混凝土抗冻性

混凝土抗冻性（精选8篇）

混凝土抗冻性 篇1

目前, 人们仍然在研究混凝土抗冻性, 不断尝试多种途径来改善混凝土的抗冻性。尽管有多种理论解释冻坏机理, 但并没有哪一种得到普遍认同。根据国内外研究提出的机理成果, 人们进行了很多改善混凝土抗冻性的探索, 主要有改变水灰比、添加外加剂 (引气剂、减水剂等) 、掺加粉煤灰等措施。

本文主要研究对象为混凝土抗冻耐久性, 采用快冻法进行试验, 主要内容为:

(1) 对不同配比混凝土进行冻融循环实验, 测试其有关性能 (质量损失率、相对动态弹性模量等) 。

(2) 对不同掺合料掺加量混凝土进行冻融循环试验, 测试其有关性能 (质量损失率、相对动态弹性模量等) 。

1 试验原材料及试验方法

1.1 试验方案及配合比设计

本次试验选择配制了不同水灰 (胶) 比的混凝土, 掺加不同量掺和料 (混合材) 、掺入化学外加剂 (引气剂或减水剂) 的混凝土, 进行冻融试验, 分析其与抗冻性之间的关系。

1.1.1 试验方案

配合比设计, 注意两个指标, 一是新拌混凝土的坍落度控制在80mm±10mm, 这是为了接近于施工现场;二是含气量控制在6%±1%。

冻融试验:采用GBJ82-85中的快冻法试件, 将成型尺寸为100mm×100mm×400mm的标准混凝土试件预养到一定龄期后进行冻融循环试验。

1.1.2 配合比设计

(1) 设计水胶比分别为0.4、0.5的混凝土, 其单位体积材料用量及配比见表1。

(2) 设计粉煤灰掺量分别为15%、30%的混凝土, 其单位体积材料用量及配比见表2。

(3) 设计高岭土掺量分别为15%、30%的混凝土, 其单位体积材料用量及配比见表3。

1.2 试验原材料

(1) 水泥。采用华新堡垒P·O42.5普通硅酸盐水泥, 化学成分见表4。

(2) 砂石 (细骨料, 粗骨料) 。依据《建筑用砂》 (GB/T14684-2001) 和《建筑用卵石、碎石》 (GB14685-2001) 。

(3) 掺合料。粉煤灰采用I级粉煤灰, 性能指标及化学成分见表5。

(4) 化学外加剂。所掺化学外加剂为聚羧酸系高效减水剂。以GB8076-1997为检测依据, 聚羧酸系高效减水剂的技术指标见表6。

2 试验内容及数据分析处理

2.1 冻融试验前期准备工作

2.1.1 试件制备

国家标准《水工混凝土试验规程》 (DL/T5150-2001) 、《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》 (GBJ82-85) 中的混凝土快速冻融循环试验要求的试件均为100mm×100mm×400mm的棱柱体。制备的6组混凝土试件, 包括不同水胶比、不同配比及不同粉煤灰掺量等, 成型的实际配合比见表7。根据国家规定快冻法的规范要求, 混凝土试件成型1d后脱模, 然后放进标准养护室, 养护至28d后, 将试件浸泡于水中4d, 然后开始准备冻融试验。

2.1.2 冻融试验

() 冻融设备

本试验采用的冻融设备是TDRF-2型风冷式混凝土快速冻融装置。

(2) 冻融制度

本试验是研究混凝土试件在水中经受冻融循环后的物理力学性能, 实行“快冻法”制度, 水冻水融, 温度范围-17~8℃, 每个循环周期时间2.5~4h, 其中1.5~2.5h用于冰冻作用, 温度下降速率均衡, 试件中心达到最低温后开始解冻, 融化时间大约1~1.5h。初步确定每运行25个循环后, 测试混凝土试件的动态弹性模量和质量。

2.2 混凝土冻融试验结果与分析

2.2.1 质量损失分析

冻融过程中混凝土试件的质量损失由两方面组成:一方面是试件表面浆体乃至粗细集料的脱落引起, 这部分是质量损失;而另一方面, 随着冻融次数增加, 混凝土试件内部微裂纹的数量和体积逐渐增大, 这些裂缝吸水就会导致混凝土试件质量增加。在实际冻融试验过程中, 多数时候前者的质量损失要大于后者的质量增加, 总体表现为质量损失;只有冻融试验初期 (如50次循环之前) 才会出现试件质量增加的情况。

表8给出了六组混凝土试件在不同冻融循环次数后的质量损失。可以看到, A、B两组试件质量损失始终为正, 且不断增大;C、D两组基本呈现负的质量损失, 这表明其在冻融阶段质量在增加;而在50次冻融循环后, E、F两组的质量基本没有变化, 只在75次冻融循环后出现较明显变化, 且小于其他四组。分析如下:

A、B两组试件的表面浆体和粗细集料脱落导致的质量损失超过了混凝土吸水 (由混凝土内部裂纹的增加和膨胀等导致) 引起的质量增加, 导致其质量损失不断增加;A、B两组外观破损较为严重;C、D两组的表面脱落较少, 由于吸收水分反而使得试件质量增加;E、F两组试件在前期冻融过程中, 质量损失与质量增加基本相互抵消, 故这两组试件质量没有出现太大变化。

图1显示了混凝土在冻融循环后的质量损失率变化曲线。可以看到, A组试件在25次冻融循环后有明显质量损失, 之后趋势减缓, 但大大高于其他组;B组试件的质量损失也从25次冻融循环后一直呈逐渐上升趋势, 比较稳定, 低于A组试件;C组试件在25次冻融循环后质量几乎没有变化, 而在50次冻融循环后其质量损失为负, 且在75次冻融循环后质量仍在增长;D组试件变化趋势与C组相似, 但其质量增加更为明显, 在25次冻融循环后质量损失, 在50次 (以及75次) 冻融循环后质量损失明显下降;E组和F组在50次冻融循环前质量都基本不变, 在75次冻融循环后, E组出现质量增长, 而F组为质量损失, 但变化量都很小。

A组与C、D组对比:A组为普通混凝土, 而C、D组为粉煤灰混凝土, 其中C组粉煤灰掺量为15%, D组粉煤灰掺量为30%;A组试件在冻融后出现了较大质量损失, 而C、D组试件在冻融后均出现质量增长;从外观看, A组试件表面剥落较多, 而C、D两组试件剥落较少。由此来看, 掺加粉煤灰有利于改善混凝土抗冻性。

A、B两组与E、F两组对比:四组试件均为普通混凝土, 其中A、B两组试件的砂率为0.23, 而E、F两组试件的砂率为0.40;A、B两组试件在冻融后出现了较大质量损失, E、F两组试件在冻融循环后质量损失很小;A、B两组试件在冻融后受到的破坏比E、F两组试件更为严重。低砂率意味着粗骨料的含量很高, 会导致单位体积内砂浆量不足, 粗骨料无法被充分包覆, 混凝土的黏聚力较差, 在受到冻融作用时比较容易受到破坏, 即过低的砂率会导致混凝土的抗冻性不足。

2.2.2 动态弹性模量变化分析

混凝土的冻融劣化是一个由致密到疏松的物理过程, 动态弹性模量的下降是这种疏松过程的外在反映。混凝土内部存在的一些原始微裂缝或缺陷, 冻融过程中这些微裂缝逐渐扩展, 并有新微裂缝或缺陷不断产生, 导致动态弹性模量下降。本试验采用TD-14型动弹仪测得混凝土试件的动态弹性模量, 然后将该值与混凝土试件未进行冻融的初始动态弹性模量的比值作为相对动态弹性模量Pn。

表9为六组混凝土试件在不同次数冻融循环后相对动态弹性模量的变化情况。在25次冻融循环后, A、B、E、F四组的相对动态弹性模量下降均超过5%, 其中F组达12.13%, 而C、D两组下降不足5%;在50次冻融循环后, A、B、E、F四组的相对动态弹性模量下降均超过10%, 其中E、F两组超过15%, 而C、D两组下降不到10%;在75次冻融循环后, 各组试件均下降超过20%, 其中A、B两组分别下降35.29%和39.09%。

图2为不同冻融循环次数后试件的相对动态弹性模量变化曲线。图中显示了六组试件的相对动态弹性模量随冻融循环次数增加表现出的变化趋势。

C、D两组的相对动态弹性模量下降趋势较其他几组缓慢, 且D组下降速度略慢于C组。这是由于粉煤灰的火山灰效应与浆体中的氢氧化钙反应形成水化硅酸钙, 并填充于水泥水化产物孔隙中, 改善了混凝土的宏观性能, 使混凝土更密实、含水率下降, 微观方面减小了混凝土的平均孔径, 使混凝土的抗冻性增强;且粉煤灰的掺入可以有效控制水泥水化的早期放热, 减少水化热对混凝土结构的损坏, 从而改善混凝土的抗冻性。

