西北地区负温混凝土冻融耐久性试验性能研究.pdf

2 0 1 2 年 第 5 期 (总 第 2 7 1 期 ) Nu mb e r 5 i n 2 0 1 2 ( T o t a l No 2 7 1 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THEORETI CAL RESE ARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 2 0 5 0 1 2 西北地区负温混凝土冻融耐久性试验性能研究 周茗如 ，张豪杰 ，卢长来 。沈宇 。 ，刘元珍 ，罗兴周 s ( 1 兰州理工大学 土木工程学院，甘肃 兰州 7 3 0 0 5 0 ；2 河南建设工程设计有限责任公司，河南 郑州 4 5 0 0 0 0 ； 3 河南职业技术学院，河南 郑州 4 5 0 0 0 7 ； 4 兰州市城市建设谢 十 院，甘肃 兰州 7 3 0 0 3 0 ；5 庆阳兴庆混凝土有限公司 甘肃 庆阳 7 4 5 0 0 2 ) 摘要： 在水中冻融循环下 ， 通过基准混凝土和掺加复合防冻剂负温混凝土在冻融循环过程中的试验研究， 以抗压强度损失率和混凝土质 量损失率作为混凝土冻融耐久性的评价依据， 能准确地反映冻融过程中混凝土性能的劣化程度， 为西北地区冬季施工提供帮助和理论依据。 关键词： 负温；冻融循环；耐久_性； 抗压强度损失率；质量损失率 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 2 ) 0 5 0 0 3 8 - 0 3 Re s e ar c h t h e f r ee z e- t ha w dur a bi l i t y o f ne ga t i v e c on cr et e i n n or t hwe s t r e gion Z HOUMi n g - r u ， Z HA NGHa o - j i e ， L UC h a n g - l a i ， S H E NYu ， L I UY u a n z c n 4 , L U OXi n g - z h o u ( 1 C i v i l E n g in e e r i n gI n s t i t u t e ， L a n z h o uU n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， L a n z h o u 7 3 0 0 5 0 ， C h i n a ； 2 He n a nC o n s t r u c t i o nE n g i n e e r i n g De s i g n Co ， L t d ， Zh e ng z ho u45 0 0 0 0；3 He n a nI n s t i tut eo f Vo c a t i o n a l T e c h n o l o g y， Z h e n g z h o u45 0 0 07 ， Ch i n a；4 La n z h o uUr b a nCo n s t r u c t i o n De s i g ni n s t i tut e ， L a n z h o u 7 3 0 0 3 0 ， C h i n a ； 5 Qi n g y a n g Xi n g q i n gC o n c r e t e C o ， L t d ， Q i n g y a n g 7 4 5 0 0 2 ， C h i n a ) Abs t r a c t ：W it h t h e t e s t c o nd i t i o n o f f r e e z e - t h a w c y c l e s i n t h e wa t e r ， t h r o u g h t h e r e s e a r c h o f b e n c h ma r k c o n c r e t e a n d n e g a t i v e t e mp e r a t ur e m i x e d c o mpo s i t e a n t i fre e z e ， i t t a k e s t h e l o s s r a t e o f c o mp r e s s i v e s t r e n g t h a n d q u i t y