c c o m p r e s s i o n s t r e n g t h ， t h e r e l a t i v e d y n a mi c mo d u l u s o f e l a s t i c a n d the s p l i t t i n g s t r e n g t h we r e me a s u r e d a fte r di f f e r e nt f r e e z i n g a n d t h a w i n g c y c l e s 。T h e e x p e r i me n t a l r e s u l t s s h o w t h a t wi t h t h e i n c r e a s e o f t i me s o f f r e e z e t h a w c y c l e s ， the a p p a r e n t q u a l i t y a n d me c h a n i c a l p r o p e r t i e s d e c l i n e i n d i f f e r e n t v e l o c i t i e s Th e r e s u l t s ma y p r o v i d e a s a b a s i s f o r t h e d e s i g n a n d c u rin g o f t h e b rid g e i n c o l d r e g i o n Ke y wo r d s： s e l f c o mp a c t i n g c o n c r e t e；f r e e z e t h a w c y c l e；f r o s t t h a wi ng c hl o r i d e c h l o r i n e s a l t c o n b i n e d a c t i v a t e 0 引言 自密实混凝土是一种新型高性能混凝土， 在我国 具有 良好 的应用前 景 。桥梁用 钢筋混 凝土结 构 ， 存在 钢筋 锈蚀 和冻融破 坏两个最 主要的耐 久性 问题 ， 在我 国南 方地 区 ， 钢筋锈蚀 是首要 破坏 因素 ； 在北 方地 区 ， 冻融破坏和钢筋锈蚀是两个相互促进的破坏因素， 且 往往冻害发生在前。对于寒区冬季雪后道路的融雪剂 ( 目前 以氯盐为 主) 渗 透的 c l 一 对 钢筋 的锈蚀影 响 ， 如 果没有相应的技术防范手段 ， 桥梁将很快 因冻融与 c l 一 侵蚀使钢筋锈蚀破坏过早进入大修期或报废。所 以， 对冻融和含氯离子侵蚀的冻融以后混凝土力学性 能的研究十分重要 。 自密实混凝土在我国桥梁领域应用 日益增多， 但 对其耐久性研究还很少 ， 所以， 针对寒区桥梁工程领域 自密实混凝土进行抗盐冻剥蚀破坏研究具有较高的 实用价值。 1 原材料与试验方案 试 验 试 件 采 用 1 0 0 ra m X 1 0 0 m m 1 0 0 m m 和 1 0 0 ra m X 1 0 0 m m X 4 0 0 m m两种规格， 前者用于测定混 基金项目 黑龙江省自然科学基金项目( E 2 0 0 6 1 9 ) 凝土抗压强度 、 劈裂抗拉强度和冻融 一氯盐共同作用 的冻融剥蚀试验 ， 后者 用于测定 相对动 弹模 量和 重量 损失 。混凝土按常规方 法成型试 件 ， 一 天脱 模后 进入 标准养护箱养护 。 1 1 原材料 试验选用哈尔滨亚泰天鹅 P O 4 2 5普通硅酸盐 水泥； 碎石来自阿城玉泉石场 ， 为5 2 0 m m连续级配， 表观密度 2 7 1 3 k g m ， 堆 积 密度 1 4 7 6 k g m ， 压 碎值 8 9 ， 含泥量 1 ； 砂为中细砂 ， 产 自松 花江 ， 细度模 数为 2 4 l ， 表观 密度 2 6 2 0 k g m ， 堆积 密 度 1 3 4 6 k g m ， 含 泥量 3 ； 粉煤灰 采用黑龙江双 达电力设备集 团生产 的 I级 粉 煤灰 ， 烧 失量 为 3 5 ， 比表 面 积为 5 4 0 0 c m g ； 外加剂为上海麦斯特公司的G L E N I U M S P 一 8 C N高效减水剂。 1 2 混凝 土配合 比 试件配合比采用水灰比为 0 3 5 ， 水胶比为 0 2 4 ， 胶凝材料用量为4 8 0 k g m ； 其中粉煤灰占胶凝材料的 3 0 ； 碎石用 量 为 7 8 6 k g m ； 砂用 量 为 8 6 7 k g m ； 掺 加减水剂 1 3 。 