A、B两组试件在前50次冻融循环表现稳定, 但在75次冻融循环后出现大幅下降, 幅度比E、F组大。A、B砂率为0.23, 而E、F砂率为0.40, 导致A、B组试件内部裂纹在冻融过程中生长和扩展较E、F组更快, 因此, 选择合理的砂率对混凝土抗冻性也很重要。

3 结语

(1) 水胶比越大, 冻融作用造成的破坏越大, 宏观表现为在相同的冻融循环次数后, 混凝土的质量损失和相对动态弹性模量等性能指标下降更快。

(2) 粉煤灰的掺入有利于提高混凝土的抗冻性。在冻融循环后, 粉煤灰混凝土的质量损失、相对动态弹性模量等性能指标表现比普通混凝土更优异, 但粉煤灰的掺入量并非越大越好, 试验结果表明, 粉煤灰掺量为30%时, 抗冻性能已经下降。

(3) 砂率对于混凝土的抗冻性也有影响。砂率过低, 则单位体积混凝土内粗骨料的份量很大, 浆体所占比例较小, 对混凝土内部的黏聚力和孔隙结构极为不利, 试验中砂率较低的试件也确实更早出现骨料剥落现象, 因此, 砂率的选择不宜过低。

混凝土抗冻性 篇2

关键词：冬施 混凝土 保温 措施 临界 防冻剂

0 引言

因区域原因本地适合在冬季施工，但是冬季施工的成本高，质量不易控制，拆模时间延长影响工期。因此冬季施工比较繁重，在质量控制上要严格要求以此达到合格产品需求。之所以会产生混凝土冻害，主要是因为混凝土土体内的水分受低温或负温环境的影响而结冰膨胀，使混凝土内部结构遭到破坏。在混凝土浇筑时产生冻害，将延长混凝土硬化时间，同时也会降低混凝土强度，而且强度损失会随着冻害持续时间的延长和环境温度的下降而增加；在混凝土硬化时产生冻害，也将严重破坏混凝土内部结构，由于此时混凝土内部含有大量未水化水分，冻害一旦发生，这些水分就会结成冰晶使体积膨胀，而且此时混凝土强度较低，水分结冰体积膨胀后会很轻易的破坏混凝土结构；混凝土强度满足设计要求后，如果经历反复冻融也会破坏混凝土结构。

根据上述混凝土的抗冻理论的分析，将受冻前混凝土临界强度定义为：当混凝土的早期强度达到临界强度时，可抵抗冰冻引起的破坏。实践证明，水泥品种、水灰比、降温速率等都是影响混凝土抗冻临界强度的汉族要因素，而且对于抗冻临界强度，素混凝土与掺防冻剂混的凝土存在一定的差别，可根据规定确定强度数值。一般来讲；在受冻以前，普通混凝土受冻临界强度应达到：硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥配制的混凝土应为设计强度标准值的30%；C10及以下的混凝土不得低于5.0N/mm。掺防冻剂的混凝土，当室外最低气温不低于-15℃时，不得小于4.0N/mm；当室外最低气温不低于-30℃时，不得小于5.0N/mm。任何情况下，混凝土受冻前的强度不得低于5N/mm。

冬期混凝土施工的特点在于需采取必要的措施，以消除低温对混凝土硬化所产生的不利影响，保护混凝土在达到规定强度以前不受冻害。

1 冬期施工对原材料的要求

1.1 冬季施工的抗冻混凝土的原材料应符合下列规定：

1.1.1 水泥应该采用硅酸盐水泥或者普通硅酸盐水泥，严禁使用高铝水泥，高铝水泥的重结晶将导致强度下降，对钢筋的保护作用比硅酸盐水泥差。

1.1.2 粗骨料宜选用连续级配，含泥量不得大于1.0％，泥块含量不得大于0.5％。。

1.1.3 细骨料含泥量不得大于3.0％，泥块含量不得大于1.0%。

1.1.4 粗细骨料均应进行坚固性试验，并应该符合粗细骨料检验方法标准的规定，所用的骨料必须清洁，不得含有冰、雪等冻结物以及易冻裂的矿物质。

1.1.5 抗冻等级不小于F100的抗冻混凝土宜掺用引气剂。

1.1.6 在钢筋混凝土和预应力混凝土中不得掺用含有氯盐的防冻剂，在预应力混凝土中不得掺用含有亚硝酸盐或碳酸盐的防冻剂。掺有钾、钠离子防冻剂的混凝土，不应混有活性二氧化硅成分的骨料，以免发生碱骨料反应，导致混凝土的体积膨胀，破坏混凝土的结构。

1.2 过程控制

1.2.1 原材料加温。为保证混凝土在达到规定强度以前不受冻害的要求，原材料预先要加温：首先应优先加热水，其次是砂石，水的热容量约为骨料的五倍；水泥不得加热但要保持正温，不得露天存放水泥。

1.2.2 防止混凝土热量散失。尽可能减少混凝土用水量，降低水灰比。使用水化热高的水泥及掺加早强剂来提高混凝土的早期强度。

运输混凝土时，将一层保温材料覆盖在运输罐车上，以降低运输途中混凝土热量散失。在拌制混凝土的过程中，为了避免混凝土热量散失，可先用热水冲洗搅拌机，提高机器的温度。

2 提高施工及养护过程中的环境温度

2.1 装设保温帘，以减少建筑物与外空气对流，对冷空气也能起到阻碍作用。将火炉分别安放于入口和混凝土台车旁，使进入建筑物内的冷空气预热，确保混凝土的施工及养护温度。在每层地面上间隔3米生炉子，保证在达到临界前的温度维持在正温以上。

2.2 构件施工后要注意加盖棉被保温。拆模后用电热毯包住混凝土表面进行加热，再用棉被覆盖在电热毯外侧，确保养护温度，以快速提高强度到临界强度。

2.3 冬期施工中，施工单位必须随时关注并收集当地的气象信息。做好施工当天的气象信息记录，尤其注意防止寒流突袭，在施工准备阶段就做好防止天气突变引起的冻害。

2.4 及时为一线施工人员添置防寒衣物，确保工人的身心健康。在施工现场、员工宿舍、食堂等允许的场所中安装取暖设施；固定场所施工要为机械设备搭建防寒棚，并定期维修和保养，确保冬期施工活动能够顺利开展。

3 添加剂（防冻剂）的使用

新浇混凝土在0度以下会受冻破坏。需要采取保温措施，使混凝土达到临界受冻强度之前不被冻坏。有蓄热法、综合蓄热法、蒸汽养护法、电加热法、暖棚法、负温养护法等。采用综合蓄热法、蓄热法、负温养护法时，要通过掺加混凝土防冻剂来降低拌合物冰点，使混凝土在负温下保持一定的液态水，以供水泥水化，使混凝土在受冻前达到规定的强度。一般情况下，防冻剂主要包括以下四种成分：

3.1 早强成分。这种成分能促進混凝土的凝结硬化，使混凝土在短时间内达到抗冻临界强度，这反过来也会对混凝土硬化起到加速的作用，进而使混凝土强度的形成摆脱低温和负温条件的影响。

3.2 引气成分。将微米级的细小气泡(有益气泡)引入混凝土土体内部，一是为了切割、封闭混凝土内的连通孔道(有害孔道)，减轻冻胀时的裂纹扩展；二是在于引入的有益气泡具有膨胀“缓冲器”的功能，能吸收冰晶膨胀应力，防止冻害蔓延。研究发现，将3.5%的气体引入混凝土土体内，可缩小6.6%的体积膨胀，尤其是在成龄环节，可引入适量的气体可增加混凝土的抗冻融能力，提高其耐久性能。

3.3 减水成分，其作用有：①减少拌合水和游离水总量，进而使可冻冰的含量降低，从根本上防治冻胀病害。②减水成分具有分散作用，可利用此功能释放包裹水，消除劣质水泡，进而使粗大的冰晶变为细小的冰晶，优化水泥水化环境，防止冰晶带来更大的胀冻压力。

3.4 防冻成分使混凝土在负温下硬化，并在规定养护条件下达到预期性能的材料。其中氯离子含量≤0.1%的防冻剂称为无氯盐防冻剂。

4 结束语

我国当前生产的混凝土防冻剂一般允许在-10℃～-15℃之间使用，最低温度不能低于-15℃～-20℃，否则不利于防冻剂的配备，同时也会增加很多不确定因素。鉴于这一因素的考虑，似乎对于某些情况来说没必要对防冻剂的最低使用温度做硬性的要求，但必须把握好一个重点，即在温度下降并接近防冻剂使用温度前，混凝土强度必须达到抗冻临界强度。

参考文件：

[1]《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-2011.

[2]《混凝土防冻剂》.JC475-2004.