a s e v a l u a ti o n s f o r the fre e z e th a w d u r a bi l i t y o f c o n c r e t e T h e s e r e fle c t a c c u r a t e l y the d e g r a d a t i o n d e gre e o f c o n c r e t e pe r f o r ma n c e i n t he fre e z e - t h a w c y c l e s ， a n d p r o v i d e h e l p a nd t h e o r e t i c a l b a s i s for t he wi n t e r c o n s tr u c t i o n i n n o r t h we s t r e g i o n Ke ywor d s： ne g a t i v e ； fre e z e t h a w c y c l e ； d u r a b i l i t y； l o s s r a t eo f c o mp r e s s i v e s t r e ng t h； ma s sl o s s r a t e 0 引言 寒冷地区大量的工程实践， 创造了负温混凝土这一混凝土 科学分支。 西北地区相对于其他地区的冬季低温时间较长、 降 雨量少、 风沙较大等特点， 因此对于低温混凝土在工作性、 耐久 性等方面提出了更高、 更苛刻的要求。 为了保证西北地区冬季施 工的混凝土耐久性良好 ， 需要冬季施工的混凝土早期强度达到 抗冻临界强度值 ， 以抵御混凝土早期的冻害。 抗冻性是混凝土耐 久性的最重要的指标之一。 因此， 混凝土的抗冻耐久性引起国内 外众多学者的兴趣， 不仅因为它是影响混凝土使用寿命与性能 的一个非常重要的因素， 同时也因为混凝土冻害发生的范围极 其广泛。 从 2 0 世纪3 0 年代到 7 0 年代， 混凝土冻融破坏机理被相继提 出，如 T C P o we r s 提出的静水压假说， P o we r s ， Ho we r s ， He l mu t h 等在试验的基础上提出的渗透压假说等。 这些假说在很大程度 上指导了混凝土材料的研究， 对提高混凝土抗冻性起到了重要 作用。 目前有关混凝土冻融的研究工作主要有混凝土冻融破坏 机理的进一步深入探讨、 提高混凝土抗冻性的措施和冻融耐久 性劣化预测模型等方面。 对改善混凝土抗冻性的研究主要是从冻融破坏的机理出 发， 针对混凝土内部结构组成和外部环境条件对抗冻性的影响， 提出了一些提高混凝土抗冻性的措施。 如通过掺人引气剂来改 收稿 日期 ：2 0 1 1 - 1 l o 2 基金项目：甘肃省科技攻关项 目( 2 0 1 l y 0 5 1 1 ) 3 8 善混凝土内部结构， 可有效缓冲冻融破坏力， 以此提高混凝土 的抗 冻性 。 本研究依据慢冻法冻融循环制度， 针对一定冻融循环次数 后的掺复合防冻剂负温混凝土和普通混凝土进行了试验研究 ， 得到了冻融循环后混凝土的抗压强度、 动弹性模量损失、 超声 波声速损失、 回弹值以及单轴压应力一应变关系等宏观量。试 验结果表明： 掺复合防冻剂负温混凝土与普通混凝土耐久劣化的差异 以及多种宏观性能劣化的敏感程度差别。 为更好地研究寒冷地 区混凝土的抗冻耐久性问题提供了试验依据。 1 试验 内容 1 1 试验所用原材料 水泥 ：冀东水泥股份有限公司生产的 P O 4 2 5 级水泥； 粗 骨料 ： 庆阳地 区长庆桥 的卵石 ， 骨料的压碎指标为 1 3 ， 经过 1 5 次 冻融循环试验其总质量损失小于 5 ； 细骨料： 为庆阳地区长庆 桥的细砂， 细度模数为 3 0 。 粉煤灰采用平凉华茂粉煤灰有限责 任公司 I I 级粉煤灰； 防冻剂： K D复合防冻剂， T M复合防冻剂； 水为当地饮用 自来水。 1 2混凝 土配合 比设 计 基准混凝土按 C 2 5 、 C 3 0 等级设计， 在此基础上分别加入 K D 复合防冻剂、 T M 复合防冻剂等， 配合比见表 1 。 表 1 混凝土配合比 2 试验 方法 本试验采用传统的水中冻融试验。 针对普通混凝土、 掺 K D 复合型防冻剂 、 T M 复合型防冻剂混凝土 ， 冻融制度参照 普通 混凝土耐久性和长期性能试验方法 中的慢冻法。 混凝土拟定冻 融的循环次数为 2 0 0 次， 每 5 0次冻融作为一个试验阶段对混凝 土强度进行测试 。 