凍融循環(huán)對(duì)混凝土質(zhì)量損失及相對(duì)動(dòng)彈模量影響的試驗(yàn)研究

曹秀麗，曹志翔，喻 驍

(1.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098;2.南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇南京 211167;3.西藏農(nóng)牧學(xué)院，西藏林芝 860000)

我國(guó)東北、西北、華北以及西藏等地區(qū)存在嚴(yán)重的混凝土凍融破壞問題，惡劣的環(huán)境對(duì)混凝土的耐久性指標(biāo)提出了很高要求。增強(qiáng)混凝土的抗凍性能指標(biāo)是提高混凝土耐久性能的關(guān)鍵。目前國(guó)內(nèi)外的研究主要集中在混凝土抗凍機(jī)理的試驗(yàn)研究，而對(duì)于混凝土凍融后強(qiáng)度的試驗(yàn)研究較少。本文通過10種混凝土強(qiáng)度等級(jí)、8種抗凍等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)試件，研究?jī)鋈谘h(huán)次數(shù)與混凝土質(zhì)量損失及相對(duì)動(dòng)彈性模量的定量關(guān)系，進(jìn)而為系統(tǒng)研究并建立凍融循環(huán)次數(shù)與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系模型提供數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施

1.1 試件制作

試驗(yàn)方案中10種強(qiáng)度等級(jí)的混凝土試件尺寸有150mm ×150mm×150mm和150mm ×150mm×250mm兩種。試件采用鋼模成型，并用振動(dòng)棒振搗密實(shí)，棱柱試件采用臥式成型，在室溫下靜置不少于3晝夜后拆模編號(hào)，拆模后的試件進(jìn)行水中養(yǎng)護(hù)。水泥采用32.5和42.5兩種型號(hào)的普通硅酸鹽水泥，細(xì)骨料采用全級(jí)配中砂，粗骨料采用≤25mm的碎石，引氣劑采用松香皂類引氣劑。試配混凝土的塌落度為22～70mm，最大水灰比≤0.55?；炷猎嚰呐浜媳燃翱箟簭?qiáng)度見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

凍融試驗(yàn)在TDR型混凝土自動(dòng)快速凍融試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，該設(shè)備包括控制柜、凍融箱及冷卻裝置三部分，最低溫度為 -21℃，最高溫度為22℃。凍融箱內(nèi)注入防凍液并將試件放置于28個(gè)標(biāo)準(zhǔn)尺寸的橡膠長(zhǎng)筒試件盒內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)。凍融后混凝土單軸試驗(yàn)采用的主要設(shè)備包括直讀式含氣量測(cè)定儀和計(jì)算機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)。

1.3 試驗(yàn)方法

設(shè)定凍融循環(huán)時(shí)間為2.5h，并控制用于融化的時(shí)間不少于整個(gè)凍融循環(huán)時(shí)間的30%，而控制融化與凍結(jié)終了時(shí)的試件中心溫度分別為(9±1)℃和(-16±1)℃。每50次凍融循環(huán)測(cè)量1次動(dòng)彈性模量及試件質(zhì)量。為保證試件均勻經(jīng)受凍融循環(huán)，需要將試件上下倒置且調(diào)換試件在凍融箱內(nèi)的位置。共進(jìn)行了350次凍融循環(huán)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 混凝土宏觀形態(tài)及破壞機(jī)理

混凝土凍融試驗(yàn)過程經(jīng)歷了表面層狀破壞、表面骨料與砂漿分離、粗骨料處部分砂漿的脫落和細(xì)裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展4個(gè)明顯的宏觀破壞過程，即:試件經(jīng)過凍融循環(huán)后，表面發(fā)生層狀破損并開始出現(xiàn)疏松、剝落，且隨著凍融次數(shù)的增加，試件表面剝落的情況逐漸加重。經(jīng)過約150次循環(huán)后，C25混凝土表面砂漿稍有剝離，而凍融次數(shù)達(dá)到300次時(shí)，混凝土表面粗骨料與砂漿產(chǎn)生明顯的分離且粗骨料處出現(xiàn)砂漿脫落現(xiàn)象，之后隨著凍融次數(shù)的增加，在混凝土表面的砂漿與粗骨料交接處出現(xiàn)可見的細(xì)微裂縫并不斷發(fā)展，不同強(qiáng)度混凝土的宏觀破壞形態(tài)和發(fā)展過程均類似?；炷疗茐男螒B(tài)見圖1。