混凝土抗冻性 篇3

关键词：高寒高海拔地区,混凝土抗冻性,试验

由于我国土地广阔, 而且高寒高海拔地区所占地域颇多, 所以混凝土在桥梁, 隧道工程的建筑中难免会出现破坏的问题。其中在高寒高海拔等地区的影响最为明显, 混凝土建筑物被损害的程度更加夸张。

1 目前国内外对混凝土抗冻性研究的现状

目前世界各个领域对混凝土抗冻性的研究试验都颇感兴趣, 凸显出了混凝土的抗冻性能目前存在的问题过多, 需要逐一的解决。并且国内外的各种机构都对混凝土的性能开展了相关的学术研究, 试图提高混凝土的抗冻性能以及其它方面的性能。

1.1 目前国外研究的现状

在二十世纪四十年代期间, 早有国外的相关机构就针对混凝土抗冻方面的性能开展了研究试验, 总结出来的理论主要有静水的压力学说, 其中在冻结的过程中, 低温可以通过混凝土建筑物的四面八方进行渗透, 形成之后再封闭混凝土建筑物。随着温度的持续降低, 会持续扩大冰冻的影响范围, 从而导致混凝土建筑物会产生过量的细纹, 并逐步的遭受损坏。因此要对混凝土建筑物中孔间距系数进行优化, 增强混凝土的抗冻性能。

在之后长期的研究实验中又不断有新的发现, 水在水泥浆体的流动中是跟随着冷冻源的移动而移动, 于是渗透压力论学说又随之产生。由于负温度状态下的水是首先冻结的, 从而增大了溶液的浓度, 使得浓度差在毛细孔和凝胶孔内溶液两者之间越增越大, 在扩散的同时, 渗透压也随之生成。所以一旦混凝土中的饱水总和突破临界点时, 混凝土的损坏程度也会随之增高。并经过后期相关机构和相关学者不断的研究试验得到论证, 即当混凝土建筑物处于长期的冻融循环周期时, 混凝土的抗冻性能还受到了天气变化以及冻融循环周期的影响。

1.2 国内的研究现状

在国外对混凝土的抗冻性能进行研究试验的同时, 我国对混凝土的抗冻性能也开展了长期的研究试验, 并取得了一定的成效。

高抗渗的混凝土由华南理工大学试验成功;混凝土中耐久性的应用试验是由冯乃谦等进行的;同时哈尔滨工业大学的教授也针对混凝土在盐渍溶液中的冻融循环等展开了研究试验。还有许多机构和学者对混凝土抗冻高性能的关注度颇高, 并且国家以及各省也针对混凝土高性能的研究试验提供了资金上的帮助。全国建筑物鉴定与加固委员会被建立, 有许多的学术讨论会议在这里展开, 并在之后国内陆续构建了全国钢筋混凝土结构耐久性的设计规定以及中国土木工程学会混凝土与预应力混凝土学会, 混凝土耐久性的相关委员会等, 不难发现国家对混凝土抗冻等性能的重视程度。在国内一系列的课题研究下, 将混凝土高寒高海拔形势下的抗冻性能中的负温力学性能、早期开裂、以及温度变形和干缩变形等的规律进行了系统的归纳总结, 同时将混凝土在不同负温状态下的冻融损坏机理提出了更为开拓的研究空间, 进一步对其进行了精细的阐述, 并针对如何有效提高混凝土中的抗冻性能提出了行之有效的解决渠道。

2 如何有效提高混凝土的抗冻性能

通过对混凝土冻融机理的分析研究, 力求找寻出提高混凝土抗冻性能的最有效渠道。

2.1 浅析混凝土冻融的破坏机理

由于冻融而引发的混凝土表体材料受到的大小不一的开裂破损等现象以及在冻融后引发的混凝土建筑物内部的破坏造成的混凝土根本性质的变动导致动弹性的模量大幅度降低的现象, 这两种现象都是混凝土受到冻融破坏中的主要状况。凝胶孔和毛细孔以及气泡等是混凝土构件孔隙的主要组成, 并且混凝土的抗冻性能并不能通过孔隙率来决定, 在一定程度上依赖于孔隙分布状态。假使负温度状态保持稳定, 则在混凝土的构件中只有一部分水为可冻结, 可冻结水在混凝土构件内产生的范围是破坏程度的直观表现。

另一方面, 混凝土中孔隙率的孔分布是连续性的, 水在这些分布区域中的冻结次序是逐一进行的, 同一时间冻结的几率非常低。水泥浆中最主要的溶液是盐类稀溶液, 在发生冰冻之后, 会转化为冰以及更高浓度的溶液, 在负温度的状态发生不同变化时, 其浓度也会随之不断变化。

此外, 水分在水压的压力影响下, 会发生一系列的冻结膨胀的变化, 多余的水在水压的作用力下将向外流推动, 逐渐抵消水流产生的压差。另外要充分运用引气混凝土, 能够为混凝土的抗冻性能提供强有力的保障, 并且要充分结合施工过程中的相关案例, 尽量避免使用吸水率高的骨料的, 使用较小粒径的骨料, 能够提高混凝土的抗冻性能。

2.2 针对如何提高混凝土抗冻性能的有效策略

第一, 适量的加入引气剂和减水剂。减水剂的加入可以有效的提高混凝土的工作性能并对其组分不构成影响或改变, 在这种状态下, 用水量进行适当的减少, 能够将水灰比减小。在对混凝土的工作性能和强度不构成影响的背景下, 对水和水泥的使用量适当的减小, 特别是高效减水剂的分散功能在水泥的颗粒中有很显著的作用, 能够将混凝土的工作性能大幅的改善。

引气剂的适量加入能够将稳定性极高的小气泡引入到混凝土中, 能够有效的阻隔毛细孔和孔隙的连续性, 将混凝土中的毛细孔通道有力的隔断。同时还可以对裂缝的扩大进行有效的控制, 引气剂还具备一定程度的减水功能, 能够将混凝土构件中比较大的毛细孔通道进行合理的减少。所以引气剂的适当加入可以有效的将混凝土的密实程度和抗渗透性能进行巩固, 并且引气剂中的小气泡能够在冰产生膨胀时进行压力缓解, 并将渗透压力也一并的缓解, 进一步提升混凝土的抗冻性。

第二, 要对水灰比进行有效的控制。在混凝土的密实程度中水灰比是关键要素, 水灰比减小则会更进一步提升混凝土的抗冻性。在现阶段的有力措施是将减水剂进行适量的加入, 尤其是高效减水剂的应用。通过施工经验和有力数据分析, 高效减水剂的适量加入大大提升了混凝土的抗冻性能。

第三, 要提前掺入防冻剂有效保护混凝土。在高寒高海拔地区有特定的一套混凝土加热热养护方法, 其中有电热法、蒸汽养护法和热拌混凝土的蓄热养护方法等。与此同时在早期阶段适量的掺入防冻剂进行, 能够使得混凝土在负温度的状态下获得有效的保护, 并将抗冻性能大大提高。

第四, 选用优质坚实的的集料。集料对混凝上抗冻性影响主要是集料吸水率的影响及集料本身抗冻性的影响, 因此吸水率小, 抗冻性强的集料是拌制混凝土的首选材料。混凝土冻结破坏的程度和范围取决于石料的密度, 密度越大, 孔隙越少, 同时集料粒径越大, 比表面积越小, 界面受冻破坏的可能性就越大, 为了保证混凝土抗冻性, 可以考虑改变混凝土的结构, 建议应用粒径较小的碎石混凝土, 提高混凝土的抗冻性能。

3 总结

本篇文章通过对大量的施工经验和相关数据的分析, 综合出小部分提高混凝土抗冻性的有效策略, 相信在技术水平的不断完善下, 能够推动我国建设事业的进步发展。

参考文献

[1]曹永康.解读"混凝土抗冻性的定量化设计"一文[J].混凝土与水泥制品, 2011, (7) :1-3.

[2]吴峰涛.混凝土抗冻性试验研究[J].建筑工程技术与设计, 2014, (23) :792-793

纤维素纤维混凝土抗冻性试验研究 篇4

冻融破坏是指水工建筑物在浸水饱和或潮湿状况下,由于温度正负交替变化,使混凝土内部孔隙水形成静水压、渗透压及水中盐类的结晶压等,产生疲劳应力,造成混凝土由表及里逐渐剥落的一种破坏现象[1]。渠道衬砌一般为素混凝土薄板结构,在我国北方地区极易产生裂缝,从而引发冻胀破坏。渠道混凝土一旦发生冻害,表面将会产生大面积剥落,严重影响混凝土的耐久性能和正常使用性能。有关报道表明,国内许多输水渠道已经明显出现不同程度的冻融破坏现象[2,3]。因此,开展此类混凝土抗冻性研究,减少冻害,提高使用寿命,已成为迫切需要解决的问题。

吴中伟认为,复合化是水泥基材料高性能化的主要途径,纤维增强则是核心[4]。纤维素纤维是新一代高性能纤维,它具有分散性好、弹性模量较高、施工方便、成本低廉等优点。目前,关于合成纤维、钢纤维混凝土抗冻性能的研究较多,但关于纤维素纤维混凝土抗冻的研究较少。因此,研究如何提高纤维素纤维混凝土的抗冻性,对这种材料在寒冷地区的应用推广很有实用价值。

