凍融環(huán)境下補(bǔ)償收縮混凝土抗凍性能試驗(yàn)研究

黃 偉

(1.淮南聯(lián)合大學(xué) 建筑工程系，安徽 淮南 232038；2.安徽理工大學(xué) 礦山地下工程教育部工程研究中心，安徽 淮南 232001)

混凝土凍融破壞影響混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者開展了凍融破壞研究。施士升[1]對(duì)經(jīng)受不同次數(shù)凍融循環(huán)的混凝土力學(xué)性能進(jìn)行了研究；鄒超英[2-4]對(duì)凍融環(huán)境混凝土基本力學(xué)性能影響規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)研究，研究結(jié)果均表明凍融循環(huán)次數(shù)的增多會(huì)逐漸加大各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)劣化程度，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)安全性能漸次降低。宋玉普[5]等一直致力于凍融環(huán)境中普通混凝土和海洋混凝土在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下力學(xué)性能的研究。孫偉等[6-7]對(duì)荷載與外界環(huán)境共同作用下混凝土耐久性研究方面開展相關(guān)研究工作，分析混凝土在腐蝕性環(huán)境條件耐久性能。雖然好多學(xué)者開展混凝土抗凍性的研究工作，但對(duì)補(bǔ)償收縮混凝土這種新型混凝土材料凍融破壞特征研究甚少，主要集中在研究補(bǔ)償收縮混凝土的限制膨脹率、力學(xué)性能等，隨著補(bǔ)償收縮混凝土在工程中的應(yīng)用范圍越來(lái)越多，環(huán)境條件對(duì)補(bǔ)償收縮混凝土產(chǎn)生一定影響，有必要對(duì)補(bǔ)償收縮混凝土的抗凍性進(jìn)行試驗(yàn)研究。本文主要采用試驗(yàn)分析的方法，對(duì)補(bǔ)償收縮混凝土的抗凍性進(jìn)行分析，研究特定膨脹劑摻入下，補(bǔ)償收縮混凝土力學(xué)性能、質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量的變化趨勢(shì)，分析補(bǔ)償收縮混凝土的抗凍性能的劣化特征，為今后推廣該類混凝土材料提供一定的參考。

一 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)配合比根據(jù)混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行配比設(shè)計(jì)，膠凝材料配合比為1：0.5：1.73：2.22，選用P·C32.5復(fù)合硅酸鹽水泥,水泥的物理性能及化學(xué)成分符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；采用北京德昌生產(chǎn)的DC-C10混凝土膨脹劑，摻量為8%；中砂，細(xì)度模數(shù)為2.62；石子采用粒徑范圍為5-15mm的連續(xù)級(jí)配。

凍融循環(huán)試驗(yàn)按照GB/T50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性試驗(yàn)方法》中抗凍性能試驗(yàn)要求進(jìn)行，采用慢凍法進(jìn)行試驗(yàn)，該試驗(yàn)方法的受凍狀態(tài)比較接近實(shí)際情況，但是實(shí)驗(yàn)周期較長(zhǎng)、工作量大。本次試驗(yàn)采用凍融次數(shù)設(shè)置為0、30、50、70、100次，主要測(cè)試混凝土抗壓強(qiáng)度、相對(duì)動(dòng)彈性模量以及質(zhì)量損失率?；炷猎嚰捎靡淮涡詳嚢铦仓瓿桑ＷC配合比的統(tǒng)一，試件尺寸采用100mm×100mm×100mm和100mm×100mm×400mm試件，每組3個(gè)試件，共制作30個(gè)試件。兩種混凝土按照各自混凝土技術(shù)規(guī)程規(guī)定進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，齡期達(dá)到28d后進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)。

二 試驗(yàn)結(jié)果與分析

1.凍融性能參數(shù)對(duì)比分析。

圖1為兩種混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量與凍融次數(shù)之間的關(guān)系圖。圖示表明：在凍融開始時(shí)，混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量下降速度都較快，因其內(nèi)部存在一定的初始缺陷，在凍融初期得以發(fā)展；這些初始缺陷發(fā)展到一定程度后，將進(jìn)入一段穩(wěn)定期，無(wú)新的缺陷源產(chǎn)生，所以當(dāng)凍融次數(shù)達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，相對(duì)動(dòng)彈性模量下降速度變慢；繼續(xù)凍融，原有的初始缺陷將繼續(xù)擴(kuò)展，從而在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生了新的缺陷源，這些缺陷源也會(huì)隨凍融次數(shù)繼續(xù)增加不斷擴(kuò)展，從而導(dǎo)致相對(duì)動(dòng)彈性模量的下降速度加大。但是補(bǔ)償收縮混凝土由于其內(nèi)部的致密性和鈣礬石的不斷生成，填充了部分初始缺陷，對(duì)提高相對(duì)動(dòng)彈性模量有一定促進(jìn)作用，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了補(bǔ)償收縮混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量的下降趨勢(shì)要緩于普通混凝土。