2 低温建筑技术 2 0 1 0年第 1 1期( 总第 1 4 9期 ) 1 3试验 方法 混凝土 的冻融循环 试验根 据 G B J 8 21 9 8 5 普通 混凝土长期性能和耐久性能试验方法 中抗 冻性 能试 验的快冻法进行， 试验仪器采用 T D R 1 混凝土快速冻 融试验机 ， 试件在饱水状 态下进行快 速冻融 试验 。冻 结时试件的中心温度为 一l 5一1 7 c 【 = ， 融化时， 试件中 心温度为 6 8 C， 一次冻融循 环为 3 h左右 ， 试 件在冻 结 和融化过程 中均处于全浸水 状态 ( 亦 即饱水 状态 ) 。 当试验结果离散性较 大时 ， 增加试件数 目， 以求数据 的 完整 与准确 。冻融试验达到 以下三种情况 的任何一种 时， 即可停止试验： 冻融至 3 0 0次循环 ； 试件的相 对动弹性模量 F降至 6 0 以下； 试件的质量损失率 达到 5 。 5 0 蚕4 o 霹3 0 袁2 0 矮 l 0 一 U U l UU l ，U叫U Z ，U jUU 冻融循环次数 图2快冻法冻融循环后抗拉强度变化图 混凝土在氯化钠溶液中冻融循环， 盐溶液浓度对 混凝土的表面剥落影响较大， 浓度过高或过低混凝土 剥落都会减小， 经试验分析， 采用 3 0 浓度的盐溶 液， 冻融效果明显。 2 试验结果与分析 2 1 快冻法冻融循环后 1 密实混凝 土性能 7 O 5 0 l 0 o 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 o 0 冻融循环次数 图3质量损失变化图 、 1 0 5 O 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 o o 冻融循环次数 图4相对动弹性模量变化图 国内外有关 研究表 明 ， 随 着冻融次 数 的增 加 ， 混 凝土的强度特性均呈下降趋势， 其中反映最敏感的是 抗拉强度和抗折强度 ， 即随着冻融次数的增加， 混凝土 的抗拉强度和抗折强度迅速下降， 而抗压强度下降在 循环次数较小时趋势较缓。从 自密实混凝土的快冻试 验发现与这一结论吻合。如图 1 、 图2所示 ， 抗压强度 在 2 0 0次循环 以前 ， 下 降趋 势较 缓 ， 仅为 0次 循环 的 5 8 ； 劈裂抗拉 强度 在 2 0 0次循环 时 已经下 降 了 1 6 。随着冻融次数的增加， 抗压拉与劈拉强度都降 低 明显 。试验时随着 冻融次数 的增加 ， 试 件表面剥 落 严重 ， 当对试件进行劈拉试验时， 会出现爆裂声， 这是 因为骨料被拉断所致 。 质量损失率也是混凝土抗冻性的一个重要评价 指标， 从试验结果( 图3 ) 可以看出， 随着冻融次数的增 加， 质量损失幅度明显加强， 1 5 0次循环时为 0 6 3 2 ， 到了3 0 0次循环时达到了2 4 6 ， 仍没有超过破坏标 准值 5 。 从相对动弹性模量变化试验结果( 图 4 ) 可发现， 经冻融循环后 ， 相对动弹模量开始下降较缓， 经过 1 0 0 次循环后下降幅度变得加大 ， 到了3 0 0次循环时为常 态值的 9 0 7 8 。 相对动弹性模量本身反应的是混凝土内部微裂 缝开展情况 ， 质量损失率也反应了混凝土 自身的破坏 程度， 达到一定程度的质量损失， 混凝土表面剥落会造 成骨料或增强材料暴露。因此 ， 用这两个指标反应了 混凝土内部与表面的损伤程度。 2 2 在氯化钠溶液中冻融循环试验 中的重量损失 3 2 l 0 赢 水转嘲峰 如 誉、 卿 敝标靛 6 4 2 0 B d 窆 、 避露 骥辑 何承义等： 自密实混凝土冻融循环的性能研究 3 率、 相对动弹性模量变化 我 国 目 前 尚无该 方面 的试 验标准 ， 试验时参 照 了 国内一 些 试 验 方 法 以及 欧 洲 共 同体 通 用 试 验 标 准 R I L E M T C 1 1 7一F D C 9 5 、 美 国材 试验 协会 A S T M C 6 7 2 提 出的试验方法。 在冻融循环与氯化钠溶液双因素作用下， 从图3 与图 5 试验结果比较后表明， 在氯化钠溶液中冻融时 部分试件质量损失率 比在纯水中冻融循环作用下的 质量损失率大。同样 3 0 0次循环时， 在氯化钠溶液中 冻融下 ， 试件 质量损 失率 为 5 6 8 ， 已超过 破 坏标 准 值5 。但是， 两者试验的质量损失率曲线变化趋势 基本相 同。 