2 1 研 究 内容 本试验以混凝土冻融耐久性为研究内容， 主要进行了以下 几方面的工作 ( 1 ) 配制不同种类的混凝土作为研究对象， 其中包括普通 混凝土 、 负温混凝土 。 ( 2 ) 对混凝土进行冻融循环试验。 在冻融过程中测试混凝 土的抗压强度损失率。 ( 3 ) 通过抗压强度损失率来系统比较普通混凝土和负温混 凝土的抗冻性优劣。 2 2 试验 方案 本试验采用传统的水中冻融试验。 针对普通混凝土、 掺 KD 复合型防冻剂、 掺 T M 复合型防冻剂混凝土， 冻融制度参照 普 通混凝土耐久性和长期性能试验方法 中的慢冻法。 混凝土拟定 冻融的循环次数为 2 0 0 次， 每 5 0次冻融作为一个试验阶段对混 凝土性能进行测试。 冻融之前将试件浸泡于水中至恒重， 冻融之 后测试混凝土试件的抗压强度损失率。 冻融循环制度采用慢冻 法， 现简述如下： ( 1 ) 将混凝土试件标准养护至设定龄期后， 将试件置于 1 5 2 0的水中浸泡至饱和面的恒重( 至少 4 d ) 。 ( 2 ) 将浸泡完毕的试件， 用湿布擦除表面水分后编号， 之后 开始冻融试验。 ( 3 ) 冻融试验冻结时试件的温度保持在一 1 O _ 1 5， 冻结 时间不少于 4 h o 冷冻箱中试件间距不小于 2 0 1 T i m。 ( 4 ) 冻结结束后， 取出试件并立即将其放人融化水槽中。 水槽 中的水温保持在 1 5 2 0， 槽中水面至少高出试件表面2 0 n i l 1 ， 试件在水中融化的时间不少于4 h 。 ( 5 ) 融化完毕后该次冻融循环即结束， 取出试件依照上述 程序进行下一次冻融试验。 ( 6 ) 每 5 0 次冻融循环结束， 对汝降逆 抗压强度和质量测试。 3 试验结果及分析 以水中冻融时抗压强度损失率大小和混凝土质量损失率 多少来比较混凝土冻融耐久性优劣， 为西北地区冬季施工工程 实践提供理论指导。 混凝土抗压强度损失率见表 2 、 图 1 、 2 。 将表 2中的数据生成冻融次数一抗压强度损失率 曲线 ， ( D1 、 D2为基准混凝土， D3 、 D4掺 K D复合防冻剂混凝土， D 5 、 D 6为掺 T M 复合防冻剂混凝土， E 1 、 E 4 、 F 1 、 F 4为在一 5下养 护 7 d ， 标养 2 8 d ， E 2 、 E 5 、 F 2 、 F 5 为在一 1 O 下养护 7 d ， 标养 2 8 d ， E 3 、 E 6 、 F 3 、 F 6为在一 1 5下养护 7 d ， 标养 2 8 d ) 见图 l 、 2 。 表 2 抗压 强度 损失率 ( 1 ) 通过抗压强度损失率比较 ， 可以看出， 冻融循环在 5 0 1 0 0 次之间， 掺加复合防冻剂的混凝土强度损失率与未掺加复合 防冻剂混凝土的强度损失率相差较小； 冻融循环在 1 0 0 2 0 0次 之间， 普通混凝土强度损失率明显高于掺加复合防冻剂混凝土 强度损失率， 掺复合防冻剂混凝土的耐久性劣化速度明显小于 普通混凝土。 ( 2 ) 由于 KD复合防冻剂与 T M 复合防冻剂组分相似， 均 含有高效减水剂组分， 对 比其混凝土强度损失率 ， 相差较小， 满 足 G B T 5 0 4 7 6 -2 0 0 8 混凝土结构耐久性设计规范 要求， 适合 冬季混凝土施工。 39 薹 2 5 繁 o 1 5 簸 墨 加 s 一D2 一F 1 - - -+ -F 4 +D 4 +F 2 +F 5 D 6 一 F 3 一 F 6 一 一 l 5 0 1 O 0 l 5 0 2 0 0 冻融次数欣 图 2 C 3 0混凝土冻融次数与混凝土强度损失率关系曲线 差别较小， 负温养护不影响混凝土长期使用功能。 混凝土质量损失率见表 3 、 图 3 、 4 。 表 3 混凝土质量损失率 褂 辎 删 魑 廷 50 1 00 l 50 200 冻融次数欣 图 3 C 2 5 混凝土冻融次数与混凝土质量损失率关系曲线 将表 3中的数据生成冻融次数一混凝土质量损失率曲线， ( d 1 、 d 2为基准混凝土， d 3 、 d 4掺 KD复合防冻剂混凝土， d 5 、 d 6 为掺 T M复合防冻剂混凝土， e 1 、 e 4 、 f l 、 f 4为在一 5下养护 7 d ， 标养 2 8 d ， e 2 、 e 5 、 t 2 、 f 5为在一 1 O下养护 7 d ， 标养 2 8 d ， e 3 6 、 f 3 、 f 6为在 1 5下养护 7d ， 标养 2 8 d ) 见图 1 、 2 。 ( 1 ) 通过混凝土质量损失率比较 ， 普通混凝土质量损失率 明显高于掺加复合防冻剂混凝土质量损失率， 掺复合防冻剂混 凝土的耐久性劣化速度明显小于普通混凝土。 ( 2 ) 掺复合防冻剂混凝土试块 ， 在冻融循环 5 0次时 ， 少量 掺复合防冻剂混凝土试块， 出现混凝土质量增加。 这是由于试件 在冻融循环f 1 ； 用下 ， 其内部气孔有的已经破裂， 甚至产生了微 裂缝 ， 导致吸水率增加 ， 从而使混凝土的质量略有增加； 但随着 4 0 5 萎d 褂 3 咖2 趄 1 廷o 下转第 4 3页 如 加 m 5 O 9 6 、 瓣 鞲 醴 州 展， 并向下延伸。 虽然损伤场的出现区域并不是非常理想 ， 但其 已经出现了向外扩张的趋势， 之所以没有得到完整的损伤贯穿 是由于网格的划分不够细密， 另外， 还有在接触的位置 ， 由于非 线性运算的问题致使某些节点 ， 单元位移过大 ， 从而导致了计 算的不收敛。 影响了计算结果。 图 4混凝土单边切 口梁数值模 拟损伤场与文献 1 试验数据损伤过程区内的局部化带散斑图 进行对比， 两者的损伤趋势基本吻合。 4结论 本研究提出了新的混凝土受压损伤模型， 该数学模型不仅可 以较好地描述我国现行混凝土规范中给出的混凝土材料本构关 系， 而且由于引入了损伤变量， 可以用于混凝土结构的损伤分析。 该数学模型材料参数少、 易确定 ， 数学形式简单。 结合 A B AQ US 软件程序 ， 采用该损伤模型对单边切口四点剪切梁进行了算例 分析， 验证了数值结果的可靠性 ， 说明该损伤模型用于混凝土 结构工程分析是可行 的。 参考文献 ： 1 】 沈新普， 杨璐 混凝土损伤理论及试验 M 】 E 京： 科学出版社， 2 0 0 9 2 B A Z A N T Z P ， P I J A U DI E R C A B 0 T GN o n l o c a l c o n t i n u u m d a ma g e ， l o c ali z a t i o n i n s t a b i l i t y a n d c o n v e r g e n c e J A S ME J A p p 1 Me c h ， 1 9 8 8 ( 5 5 ) ： 2 8 7 2 9 3 3 DE B O R S T R， P A MI N J ， G E E R S M G， e t a 1 O n c o u p l e d g r a d i e n t d e 一 上接第 3 7页 ( 3 ) 距离混凝土表面 3 O固定钛合金阳极网， 在构件体内注 入电解液。 通人直流电， 程度约 5 6 d间脱盐。 适用于能够储存 电解液的混凝土构件。 3结 语 基于电化学技术的混凝土耐久性控制欲保护 ， 可以从更 加微观的角度来分析与研究混凝土相关 问题， 与传统技术相 比， 更加快速精确 ， 同时可以较好地实现无损化操作 ， 这对于 混凝土质量控制与保护技术而言 ， 是一项突破性的技术， 相信 随着研究的深入 ， 电化学技术可以在混凝土研究中发挥更大 的作用。 上 接第 4 0页 1 5 0 、 2 0 0次的强度曲线， 得出掺加复合防冻剂混凝土满足冬季施 工混凝土耐久性要求 ， 保证混凝土质量 ， 为西北地区冬季混凝 土施工提供理论依据。 ( 2 ) 经过 2 0 0次冻融循环之后 ， 掺复合防冻剂混凝土以及 对比用的普通混凝土的耐久性指数都达到了评价冻融循环抵 抗性最低指标( 6 0 ) 以上 ， 在水灰比相同时， 掺加复合防冻剂混 凝土比普通混凝土的耐久性指数高 ， 质量损失也有所减少。 ( 3 ) 通过对于混凝土强度损失率和质量损失率进行比较， ， 经 过 2 0 0 次冻融循环， 普通混凝土强度损失率和质量损失率明显高 于掺加复合防冻剂混凝土， 掺复合防冻剂混凝土的耐久J陛劣化速度 明显小于普通混凝土， 掺加复合防冻剂满足冬季混凝土施工要求。 