本文采用快冻法对纤维素纤维、聚丙烯纤维混凝土的抗冻性能进行研究,分析了纤维掺量对混凝土抗冻性能的影响规律,探讨了纤维素纤维改善混凝土抗冻性能的机理,以便为纤维素纤维在工程中应用提供参考。

1 试验研究

1.1 试验用原材料

水泥为P·O 42.5级普通硅酸盐水泥;粉煤灰为Ⅱ级灰,烧失量4.6%,需水量比99%;砂为中砂,细度模数2.3;石子为粒径5~25mm连续级配碎石;减水剂为聚羧酸类高效减水剂;水为普通自来水;纤维素纤维采用上海某公司产片状纤维,纤维素纤维及聚丙烯纤维的规格和性能见表1。

1.2 混凝土配合比

混凝土配合比见表2。

1.3 试件制作与试验方法

本试验主要按照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法》中的快冻法进行。抗冻试验试件尺寸为100mm×100mm×400mm,每种纤维掺量浇筑3个试件。试件浇注24 h后脱模,在(20±3)℃的水中养护,水面高度高出试件表面10cm,28d龄期时取出水中浸泡的试件直接用于试验。试验采用KDR-V型冻融试验机和DT-W18型动弹模测定仪。主要试验步骤为:(1)将已浸水的试件擦去表面水分后,称初始质量。(2)测量试件的初始自振频率,作为评定抗冻性的起始值,同时做必要的外观描述或照相。(3)将试件装入试件盒中,按冻融介质要求,注入淡水,水面应浸没试件顶面10mm。(4)每冻融循环25次对试件检测一次,测试时,将试件从盒中取出,冲洗干净,擦去表面水分,测定自振频率和质量,做必要的外观描述或照相,每次测试完毕后将试件掉头,重新装入试件盒,注入淡水,继续试验。在测试过程中,为防止试件失水,待测试件用湿布覆盖。(5)冻融至预定的循环次数,停止试验。

2 试验结果及分析

试验时混凝土拌和物满足坍落度和和易性要求,保水性、流动性和粘结力较好,并且纤维素纤维混凝土的立方体抗压强度和劈裂抗拉强度与素混凝土相比有明显提升。

2.1 质量损失率

质量损失率可反映混凝土冻融循环后抵抗剥落的能力,是评价混凝土抗冻性能的一项重要指标。图1为不同纤维掺量混凝土试件质量损失率随冻融循环次数变化的规律曲线,由图1可见:

(1)混凝土质量损失率随冻融循环次数的增加而增大,175次循环前,纤维混凝土和素混凝土的质量损失率差别不大,即在冻融循环初期,纤维对改善混凝土抗冻性能的作用不大,这是因为早期混凝土的初始缺陷对其抗冻性能的影响比纤维要明显。

(2)175次循环后,素混凝土和聚丙烯纤维混凝土质量损失率曲线的斜率增大,说明素混凝土和聚丙烯纤维混凝土的质量损失加速发展,而纤维素纤维混凝土的质量损失率曲线比较平稳,甚至比其前期的变化速度要小,说明175次循环后纤维素纤维对混凝土抗冻性能的正面作用开始显现。

(3)素混凝土与纤维素纤维混凝土质量损失率的差值随纤维素纤维掺量的增加而逐渐增大,且冻融次数越多差值越大,即随冻融循环次数的增加,纤维对混凝土质量损失率的改善作用越明显,掺量越大,改善效果越好。并且纤维素纤维对混凝土质量损失率的改善作用明显优于聚丙烯纤维混凝土。300次循环后,素混凝土的质量损失率为5.12%,U-1、U-2、U-3和PP-2试件的质量损失率分别为3.05%、3.08%、2.39%和4.20%,素混凝土的质量损失率是纤维素纤维混凝土的1.66~2.14倍,是聚丙烯纤维混凝土的1.22倍。400次循环时,素混凝土的质量损失率已达8.87%,聚丙烯纤维混凝土的质量损失率为7.00%,而纤维素纤维混凝土质量损失率均小于4%。可见,纤维素纤维的掺入,明显降低了混凝土在冻融过程中的质量损失。

2.2 相对动性弹模量

有些时候质量损失不能很好地反映混凝土的剥落情况,因为随着冻融循环次数的增加,试件的饱和程度逐渐提高,而且试件内部也不断出现微裂缝,这些裂缝吸水饱和,抵消了一部分试件表面剥落引起的质量损失;试件表面剥落较少时,还有可能使冻融循环后的质量增加,导致测得的质量损失存在误差[5]。

相对动弹性模量是用动弹性模量测定仪根据超声波检测原理测定共振频率,再由公式(1)计算而得到的。该检测方法不损伤试件,测试之后可以继续试验,大大减少了试件数量和试验时间,因此被众多规范采用,作为一种反映混凝土冻融破坏的指标[5]。相对动弹性模量降低,表明混凝土中微裂基体内储存的变形能释放,裂缝尖端应力集中开始向附近的水泥基体伸展[6]。混凝土的冻融劣化是一个由致密到疏松的过程,相对动弹模正好反映了该变化过程。为研究纤维掺量对混凝土相对动弹模的影响规律,绘制了不同纤维掺量混凝土的相对动弹模随冻融循环次数变化的规律曲线,见图2。

式中,Pn为经N次冻融循环后一组试件的平均相对动弹性模量,%;fn为经N次冻融循环后一组试件的平均横向基频,Hz;f0为冻融循环试验前一组试件的平均横向基频初始值,Hz;Wn为经N次冻融循环后一组试件的平均质量,g;W0为冻融循环试验前一组试件的平均质量,g。

分析图2可知,混凝土的相对动弹性模量随冻融循环次数的增加而减小。175次冻融循环前,五组混凝土的相对动弹性模量无明显差别,且相对动弹性模量的下降速度相对缓慢,可见,纤维素纤维对早期相对动弹性模量的影响不明显。175次冻融循环后,素混凝土与聚丙烯纤维混凝土的相对动弹性模量下降速度很快,而纤维素纤维混凝土在200次循环之后下降速度才稍有增加。随冻融次数的增加,纤维素纤维混凝土与素混凝土相对动弹性模量的差值越来越大;当达到300次循环时,C-0试件的相对动弹性模量降为58.35%,PP-2降为65.92%,而纤维素纤维混凝土的相对动弹模均大于70%。400次循环后,纤维素纤维混凝土的相对动弹性模量均大于60%,说明纤维素纤维混凝土具有较强的抗冻性能。三组纤维素纤维混凝土试件的相对动弹性模量基本保持一致,说明纤维素纤维掺量在0.9~1.3kg/m3之间时,纤维掺量的变化对相对动弹模的影响不明显。

2.3 抗冻耐久性系数

耐久性系数DF可反映肉眼无法鉴别的混凝土冻融劣化程度。国内外通常用其评价混凝土的抗冻性,其计算方法见式2。

式中,DF为经N次冻融循环后一组试件的抗冻耐久性系数,%;N为冻融循环达到以下3种情况之一时的试验次数:(1)达到规定的冻融循环次数;(2)试件的相对动弹性模量下降到60%以下;(3)试件的质量损失率达5%;P为经N次冻融循环后一组试件的相对动弹性模量,%。

达到400次冻融循环后混凝土的抗冻耐久性系数见图3。分析可知,素混凝土的抗冻耐久性系数较低,仅58.10%;聚丙烯纤维的耐久性系数比素混凝土有所提高,为素混凝土的1.11倍;纤维素纤维混凝土的耐久性能明显改善,纤维素纤维掺量为0.9kg/m3、1.1kg/m3、1.3kg/m3的混凝土抗冻耐久性系数分别是素混凝土的1.50、1.49和1.53倍;当纤维素纤维掺量在0.9~1.3kg/m3之间时,抗冻耐久性系数的差别不大,说明纤维掺量在0.9~1.3kg/m3之间时掺量的变化对混凝土耐久性能的影响不明显。

2.4 抗冻等级

实际工程中,混凝土的抗冻性一般用抗冻等级表示,以相对动弹性模量下降至初始值的60%或者质量损失率达5%时的最大冻融循环次数作为混凝土抗冻等级,用符号F表示。抗冻等级≥F50的混凝土称为抗冻混凝土。试验测得素混凝土的抗冻等级为F275,聚丙烯纤维混凝土的抗冻等级为F325,纤维素纤维混凝土的抗冻等级均大于F400。

3 作用机理分析

目前,解释混凝土发生冻害的机理主要有以下两个方面:其一是静水压力,由于结冰时的体积膨胀使得未结冰的孔中溶液受压,从而向混凝土体内迁移。孔中溶液在水泥浆体中移动时必须克服粘滞阻力,形成水的压力梯度,因而产生静水压,对混凝土产生破坏[7];其二是渗透压力,在负温条件下,大孔及毛细孔中的溶液首先有部分冻结成冰,溶液中的水从中冻结出来,使溶液的浓度变大,毛细孔与凝胶孔内溶液之间存在着浓度差,从而引起从凝胶孔向毛细孔的扩散作用,形成渗透压[8,9]。