比较图4与图6可发现， 在冻融循环初期， 冻融循 环与氯化钠溶液双因素作用与冻融循环这一单因素 情况下， 试件的相对动弹性模量变化不大， 1 5 0次循环 时仍达常态值的9 6 7 6 。经过一定次数的冻融循环 后， 相对动弹性模量加速下降， 到3 0 0次循环时为常态 值的5 0 7 8 ， 已超过破坏标准值 6 0 ， 且氯化钠中冻 融循环造成了混凝土表面严重剥落。比较单因素与双 因素两种试验的相对弹性模量变化曲线可以发现二 者变化趋势近于相同， 但重劣化因素的氯化钠溶液冻 融循环相对弹性模量变化曲线开始时非常平缓， 这是 由于试件在氯化钠溶液中冻融循环过程中， 盐溶液使 冰点降低， 宏观状态 浓度 3 0 的盐溶液 冰点为 一 2 o 3 ， 混凝土中孔隙溶液 的冰点可能远低于宏观状 态的冰点。因为孔径越小， 孔隙中溶液结冰的温度就 越低， 这是对混凝土抗冻有利的方面。这时由于孔隙 和溶液的共同作用， 使在冻结温度时混凝土内部孔隙 中的溶液可能并未 结冰。根据这个 结果 ， 混 凝土在 氯 化钠溶液中快速冻融时相对动弹性模量下降较慢是 很正常的。 1 2 0 术 絮8 0 戳 霎4 0 翼 O 。 、 O 5 O l 0 o 1 5 0 2 0 o 2 5 0 3 0 o 冻融循环次数 图5相对动弹性模量变化 图 采用的盐溶液的冻融循环试验， 混凝土的剥落速 度显然比淡水中快得多， 剥落严重的试件表面起砂变 酥， 达到一定程度后粗骨料外露。由于混凝土自身的 不均匀性， 各个面的剥落是不均匀的。实际上， 成型面 的剥落比其它面严重 ， 同一个面的剥落程度也不是处 处均匀； 在缺陷或有孔部位会产生集 中剥落。混凝土 的质量损失由表面剥落引起， 可见在盐溶液中遭受冻 融循环的混凝土质量损失绝不能忽视。 6 冰 4 蟊 O 厂 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 O 2 5 0 3 0 0 冻融循环次数 图6质量损失率变化图 3结 语 ( 1 ) 自密实混凝土的抗拉强度和抗折强度随着 冻融次数的增加而迅速下降； 自密实混凝土的抗压强 度下降在循环次数较小时趋势较缓。 ( 2 ) 氯化钠溶液的影响： 同组试件在盐水中的 冻融次数明显低于纯水中的冻融次数。自密实混凝土 在 盐水 中快速冻融 时， 质 量损失远 大于在纯水 中的质 量损失 。 ( 3 ) 经过一定次数的冻融循环后， 自密实混凝 土的相对动弹性模量加速下降， 且氯化钠中冻融循环 可使动弹性模量下降加剧， 并造成了混凝土表面严重 剥落 。 ( 4 ) 处 于寒 区 的桥 梁用 自密实 混凝 土 ， 在 一定 浓度除冰盐作用下， 受自然界温度变化引起的冻结和 融化， 可以使混凝土表面严重剥落， 引起钢筋锈蚀 ， 减 少结构的使用寿命 ， 必须引起重视。 参考文献 1 O r g a n i z a t i o n f o r E c o n o mi c C o - o p e r a t i o n a n d D e v e l o p me n t ，D u m b i l i t y o f Co n c r e t e Ro a d Bri d g e s ， 1 9 9 0 2 邓宗才 高性能合成 纤维混凝土 M 北京 ： 科学技术 出版社 ， 2 o o 2 3 R I L E M T C l l 7一F D C 9 5 ， T e s t m e t h o d f o r t h e f r e e z e t h a w re s i s t - l C e o f c o n c r e t e w i t h w a t e r ( C F )o r wit h s odiu m c h l o r i d e s o l u t i o n ( C D F ) s 4 王铃， 李刚 纤维混凝土耐久性的试验研究 J 混凝土， 2 0 0 2 ， f 1 2 ) ： 4 3 4 5 5 K F D u n k e r ， B G R u b b a t Wh y A me ri c a n b ri d g e s a c r u m b i n g J S c i e n t ifi c A me ri c a n， 1 9 9 2 6 李中华， 巴恒静， 邓宏卫混凝土抗冻性试验方法及评价参数 的研究评述 J 混凝 士 ， 2 0 0 6， ( 6 ) 收稿 日期 2 0 1 0一 o 72 6 作者简介】 何承义( 1 9 6 2 一) ， 男， 辽宁锦州人， 教授， 硕士， 从 事 土木工程桥梁方面的研究 。