圖1 凍融次數(shù)與相對(duì)動(dòng)彈性模量之間的關(guān)系

2．質(zhì)量損失率分析。

兩種混凝土凍融次數(shù)與質(zhì)量損失率關(guān)系如圖2所示。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，普通混凝土在凍融循環(huán)作用下，質(zhì)量損失比較明顯，凍融次數(shù)100次時(shí)，普通混凝土的質(zhì)量損失率達(dá)到2.01%，混凝土表面有明顯脫皮現(xiàn)象。膨脹劑的摻人對(duì)混凝土質(zhì)量損失率有明顯的抑制作用，經(jīng)過(guò)100次凍融循環(huán)，補(bǔ)償收縮混凝土質(zhì)量損失率只有1.56%，承受凍融破壞能力要強(qiáng)于普通混凝土。

圖2 凍融次數(shù)與質(zhì)量損失率之間的關(guān)系

3．力學(xué)性能對(duì)比分析。

從圖3中可以看出凍融次數(shù)與混凝土抗壓強(qiáng)度之間的變化關(guān)系。隨著凍融次數(shù)的遞增，兩種混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸減小。凍融初期普通混凝土和補(bǔ)償收縮混凝土28d齡期是強(qiáng)度基本相同，表明膨脹劑對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度提高不明顯，但是隨著凍融次數(shù)的增加，普通混凝土強(qiáng)度劣化程度明顯大于補(bǔ)償收縮混凝土，尤其是凍融次數(shù)在100次時(shí)，普通混凝土抗壓強(qiáng)度為18.6MPa，強(qiáng)度損失35.2%，補(bǔ)償收縮混凝土抗壓強(qiáng)度20.2MPa，強(qiáng)度損失30.3%；凍融條件下混凝土抗壓強(qiáng)度整體變化趨勢(shì)相同。隨著環(huán)境溫度的降低，在吸水飽和混凝土內(nèi)部孔隙中的水分開始凍結(jié)，水在凍結(jié)過(guò)程將會(huì)產(chǎn)生膨脹，對(duì)已經(jīng)凍結(jié)生成的冰晶形成制約作用，從而產(chǎn)生一定應(yīng)力差，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部損傷。補(bǔ)償收縮混凝土因膨脹劑的水化作用，內(nèi)部產(chǎn)生大量的鈣礬石，填充部分空隙，使得混凝土內(nèi)部水結(jié)冰產(chǎn)生的膨脹壓力較小，從而減輕混凝土凍脹力帶來(lái)的內(nèi)部損傷。試驗(yàn)結(jié)果表明隨著凍融次數(shù)的增加，補(bǔ)償收縮混凝土抗壓強(qiáng)度損失率低于普通混凝土，能有效改善混凝土的抗凍性。

圖3 凍融次數(shù)與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系

三 結(jié)束語(yǔ)

1.凍融環(huán)境條件下，普通混凝土和補(bǔ)償收縮混凝土的質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈模量損失率明顯降低，抗凍性能隨著凍融次數(shù)的增加而逐漸降低。但是摻入膨脹劑的補(bǔ)償收縮混凝土改變了混凝土的孔結(jié)構(gòu)，降低了凍融損傷后混凝土質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈模量損失率。

2.通過(guò)外觀特征可以看出，膨脹劑對(duì)凍融條件混凝土表面剝蝕有一定的改善作用，凍融對(duì)普通混凝土和補(bǔ)償收縮混凝土均有一定的表面破壞，但是對(duì)于補(bǔ)償收縮混凝土的破壞程度明顯小于普通混凝土，顯現(xiàn)膨脹劑的填充密實(shí)作用，適量摻入膨脹劑可以提高抗凍性能。

3.力學(xué)性能試驗(yàn)得出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，補(bǔ)償收縮混凝土抗壓強(qiáng)度是逐漸降低的，但是降低的幅度比普通混凝土要小，凍融100次后，普通混凝土抗壓強(qiáng)度下降35.2%，而補(bǔ)償收縮混凝土抗壓下降30.3%，表明適量摻入膨脹劑可以延緩強(qiáng)度的劣化，提高混凝土的使用壽命和安全系數(shù)。

[1]施士升.凍融循環(huán)對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響[J].土木工程學(xué)報(bào),1997,30(4):35-42.

[2]鄒超英,趙娟,梁鋒,等.凍融作用后混凝土力學(xué)性能的衰減規(guī)律[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2008,29(1):117-123,138.

[3]Chao-Ying Zou,Juan Zhao,Jian-Lin Luo,et al. Experimental Studies on Mechanical Properties of Concreteunder Freeze-Thaw Action [C].Proceeding of the Ninth International Symposium on Structural Engineering for Young Exports. Fuzhou, Science Press.2006:1759-1764.

[4]鄒超英,趙娟,梁鋒,等.凍融環(huán)境下混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的試驗(yàn)研究[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2007,39(2):229-231.

[5]宋玉普,于長(zhǎng)江,覃麗坤. 凍融環(huán)境下混凝土雙向受壓強(qiáng)度與變形特性試驗(yàn)研究[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào),2004,44(4):545-549.

[6]W. Sun, Y. M. Zhang, H. D. Yan. Damage and Damage Resistance of High Strength Concrete under the Action of Load and Freeze-Thaw Cycles[J].Cement and Concrete Research. 1999,1(29):1519-1523.

[7]W. Sun, Y. M. Zhang, H. D. Yan, et al．Damage and its Restraint of Concrete with Different Strength Grades under Double Damage Factors[J].Cement & Concrete Composites,999,21:439-442.