纤维素纤维可改善混凝土的抗冻性能,首先是纤维素纤维即使在掺量很小的情况下纤维数量也非常多(15.9亿根/kg)[10],数目众多的纤维在水泥基材内部乱向分布形成空间三维网络结构,桥连了混凝土基体,优化了孔结构,改善了水泥基材的内在品质,有效地抑制了混凝土早期微裂缝的产生,并能推迟混凝土初始裂缝的扩展,从而提高了混凝土的抗渗性能,使混凝土内不会产生很大的渗透压力;其次,纤维减小了水泥基材内部原有的孔隙,阻断了连通的孔道,使其失水面积有所减小,水分迁移困难,从而有效降低了低温过程中的静水压力;第三,纤维素纤维的弹性模量高于基体凝结初期的弹性模量,增加了初期混凝土的抗拉强度,使其内部自生微裂缝减少;另外,纤维素纤维在混凝土中有较好的分散性及较小的间距,从而增加了混凝土冻融损伤过程中的能量损耗,有效地抑制了混凝土的冻胀开裂。最后需要指出的是,纤维素纤维具有天然的亲水性和独特的空腔设计,在混凝土受冻过程中,未结冰的孔溶液和自由水受压迁移时,一部分可以进入纤维内,从而缩短了其流程长度,减小了静水压力,减弱了对混凝土的破坏[11]。

聚丙烯纤维混凝土的抗冻性能逊于纤维素纤维混凝土的主要原因主要有三个方面:首先,纤维素纤维在掺量为1.0kg/m3时其纤维平均中心间距为0.69mm,而相同掺量的聚丙烯纤维为2.08mm,由此可知,单位体积混凝土内纤维素纤维的数量远大于聚丙烯纤维,因此,纤维素纤维可以形成更为有效的三维网络结构,有效阻止裂缝的产生和发展;其次,聚丙烯纤维的分散性较差,易结团,且与混凝土之间的粘结作用较差,混凝土冻融损伤过程中消耗的能量小于纤维素纤维混凝土,同时纤维分散不开的部位会形成混凝土内部的薄弱环节,降低其抗冻性能;第三,纤维素纤维独特的空腔结构和巨大的比表面积及较好的亲水性,可减小混凝土内部的静水压力,增加了混凝土密实度,使其与混凝土之间形成更有效的粘结,从而提高混凝土的抗裂性。

4 结论

(1)纤维素纤维可显著改善混凝土的抗冻性能,且随着冻融次数的增加,效果更明显。当纤维掺量在0.9~1.3kg/m3之间时,相对动弹性模量、抗冻耐久性系数的变化随纤维掺量的增加变化不明显,即三种纤维掺量混凝土的抗冻性能相差不大,因此,建议经济掺量为0.9kg/m3。

(2)纤维素纤维对混凝土抗冻性能的作用主要表现在后期,175次循环后纤维素纤维的作用开始明显,且随着纤维掺量的增加,作用愈加明显。

(3)纤维素纤维对混凝土抗冻性能的改善作用优于聚丙烯纤维。

(4)纤维素纤维混凝土的耐久性和长期使用性能明显优于素混凝土。素混凝土的抗冻等级为F275,而纤维素纤维混凝土所有试件的抗冻等级均大于F400;400次冻融循环后,纤维素纤维掺量为0.9kg/m3、1.1kg/m3、1.3kg/m3混凝土的抗冻耐久性系数分别是素混凝土的1.50、1.49、1.53倍。

(5)纤维素纤维的掺入改善了混凝土的内在品质和孔结构,进而改善了混凝土的抗裂性能,从而降低了渗透压力;纤维阻断了连通毛细管的孔道,使水分迁移困难,因而降低了静水压力;纤维素纤维的天然亲水性和独特的空腔结构,缩短了混凝土内部孔溶液和自由水的流程,减小了静水压力,因此,纤维素纤维可改善混凝土的抗冻性能。

参考文献

[1]邓宗才,张鹏飞,刘爱军,等.高强度纤维素纤维混凝土抗冻融性能试验研究[J].公路,2009(7):304-307.

[2]魏束强,赵彦波.混凝土衬砌渠道冻害原因分析及预防措施[J].水科学与工程技术,2009(5):79-80.

[3]建功.我国渠道防渗工程的冻害及其防治措施[J].防渗技术,2002,8(2):1-4.

[4]吴仲伟.纤维增强-水泥基材料的未来[J].混凝土与水泥制品,1999(1):5-6.

[5]杨成蛟.混杂纤维混凝土力学性能及耐久性能试验研究[D].大连:大连理工大学,2007.

[6]孙伟.钢纤维对混凝土冻融损伤抑制能力的研究[J].东南大学学报,2000,12(5):35-37.

[7]Powers T.C.Freezing Effects in Concrete[J].AmericanSociety o f Mechanical Engineers,1975(1):1-11.

[8]CHATTERJI S.On the Applicability of Fick′s Second Lawto Chlorideion Migration through Portland Cement Concrete[J].Cement and Concrete Research,1995,25(2):299-303.

[9]杨绍明,周双喜.混凝土抗冻性试验方法及其评价参数的探讨[J].混凝土,2008(4):27-41.

混凝土抗冻性 篇5

在港工工程中, 混凝土及其结构的耐久性已越来越受重视, 特别是混凝土的抗冻性问题。大量的研究和实践表明, 加入引气剂是提高混凝土抗冻性的主要手段, 从而解决混凝土的抗冻融耐久性问题。结合望海珍珠湾综合开发建设项目码头工程, 我们对此工程施工过程中的现象进行分析, 总结了混凝土原材料要求、配合比设计方法及施工过程中注意的事项。

2 混凝土冻融破坏的机理

混凝土在冻结温度下, 内部可冻水变成冰时, 体积膨胀9%左右, 冰在毛细孔中受到约束力而产生巨大压力, 另一方面过冷的水发生迁移, 冰水、蒸汽压造成渗透力, 这两种压力共同作用时, 当超过混凝土抗拉强度时则产生局部裂缝, 或使混凝土内部微细裂缝扩展, 当冻融循环左右时, 这种破坏作用反复进行, 使裂缝不断扩展, 相互贯通, 最后造成混凝土破坏。

3 引气剂影响抗冻性的原理

引气剂是具有憎水性的表面活性物质, 它可以明显降低拌合水的表面张力, 使混凝土内部产生大量微小、稳定、分布均匀而不连通的气泡, 当混凝土冻结产生膨胀压力时, 这些气泡可以起缓解作用, 从而减轻冻结破坏作用。另外, 这些气泡可以切断混凝土毛细管通道, 使外界水分不易侵入, 减少水饱和程度、相应也减轻冻结破坏作用。

4 抗冻性混凝土的原材料选择、配合比设计

4.1 配合比设计原则。

满足设计、施工要求的情况下, 尽量减少混凝土的单位水泥用量;采用高效减水剂和引气剂;

4.2 原材料的选择。原材料根据工程实际情况和《水运工程混凝土施工规范》进行选择。

4.2.1 水泥。

抗冻性混凝土所用水泥宜采用普通硅酸盐水泥和硅酸盐水泥, 另外, 结构混凝土所用水泥的标号, 不得低于425号, 我们选用营口当地的天瑞P.O42.5的普通硅酸盐水泥。

4.2.2 集料。

集料本身的抗冻性能会影响混凝土的整体抗冻性能, 集料的抗冻性能主要取决于自身的抗压强度、集料级配和含泥量等, 另外, 集料的种类对混凝土的抗冻性能也有较大影响。

(1) 粗骨料。根据结构最小断面尺寸和泵送管道内径选择合理的最大粒径, 尽可能选用较大的粒径。实践证明同质量的大粒径可比小粒径的碎石或卵石减少用水量, 降低水泥用量。方块混凝土的粗骨料采用的是20mm~40mm和5mm~25mm的石子二级配的组合, 同时, 抗冻性混凝土应严格控制粗骨料的含泥量。我们采用水洗过后的碎石。

(2) 细骨料。细集料以采用级配良好的中粗砂为宜。实践证明细度模数大的中砂比采用细度模数小的中砂可减少用水量, 从降低水泥用量, 以便在保证混凝土强度及流动度条件下, 尽量节省水泥、降低成本。同时, 由于是抗冻性混凝土, 砂的含泥量和泥块含量有严格的要求。

4.2.3 外加剂

(1) 引气剂。引气剂对提高混凝土的抗冻性具有重要作用。选用青岛科力型号为PC-2Y的引气剂。

(2) 减水剂。减水剂能减少混凝土中必要的单位用水量, 并能满足规定的稠度要求, 提高混凝土的和易性。因此可大量减低拌合用水量, 所以可降低水灰比, 使硬化后的混凝土毛细孔隙结构的分散情况得到改善, 孔径和孔隙率显著减少, 提高了混凝土的密实性和抗冻性。选用大连大华型号为TH-2的高效减水剂,