表1 凍融試驗(yàn)混凝土試件的配合比

圖1 混凝土試件凍融試驗(yàn)的4個(gè)宏觀破壞發(fā)展過程

根據(jù)凍融破壞機(jī)理的試驗(yàn)研究，由于凍融混凝土內(nèi)存在過冷的水和結(jié)冰的水，在結(jié)冰的水體積膨脹的情況下，過冷的水發(fā)生遷移，在正負(fù)溫度交替作用下形成靜水壓力和滲透壓力聯(lián)合作用下的疲勞應(yīng)力，當(dāng)壓力超過混凝土所能承受的壓力時(shí)，混凝土內(nèi)部孔隙率及微裂紋逐漸增大、擴(kuò)展并相互連通，最終導(dǎo)致混凝土破壞。

2.2 平均質(zhì)量損失

試驗(yàn)中混凝土引氣劑的摻入量是影響不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土試件凍融破壞的決定性因素，而在凍融混凝土單軸試驗(yàn)過程中主要通過測(cè)量不同循環(huán)次數(shù)條件下相對(duì)動(dòng)彈性模量和質(zhì)量損失兩項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)來反映混凝土的凍融破壞過程及機(jī)理。凍融混凝土平均質(zhì)量損失的試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 混凝土不同凍融循環(huán)次數(shù)后質(zhì)量損失平均值×10-2kg

由表2可得出，在經(jīng)歷300次凍融循環(huán)后，兩組C15混凝土試件的質(zhì)量損失分別為4.07%和4.00%，兩組C20混凝土試件的質(zhì)量損失分別為4.42%和4.52%，兩組 C25混凝土試件的質(zhì)量損失分別為4.91%和3.90%，均滿足混凝土抗凍等級(jí)的質(zhì)量損失不大于5%的要求。表明C15、C20及C25均可承受300次凍融循環(huán)。在經(jīng)歷350次凍融循環(huán)后，兩組C30混凝土試件的質(zhì)量損失分別為2.67%和4.56%，兩組C35混凝土試件的質(zhì)量損失分別為2.87%和2.46%，兩組C40混凝土試件的質(zhì)量損失分別為2.85%和2.55%，兩組 C45混凝土試件的質(zhì)量損失分別為2.61%和2.52%，兩組C50混凝土試件的質(zhì)量損失分別為3.40%和4.41%，兩組C55混凝土試件的質(zhì)量損失分別為2.40%和2.01%，兩組C60混凝土試件的質(zhì)量損失分別為2.90%和2.60%。

試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土均可滿足質(zhì)量損失要求，可達(dá)到相應(yīng)的抗凍等級(jí)。

2.3 相對(duì)動(dòng)彈性模量損失

凍融混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量平均值的試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 混凝土不同凍融循環(huán)次數(shù)后相對(duì)動(dòng)彈性模量平均值與初始值之比

由表3可知，C15、C20及C25引氣混凝土試件均可承受300次凍融循環(huán)，在300次凍融循環(huán)后，兩組C15混凝土試件的平均相對(duì)動(dòng)彈性模量分別下降至64.6%和63.9%，兩組C20混凝土試件的平均相對(duì)動(dòng)彈性模量分別下降至65.2%和64.7%，兩組C25混凝土試件的平均相對(duì)動(dòng)彈性模量分別下降至62.7%和62.9%，滿足抗凍等級(jí)混凝土的動(dòng)彈性模量不低于60%的要求。而在凍融循環(huán)350次后，C30，C35，C40，C45，C50，C55以及C60混凝土試件尚具備抵抗更多次凍融循環(huán)的能力。

綜上可見，在含氣量基本不變的前提下，混凝土的強(qiáng)度等級(jí)越高，其抗凍融破壞能力越強(qiáng)。C60混凝土第二組試件再經(jīng)歷350次凍融循環(huán)后其平均相對(duì)動(dòng)彈性模量仍達(dá)83.8%，但C50第一組混凝土試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量下降較快，經(jīng)歷350次凍融循環(huán)后下降至72.3%，其原因可能是混凝土試件制作過程中攪拌或振搗時(shí)間比較長(zhǎng)以致含氣量下降。

3 結(jié)論

1)混凝土的抗凍融能力與混凝土的強(qiáng)度等級(jí)及引氣劑的含量密切相關(guān)。

2)C25及以下強(qiáng)度等級(jí)混凝土經(jīng)歷300次凍融循環(huán)質(zhì)量損失可滿足要求，C30及以上強(qiáng)度等級(jí)混凝土經(jīng)歷350次甚至更多的凍融循環(huán)質(zhì)量損失可滿足要求。

3)C25及以下強(qiáng)度等級(jí)混凝土經(jīng)歷300次凍融循環(huán)相對(duì)動(dòng)彈性模量損失可滿足要求，而C30及以上強(qiáng)度等級(jí)混凝土經(jīng)歷350次凍融循環(huán)相對(duì)動(dòng)彈性模量損失可滿足要求。

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