参考文献 ： 1 慕儒， 田稳苓， 周明杰 冻融循环条件下混凝土中的水分迁移【 J J 硅酸 盐学报 ， 2 0 1 0 ( 9 ) ： 1 7 1 4 1 7 1 7 p e n d e n t p l a s t i c it y a n d d a ma g e t h e o r i e s wi t h a v i e w t o l o c a l i z a t i o n a n a l y s i s J E u r J Me c h MS o l i d s ， 1 9 9 9 ( 1 8 ) ： 9 3 9 - 9 6 2 【 4 】L U B L I N E R J ， O L L E R O S ， O N A T E E A p l a s t i c d a ma g e mo d e l f o r c o n c r e t e J I n t e r n a t i o n al J o u r n a l o f S o l i d s a n d S t r u c t u r e s ， 1 9 8 9 ， 2 5( 3 ) ： 2 9 9 3 2 6 5 G B 5 0 0 1 0 - - 2 0 1 0 ， 混凝土结构设计规范【 s E 京： 中国建筑工业出版 社 ， 2 0 1 0 【 6 NE D J A R B E l a s t o p l a s t i c d a ma g e mo d e l l i n g i n c l u d i n g t h e g r a d i e n t o f d a ma g e ： f o r m u l a t i o n a n d c o m p u t a t i o n a l a s p e c t s J I n t e rna t i o n al J o u rna l o f S o l i d s a n d S t r u c t u r e s ， 2 0 0 1 ( 3 8 ) ： 5 4 1 2 5 4 5 1 【 7 】沈新普， 王琛元， 周琳 钢筋混凝土损伤塑性模型与 A B A Q U S 计算叨 工程力学， 2 0 0 6 ( 6 ) ： 1 5 5 1 5 9 【 8 王玉镯， 傅传国 A B A Q U S 结构工程分析与实例详解 M 】 北京 ： 中国 建筑工业出版社 ， 2 0 1 0 【 9 】 庄茁， 由小川， 廖建晖 ， 等基于 A B A Q U S 的有限元分析与应用【 M 北 京： 清华大学出版社， 2 0 0 9 作者简 介 联 系地址 联 系电话 ： 薛志成( 1 9 7 2 一 ) ， 男， 副教授， 博士生， 主要从事结构抗震与 可靠性研究。 哈尔滨市松北区糖厂街 1 号 黑龙江科技学院建筑工程学 院( 1 5 0 0 2 7 ) 1 3 9 O 4 51 7 6 8 9 参考文献： 1 赵迁乔 ， 宋夫才 桥梁混凝土耐久性若干问题的探讨【 J 1 混凝土 ， 2 0 1 1 ( 5 ) ： 1 8 2 0 2 】 郑敏升 表面涂层材料对混凝土耐久性影响及应用研究 J _ 福建建设 技 ， 2 0 0 8 ( 3 ) ： 1 2 【 3 董宜森硫酸盐侵蚀环境下混凝土耐久性能试验研究 D 杭州 ： 浙江 大学， 2 0 1 1 【 4 】 涂全波 基于多时点氯盐环境下混凝土耐久性寿命预测 D 1 _ 广州： 华 南理工大学， 2 0 1 0 作者简介： 杨红玉( 1 9 6 6 一 ) ， 女， 副教授， 研究方向： 管理工程。 联系地址： 南通职业大学( 2 2 6 0 0 7 ) 联系电话 ： 1 5 0 8 2 5 3 6 7 9 0 【 2 12 刘远 ， 余学芳， 韦未 混凝土冻融随机损伤预测方法研究【 J 】 人民黄 河， 2 0 0 9 ( 1 1 ) ： 1 1 2 1 1 4 f 3 3 唐晓玲 ， 谢涛， 王斌 高性能混凝土抗冻性能试验研究【 J 1 _建筑技术， 2 0 0 9 ( 9 ) ： 8 4 6 8 4 8 【 4 牛建刚， 牛荻涛 荷载作用下混凝土的耐久性研究【 J 】 混凝土， 2 0 0 8 ( 8 ) ： 3 0 3 3 5 唐光普， 孙彬， 董振平， 等 巴家咀水库泄洪塔冻融耐久性评估 J 】 _ 东 南大学学报： 自然科学版 ， 2 0 0 6 ( 1 1 ) ： 7 7 8 2 6 6 赵霄龙， 卫军， 黄玉盈 混凝土冻融耐久性劣化的评价指标fJ 1 华中科 技大学学报： 自然科学版， 2 0 0 3 ( 2 ) ： 1 0 3 1 0 5 作者简介 ： 联系地址 联 系电话 周茗如( 1 9 6 2 一 ) ， 男， 硕士， 副教授， 主要从事建筑材料和建 筑节能的教学和研究。 甘肃省兰州市七里河区兰工坪路 2 8 7 号 兰州理工大学土 木工程学院( 7 3 0 0 5 0 ) 1 3 8 93 1 3 5 8 5 4 43