4.3 试验用配合比。

水灰比的选择同时满足混凝土强度和耐久性, 同时海水环境混凝土按耐久性要求的水灰比有最大允许值和最低水泥用量。根据方块混凝土 (C30F300) 配合比设计要求, 经过对各种原材料的选择, 坍落值控制在140mm~160mm, 含气量控制在3.0%~6.0%, 以及大量的试配工作, 确定方块混凝土 (C30F300) 的施工配合比。

5 混凝土的试验检测结果

5.1 混凝土的强度。

所拌混凝土的和易性良好、无离析泌水现象, 其物理技术性能检测结果, 混凝土坍落度、含气量符合配合比要求, 抗压强度符合设计要求。

5.2 混凝土的抗冻性。

在强度满足要求的同时, 耐久性是决定混凝土是否满足设计要求的关键。试验检测用CDR-2型混凝土快速冻融仪和DT-10动弹仪, 每经历50次冻融循环后, 对试件分别进行重量和动弹模量检查, 试验结果评定是以重量损失率达5%或相对动弹模量下降至75%时, 认为试件已达破坏, 并以相对的冻融循环次数作为该混凝土的抗冻融等级, 如相对重量损失率或相对动弹模量下降均为达到上述指标, 但冻融循环次数已满足设计要求, 亦可停止试验。所以从试验检测结果可知, 掺如引气剂后, 混凝土的强度和耐久性满足设计要求C30F300。

6 混凝土施工过程应注意的事项

(1) 施工时确保按配合比设计要求配制混凝土, 搅拌时的进料顺序是砂石水泥, 水和配置好是引气剂溶液后加入, 以减少混凝土含气量的减少, 也就是引气剂掺量。

(2) 引气剂混凝土的搅拌时间要比普通混凝土的搅拌时间长0.5min~1.0min, 以保证引气剂和水泥、减水剂拌和均匀, 提高其匀质性。

(3) 由于方块时大体积混凝土, 所以在浇筑时采用分层浇筑, 每层厚度为50cm。

(4) 在方块拆模后养护时, 在马腿中灌入水, 在方块表面覆盖两层土工布和一层塑料布。

(5) 另外, 由于混凝土的含气量受集料的影响, 而含气量是影响混凝土抗冻性的主要因素, 所以要根据实际情况调节引气剂的掺量, 以保证混凝土的含气量在3%~6%。

结语

使用此配合比, 混凝土的强度评定验收和抗冻性评定验收, 都满足《水运工程混凝土施工规范》规定的合格条件。证明此工程的混凝土配合比设计, 施工措施经实践论证是可行的。

参考文献

[1]徐晓巍, 等.不同环境下普通混凝土抗冻试验研究及机理分析[J].混凝土, 20 (02) .

混凝土抗冻性 篇6

长期以来,混凝土抗冻性问题是北方港口混凝土耐久性的首要问题,虽然引气剂的使用大大改善了混凝土的抗冻性,但还存在一些问题有待于探讨,比如:引气剂如何改善混凝土抗冻性;混凝土最佳含气量以多大为宜;一次冻融循环的周期太长,对于耐久性高的混凝土施工控制不利[1,2]等,而本次试验正是意图通过硬化混凝土气泡结构观测与冻融试验进行对比,综合分析以做出较为客观的探讨。

2 试验内容

2.1 试验对比

试验均采用相同条件对比,即同批混凝土(100×100×400)mm3每一品种混凝土制两组,水中养护28 d,然后一组做冻融试验,一组切片用直线导线法进行显微气泡观测,混凝土振捣方式采用振动台振实。

2.2 试验方法

冻融试验及硬化混凝土气泡参数测定均按现行《水运工程混凝土试验规程》[3]执行。

2.3 试验用原材料

1)水泥:大连水泥厂P.O42.5R型水泥;2)砂:华家中砂,含泥量2.7%,表观密度2.650 g/cm3,细度模数Mx=2.6;3)石:后盐石灰石碎石,规格5 mm～31.5 mm,表观密度2.770 g/cm3,含泥量0.4%;4)水:自来水;5)外加剂:a.引气剂:PC-2(以前称之为AE)青岛科力生产松香热聚物;b.UNF-5:天津雍阳减水剂公司生产低引气型高效减水剂(以下简写为U);c.YNH-1:属萘系,有引气作用,缓凝早强型减水剂,天津市雍阳减水剂公司出品;d.C6220-C:改性木质素磺酸盐类混凝土外加剂、缓凝引气减水剂,上海麦斯特有限公司生产;e.中联-7:萘系,低引气剂型高效减水剂,大连中联科技发展公司混凝土外加剂厂生产;f.NN0:萘系,高效减水剂,大连二有机厂生产;g.M:(木钙):木质素磺酸盐系引气缓凝型减水剂,吉林开山屯生产。

2.4 试验、结果及分析

2.4.1 试验分两个阶段

第一阶段:侧重于覆盖面研究,即差别较大的几种情况的对比:

1)空白混凝土(不掺任何外加剂);

2)掺引气剂(掺AE引气剂,即松香热聚物PC-2)的混凝土;

3)掺减水剂混凝土(单掺U减水剂);

4)掺引气剂与减水剂复合型外加剂混凝土(AE+U);

第二阶段侧重于几种不同减水剂与引气剂复合混凝土的对比:

1)基准混凝土(引气混凝土:AE引气剂);

2)掺YNH-1与PC-2复合型外加剂的混凝土;

3)掺NN0与木钙复合再与PC-2复合(85% NN0+15%M,掺量为水泥重量的0.7%)型外加剂的混凝土;

4)掺C6220C与PC-2复合型外加剂的混凝土;

5)掺中联-7与PC-2复合型外加剂的混凝土。

2.4.2 第一阶段试验结果

第一阶段试验结果见表1～表3。

第一阶段试验结果分析如下:

1)冻融结果与硬化混凝土气泡参数的关系:空白混凝土、U混凝土、AE混凝土的抗冻性依次增强,其硬化混凝土气泡参数表现为:含气量依次增大,气泡间距系数依次减小,气泡比表面积有大致增大的趋势,每立方厘米混凝土气泡数依次增多,气泡平均半径有减小的趋势。

出现上述结果是因为:混凝土的孔隙结构特性及饱水程度是影响混凝土抗冻的主要因素。引气剂的掺入生成了大量分布均匀的微细密闭气泡,这种气泡在常压下不易进水,而且切断了毛细管通路,从而会显著降低混凝土的饱和度。又由于气泡的均匀分布,缩短了相邻孔隙的距离(气泡间距系数减小),缓解了混凝土冻结时孔隙结构中所带来的膨胀压和渗透压所引起的破坏程度,进而提高了混凝土的抗冻性。

2)混凝土强度与硬化混凝土含气量的关系:由表1和表3知空白混凝土与AE混凝土水灰比相同,水泥用量相近,坍落度相差不大,只是硬化混凝土含气量不同,AE混凝土含气量超出空白混凝土2.86%,28 d强度降低约5.5 MPa,即含气量增大1%,强度降低约4%。AE+U混凝土与U混凝土水灰比、水泥用量完全相同,坍落度相近,只是AE+U混凝土含气量高出UNF混凝土1.42%,其强度降低4.2 MPa,相当于含气量增大1%,混凝土强度降低约6%。据此可见,对相同水灰比,每增大1%的含气量(硬化混凝土),混凝土强度约降低4%～6%。

3)在本试验中采用U与引气剂合掺时U掺量0.75%(占水泥用量)、PC-2掺量万分之0.75(占水泥用量)。试验结果表示:在水灰比相近的情况下,单掺U的混凝土抗冻效果好于空白混凝土。而当U与AE合掺时,比单掺UNF混凝土有很大提高。单掺U,其冻融达F200时,失重达5.04%,动弹值为75%,已达冻融破坏。AE+U混凝土冻融达F200时,失重仅为2.14%,动弹值为87%,估计尚可再冻融100多循环。从气泡参数(AE+U混凝土气泡间距系数348 μm小于U混凝土428 μm)上也验证了这一点。

2.4.3 第二阶段试验结果

第二阶段试验结果见表4～表6。

第二阶段试验结果分析如下:

1)含气量:大坍落度泵送混凝土,石子一般为小粒径,其新拌混凝土到硬化混凝土含气量损失空间多大,尚没有资料系统阐述。由表4,表5可见,泵送混凝土(大坍落度)硬化后含气量为4.6%～5.6%,而从表6可知,其抗冻结果已经达到F300,其中C6220-2混凝土略好一些,而C6220-2混凝土新鲜混凝土含气量为6.8%,硬化后含气量为4.75%,并不是最大,可以看出混凝土抗冻性并非与含气量成正比例地一直增长下去,到一定限度,含气量再大,抗冻性也不再提高。如YNH混凝土,硬化混凝土含气量为5.65%,抗冻能力只达F300。本试验硬化混凝土含气量达4.5%即可满足F300,表5反映出大坍落度混凝土硬化后含气量损失为18%～31%,当然含气量损失与许多因素有关,由表6知损失后冻融仍可达F300。以上可以看出规程规定对于泵送混凝土新拌混凝土含气量要求满足5%～7%[4]是有一定依据的。

2)气泡结构分析:由表5知C6220-2混凝土硬化含气量并不是很高,为4.75%,但混凝土气泡数大大高于其他混凝土,为15 555个/cm3,几乎是其他混凝土的1.5倍～3.3倍。气泡平均半径明显小于其他外加剂混凝土,气泡间距系数最小140 μm。可见C6220-2本身是引气型减水剂,所引气泡小而且密,有效气泡多,因而抗冻性相比之下最好。由此看来,混凝土抗冻性与气泡分布(气泡大小,气泡间距系数,每立方厘米混凝土气泡数)相关性好于含气量。

3)引气型减水剂混凝土含气量损失较低。表5中M(木钙),C6220,YNH都是引气型减水剂,只有中联-7为低引气型减水剂,其硬化含气量在掺外加剂混凝土中损失最大为31%。

3 结语

通过两个阶段的试验可以得出如下结论:

1)相同水灰比,含气量(硬化混凝土)每增大1%,强度约降低4%～6%。

2)混凝土抗冻性与气泡分布相关性好于含气量。气泡间距系数越小,气泡越多、越密、越小,混凝土抗冻性越好。含气量越大,混凝土抗冻越好,但大到一定程度,抗冻性与含气量不再成正比增长。

3)一般情况下,减水剂与引气剂复合可以使大坍落度达到同水灰比低坍落度混凝土抗冻性,条件是控制新拌混凝土含气量为5%～7%。

4)大坍落度混凝土新拌混凝土到硬化混凝土其含气量损失约为18%～31%。

参考文献

[1]黄孝蘅,许彩虹,王丽文.硬化混凝土中气泡性质对抗冻性影响的试验研究[J].中国港湾建设,2003(3):14-17.

[2]胡泽清,邹一宝,马芳.用气泡参数判定混凝土抗冻耐久性的探讨[J].粉煤灰,2009(3):3-4.

[3]JTJ270-98,水运工程混凝土试验规程[S].

混凝土抗冻性 篇7

李家峡、二滩、十三陵、小浪底等大型水利水电工程的兴建和成功运行, 标志着我国水利水电建筑工程技术已走在世界的前列[1]。但同时也在很多已建、在建和待建的大型水利水电工程的水工建筑物设计方面遇到挑战性的技术难题, 混凝土的耐久性问题就是其中之一。

当外界环境不断变化的温度和湿度反复作用时, 混凝土表面会开裂和剥落并逐步深入到内部而导致其整体瓦解, 最终丧失性能, 混凝土抵抗这种冻融破坏的能力称为抗冻性[2]。混凝土的抗冻性能是混凝土耐久性的重要指标之一, 同时也是一项综合性能指标, 高抗冻融性能意味着混凝土的高耐久性[3]。尤其在新疆严寒地区, 昼夜温差大, 水工建筑物长期或周期的处于水环境中, 冻融破坏问题更加突出, 对抗冻性要求较高。

本文针对地处祖国最西部的帕米尔高原地区的下坂地水利枢纽工程, 设计抗冻等级基本在F200以上, 部分达到F300的粉煤灰混凝土, 旨在为类似严寒地区的其他工程提供参考和改进依据。

1 试验原材料与混凝土配合比

1.1 试验原材料的选取

(1) 水泥:

喀什飞龙水泥厂生产的“团结”P.O32.5水泥;

(2) 砂料:

新疆当地的塔河中砂;

(3) 石料:

新疆当地的塔河卵石, 其中:小石5～20 mm, 中石20～40 mm, 大石40～80 mm, 且小石∶中石∶大石=31.5%∶38.5%∶30%;

(4) 拌合用水:

为了确保试验混凝土配合比与工地现场的相似性, 试验单位特地从施工现场取回当地塔河水, 进行水质分析, 并经现场拌合用水 (塔河水) 与实验室拌合用水 (自来水) 的平行试验分析后, 结果表明, 现场水质符合混凝土拌合要求。确定现场拌合水与实验室自来水性质无异, 因此采用自来水拌合;

(5) 粉煤灰:

喀什浩源有限责任公司生产的Ⅱ级粉煤灰;

(6) 引气减水剂:

江西萍乡市联友建材有限公司生产的型号为HC-FJ型引气减水剂。

1.2 试验配合比

试验配合比见表1。

2 抗冻试验及结果分析

2.1 粉煤灰混凝土冻融试验

试验使用北京通用机械研究所生产的DR2型混凝土快速冻融试验机。一个冻融循环中, 降温过程历时137 min, 升温过程历时55 min, 试件中心温度控制在-17 ±2 ℃～8 ±2 ℃。按照《水工混凝土试验规程》 (SL352-2006) 抗冻试验要求, 分别进行7 d和28 d两种龄期混凝土快速冻融试验。

2.2 粉煤灰混凝土冻融试验结果分析

2.2.1 水胶比对粉煤灰混凝土抗冻性的影响

试验分别测定当粉煤灰掺量为25%和30%时, 试块的冻融情况与水胶比的关系, 试验结果如表2。

由表2可以看出, 第Ⅰ组试块和第Ⅱ组试块中, 混凝土试块经冻融循环后, 相对动弹模量均大于60%, 且质量损失均小于5%, 满足F200和F100的抗冻等级要求。并且当粉煤灰掺量一定时 (25%或30%) , 粉煤灰混凝土的抗压强度随着水胶比的增大而减小, 两组试块分别经200次和100次冻融循环后, 相对动弹性模量逐渐较少而质量损失率逐渐增加, 这些都符合常规冻融试验规律。此外, 发现第Ⅱ组试块的抗压强度大于第Ⅰ组试块, 经分析, 原因可能有2种:一是由于粉煤灰掺量增加;二是由于水胶比降低。经比较表中的试块1和试块6发现, 这2个试块的水胶比相同, 粉煤灰掺量不同, 但抗压强度变化不大。 因此, 引起第Ⅱ组试块强度大于第Ⅱ组试块强度的主要原因是由于水胶比的降低引起的。

水胶比对混凝土内部孔隙率的影响很大, 一般来说, 水胶比越高, 孔隙率越大。根据渗透方程, 孔隙率越大, 湿扩散率及内部潮湿密度就会相应增加, 这样, 就会有更多的孔隙水分参与冻融侵蚀, 则对抗冻不利[4]。并且随着水胶比的增大, 不仅饱和水的开孔总体积增加, 而且平均孔径也最大, 因而混凝土的抗冻性必然降低。

通过分析可知, 水胶比是影响粉煤灰混凝土抗压强度的主要因素。随着水胶比的减小, 粉煤灰混凝土试块的强度增大, 抗冻融性能提高。

2.2.2 粉煤灰掺量对粉煤灰混凝土抗冻性的影响

粉煤灰的3种基本效应, 即形态效应、活性效应、填充效应, 使混凝土的密实度大大提高, 从而改善了混凝土的抗冻性[5]。粉煤灰取代水泥, 不仅减轻了环境负荷;而且改善了混凝土的性能, 如降低内部温升, 促进后期强度增长等。粉煤灰的掺入还能够细化混凝土内部孔隙, 增加结构总孔隙率[4]。

有研究表明, 混凝土的抗冻性随着粉煤灰掺量的增加而降低[6,7]。也有研究证明:粉煤灰混凝土的抗冻性能 (包括抗压强度、重量的变化和变形) 均比普通混凝土要好得多[8], 并且其后期强度发展比较显著。本次试验测得的粉煤灰掺量对粉煤灰混凝土抗冻性影响的试验结果如表3。

由表3可以看出, 当水胶比一定时, 随着粉煤灰掺量的增加, 粉煤灰混凝土抗压强度和质量损失率均有所降低, 由此可见, 当粉煤灰掺量≤30%时, 粉煤灰混凝土的抗冻融性能随粉煤灰掺量的增加而有所提高。

2.2.3 引气剂掺量对粉煤灰混凝土抗冻性的影响

对于中高水灰比的混凝土要从根本上改善其抗冻性, 掺入引气剂是十分必要的[9]。尤其是在新疆严寒地区的粉煤灰混凝土, 从根本上改善其抗冻性, 掺入引气剂是最有效的途径[10]。

表4中, 第Ⅰ组为未掺引气剂的粉煤灰混凝土试块, 第Ⅱ、Ⅲ组均为掺引气剂的粉煤灰混凝土试块。比较第Ⅰ组和第Ⅱ组试验数据发现, 当粉煤灰掺量相同时, 掺入引气剂的第Ⅱ组粉煤灰混凝土试块7 d和28 d强度明显增加, 并且抗冻性能也有所提高。由第Ⅱ组数据还可发现, 粉煤灰混凝土试块的强度越高, 满足其抗冻性要求的引气剂掺量就越小。由第Ⅲ组试验数据发现, 随着粉煤灰掺量的增加, 达到抗冻性要求所需的引气剂掺量减少。

3 结 语

通过对各组试验数据的分析, 得出以下几点结论:

(1) 水胶比是影响粉煤灰混凝土抗压强度的主要因素。随着水胶比的减小, 粉煤灰混凝土试块的强度增大, 抗冻融性能提高。

(2) 当水胶比一定时, 随着粉煤灰掺量的增加, 粉煤灰混凝土抗压强度和质量损失率均有所降低, 并且, 当粉煤灰掺量≤30%时, 粉煤灰混凝土的抗冻融性能随粉煤灰掺量的增加而有所提高。

(3) 粉煤灰混凝土试块的强度越高, 满足其抗冻性要求的引气剂掺量就越小。而且达到抗冻性要求所需的引气剂掺量随着粉煤灰掺量的增加而减少。

摘要：针对新疆下坂地水利枢纽工程, 通过试验设计适应于当地严寒气候的混凝土配合比, 为更多类似严寒地区的水利水电工程提供参考和改进依据。试验结果表明:当粉煤灰掺量≤30%时, 粉煤灰混凝土的抗冻融性能有所提高, 并且随着粉煤灰掺量的增加, 粉煤灰混凝土试块的强度和引气剂掺量均减小。

关键词：粉煤灰混凝土,抗冻性能,严寒地区,抗冻试验

参考文献

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[4]袁晓露, 李北星, 崔巩, 等.粉煤灰混凝土的抗冻性能及机理分析[J].混凝土, 2008, (12) :43-44.

[5]李亚杰.建筑材料[M].北京:中国水利水电出版社, 2001:59-70.

[6]任建章, 尹红娣.粉煤灰对混凝土抗冻性的影响[J].黑龙江交通科技, 2008, (10) :23-24.

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[8]任锡跃, 张金山, 杭美艳.粉煤灰对混凝土抗冻性能影响的探讨[J].包头钢铁学院学报, 1996, 15 (1) :89-92.

[9]谭克锋.水灰比和掺和料对混凝土抗冻性能的影响[J].武汉理工大学学报, 2006, (2) :59-60.

混凝土抗冻性 篇8

中国建筑材料科学研究总院曾组织全国十多家科研院所、大专院校和工程单位，对国家下达的“九五”重点科技攻关项目“重点工程混凝土安全性的研究”课题，自1996年起进行了十个专题、二十余个子题的科技攻关研究。根据攻关研究的结果，于2000年11月，由王媛俐、姚燕主编出版了《重点工程混凝土耐久性的研究与工程应用》一书。在该书第265～272页上刊登了中国水利水电科学研究院和北京十三陵抽水畜能电厂(站)李金玉、王爱勤、王志刚等十二名专家合写的“混凝土抗冻性的定量化设计”一文[1](以下简称该文)，笔者认为，该文在解答一些单位提出的混凝土在室外冻融条件下的使用年限方面有一定的参考价值。因此，笔者在解读该论文的基础上利用该文的数据写成本文，供关心混凝土抗冻性的技术人员参考。

1 当前混凝土抗冻性试验方法和冻融破坏的表征

混凝土抗冻试验分为“慢冻法”和“快冻法”两种。我国原采用苏联推行的慢冻法(ГОСТ1006)，该法是将混凝土抗冻试件置于-15～-20℃的冰水中受冻不少于4h，取出后放在15～20℃的室温下融化4h，作为一个冻融循环，一天24h最多循环三次。经过一定次数的循环以后，试件抗压强度损失不超过25%，且试件表面剥落等造成的重量损失不超过5%时的最大循环次数为该种混凝土的抗冻标号，以D25～D300来表示，以此来评价该种混凝土抗冻性的优劣。但由于慢冻法费时费力，因此，在某些行业已被淘汰。

对抗冻性要求高的混凝土，目前采用的是以美国为代表的快冻法，即美国ASTM C666规定的方法，在-20℃温度下速冻，而在+20℃温度下速融，冻融各一次为一个循环。在良好的速冻速融试验机中，一天可循环超过8次，要求试件的重量损失小于5%，且保留的动弹性模量应≥80%，符合此规定数值时的循环次数即是该种混凝土的抗冻等级，以F50～F1000来表示。

我国GBJ82-85《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》规定，快冻法达到以下三种情况之一，即可停止试验：(1)已达到300次循环;(2)相对动弹性模量下降到60%以下;(3)重量损失率达5%，符合此规定数值的循环次数即是该种混凝土的抗冻等级。陈肇元院士等主编的GB/T50476-2008《混凝土结构耐久性设计规范》中规定，混凝土抗冻耐久性指数DF=0.6×N/300(%)。在该规范的表5.3.3中规定了不同地区、不同设计年限、不同使用环境条件下的混凝土抗冻耐久性指数DF(%)的数值。抗冻性指数为混凝土试件经300次快速冻融循环后混凝土的动弹性模量E1与其初始值E0的比值，DF=E1/E0。如在达到300次循环之前E1已降至初始值的60%或试件重量损失已达到5%，以此时的循环数N计算DF值;对于厚度小于150mm的薄壁混凝土构件，其DF值宜增加5%。

由此可见，由于抗冻试验方法的不同，试验结果评定指标有以下几种：(1)用抗冻标号来评价慢冻法试验的混凝土抗冻性;(2)用抗冻等级来评价快冻法试验的混凝土抗冻性;(3)用抗冻性指数来评价快冻法试验的混凝土抗冻性。

2 混凝土受冻破坏的主要原因

混凝土的冻融破坏、钢筋锈蚀与碱骨料反应破坏是影响混凝土耐久性的三大问题。我国出现冻融破坏的结构主要集中在东北、华北和西北地区。

冻融破坏的机理是：一般认为混凝土拌和水总是多于水泥水化的需水量，多余的水分游离于混凝土中，形成占有一定体积的连通的毛细孔，随着温度的降低，毛细孔中的水结冰时，体积膨胀9%，在毛细孔壁上形成膨胀压力，从而在孔周围的微观结构中产生了拉应力，当水泥石内部的拉应力超过当时混凝土的抗拉强度时，混凝土中即会产生微裂缝而引起破坏。

3 混凝土室内外抗冻性的相关性

中国水利水电科学研院是研究水利设施，尤其是研究混凝土大坝工程的权威单位，该院与北京十三陵抽水蓄能电站(厂)合作，通过混凝土试件的室内快冻试验(类似于ASTM C666)和在北京现场三年的抗冻试验，初步得出了不同种类、不同品种、不同施工条件下混凝土抗冻性的室内外对比关系在1:10～1:15之间，平均为1:12，即室内一次快速冻融循环，相当于自然条件大气中12次的冻融循环。

4 混凝土抗冻性的定量化设计

根据建筑物的设计使用年限，可对混凝土试验室内的抗冻性提出抗冻等级要求，目的在于对混凝土抗冻性进行定量化设计。文献[1]提出的混凝土抗冻性定量化设计的程序如图1。

注：F50、F100等是指快速冻融试验得出的次数，称为抗冻等级。

为了建立适合我国混凝土建筑物抗冻安全性的标准，中国水利水电科学研究院曾委托中央气象站对我国四个有代表性的地区，即北京(华北)、长春(东北)、西宁(西北)、宜昌(中南)进行了五十年来最低气温、不同年份最高最低气温之差和不同年份负温的天数及可能产生的冻融循环数进行了统计分析，其结果汇总于表1。

该文根据混凝土的安全运行寿命来设计混凝土的抗冻等级，其初步建议见表2。

注：冻融循环数根据负温天数、有阳光照射的百分率、日温差变化情况及混凝土产生冻融循环的温度条件来确定;华东地区的年均冻融次数应在18～84次之间，而华南地区应属基本无冻区。

笔者认为，也可根据混凝土试验室快冻试验已得到的抗冻等级来计算该种混凝土在大气中的安全运行年限。

式中，y—安全运行年限;

F—试验室快冻试验得出的混凝土抗冻等级;

N—室内快冻循环一次相当于室外自然条件下的冻融次数(本文定为12);

N'—当地年平均冻融循环次数。

例如：某公司开发的一种混凝土，委托某行业检测单位经试验室快冻试验得到的抗冻等级为F300，按式计算得出：在华北寒冷地区，可安全运行的年限为43年，若要满足安全运行50年的设计要求，就必须提高抗冻等级至F350;但是如果要求在夏热冬冷的中南地区的混凝土设计安全使用50年，则混凝土抗冻等级只要达到F75就能满足设计要求。

5 结语

中国水利水电科学研究院李金玉教授等人提出了混凝土抗冻性定量化设计方法，尽管还不完善，至今也未曾得到业内专家的普遍认可，但笔者认为，该项工作为行业科技工作者深入研究解决工程中混凝土抗冻性安全运行设计的现实问题指出了工作方向。

参考文献

[1]王媛俐,姚燕.重点工程混凝土耐久性的研究与工程应用[M].北京:中国建材工业出版社,2001.

[2]GBJ82-85《普通混凝土长期性能和耐久性能实验方法》[S].