抗凍劑對(duì)T梁混凝土抗凍性能的影響測(cè)試研究

陳志強(qiáng) 黃靈色

摘要 文章以某高原地區(qū)橋梁項(xiàng)目為工程背景，以實(shí)驗(yàn)室模擬測(cè)試的方法，圍繞養(yǎng)護(hù)方法、抗凍劑類型、抗凍劑含量對(duì)C50T梁混凝土的抗凍性能影響進(jìn)行了測(cè)試研究。結(jié)果表明，摻JB-1型抗凍劑的混凝土其抗凍性能優(yōu)于摻HD型抗凍劑的混凝土，因此在同類條件地區(qū)進(jìn)行混凝土T梁建設(shè)時(shí)，建議使用含量為1.50%的JB-1型抗凍劑。

關(guān)鍵詞 T梁混凝土；抗凍劑；標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)；負(fù)溫養(yǎng)護(hù)；抗凍性能；測(cè)試研究

中圖分類號(hào) TU528文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）09-0108-03

0 引言

混凝土抗凍性能是指在經(jīng)過多次反復(fù)融凍循環(huán)后，仍能維持其原有性能的能力。在高原地區(qū)，混凝土結(jié)構(gòu)多處在惡劣的負(fù)溫環(huán)境中，融凍循環(huán)頻繁，致使混凝土結(jié)構(gòu)面臨十分嚴(yán)重的環(huán)境考驗(yàn)。為了增強(qiáng)T梁混凝土的抗凍性能，可以通過添加抗凍劑來提高混凝土的持久性。這對(duì)于海拔平均高度在3 000 m以上、環(huán)境作用級(jí)別為D、晝夜溫差比較大的Ⅱ類環(huán)境地區(qū)尤其重要。該研究以實(shí)驗(yàn)室模擬測(cè)試的方法，圍繞抗凍劑對(duì)T梁C50混凝土的抗凍性能的影響開展測(cè)試研究，以期為負(fù)溫環(huán)境下的T梁混凝土抗凍工程應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 試件養(yǎng)護(hù)方法

測(cè)試環(huán)境條件為海拔3 000 m以上，環(huán)境作用級(jí)別為D的Ⅱ類環(huán)境地區(qū)，為此設(shè)計(jì)了3套試件養(yǎng)護(hù)制度。

（1）標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。脫模后，將試件置于溫度為20±2 ℃，濕度不低于95%的養(yǎng)護(hù)室內(nèi)密封養(yǎng)護(hù)。

（2）變負(fù)溫養(yǎng)護(hù)。用保鮮膜將新拌和混凝土密封好，在室溫為20±2 ℃、濕度不低于95%的恒溫室中預(yù)養(yǎng)4 h，然后放入冷凍箱中，然后在?20±2 ℃冷凍箱中養(yǎng)護(hù)12 h，再放入20±2 ℃正溫環(huán)境下養(yǎng)護(hù)12 h，變負(fù)溫養(yǎng)護(hù)7 d后，再轉(zhuǎn)移到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)。

（3）恒負(fù)溫養(yǎng)護(hù)。新拌和混凝土用保鮮膜密封，在室溫為20±2 ℃、濕度不低于95%的恒溫室中預(yù)養(yǎng)4 h，然后放入?20±2 ℃冷凍箱中進(jìn)行負(fù)溫養(yǎng)護(hù)7 d，再轉(zhuǎn)移到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)溫度為?20 ℃，試件預(yù)養(yǎng)護(hù)和解凍時(shí)間4 h。

2 抗凍性測(cè)試方法

該測(cè)試使用的抗凍劑是JB-1型和HD型抗凍劑，都是硝酸鹽類抗凍劑。測(cè)試中，JZ為高效減水劑配制的混凝土，A1、A2、A3分別為JB-1抗凍劑含量為1.00%、1.50%、2.00%的混凝土，B1、B2、B3分別為A1、A2、A3的基于高效減水劑的HD型抗凍復(fù)配。

在混凝土融凍循環(huán)中，當(dāng)外部溫度大于內(nèi)部溫度時(shí)，內(nèi)部的凍結(jié)部分會(huì)被融化，更多水分參與融凍循環(huán)，使混凝土狀態(tài)受到破壞。主要分為2個(gè)階段：

（1）凍結(jié)階段，試件箱內(nèi)溶液凍結(jié)，借以模擬高原低溫環(huán)境下的結(jié)冰現(xiàn)象。

（2）融化階段，試件箱中的溶液融化，試件浸泡在溶液中，借以模擬環(huán)境溫度開始上升，冰凍進(jìn)入融化階段。

這2個(gè)階段構(gòu)成1個(gè)循環(huán)過程，一般在2～4 h內(nèi)完成。經(jīng)過數(shù)次循環(huán)后，可以達(dá)到所模擬的負(fù)溫融凍循環(huán)功效，經(jīng)過融凍循環(huán)次數(shù)后，仍滿足要求的就是混凝土的抗凍級(jí)別[1]。

測(cè)試在混凝土快速融凍測(cè)試機(jī)上進(jìn)行。每類配比成型試件12組，每組配備3個(gè)試件。試件規(guī)格為10 cm×

10 cm×40 cm，取每組試件的測(cè)試均值作為抗凍指標(biāo)，每經(jīng)50次融凍后觀察損傷，稱量試件質(zhì)量，檢測(cè)試件的動(dòng)態(tài)彈塑模量。當(dāng)試件的相對(duì)動(dòng)彈塑模量降低到60%，或者質(zhì)量損失率達(dá)5%時(shí)，停止測(cè)試。動(dòng)態(tài)彈塑模量按公式（1）進(jìn)行計(jì)算：

Ed=13.244×10?4×WL3f 2/a4 （1）

式中，Ed——試件動(dòng)彈塑模量（MPa）；W——試件質(zhì)量（kg）；L——試件長(zhǎng)度（mm）；a——試件正方形截面的邊長(zhǎng)（mm）；f——試件的橫向振動(dòng)基頻（Hz）。

相對(duì)動(dòng)彈塑模量是指每次融凍循環(huán)后，試件的動(dòng)彈塑模量與測(cè)試前同批試件的動(dòng)彈塑模量之比，按公式（2）進(jìn)行計(jì)算：

式中，Ed0——初始動(dòng)彈塑模量（MPa）；Edn——第n次循環(huán)的動(dòng)彈塑模量（MPa）；Ei——第i次循環(huán)的相對(duì)動(dòng)彈塑模量。

質(zhì)量損失率計(jì)算公式：

式中，Woi——試件第i次循環(huán)的初始質(zhì)量（g）；Wni——第i個(gè)試件第n次循環(huán)后的質(zhì)量（g）；ΔWnt——第i個(gè)試件第n次循環(huán)后的質(zhì)量損失率（%）。

3 養(yǎng)護(hù)方法對(duì)T梁混凝土的抗凍性能影響

3.1 對(duì)質(zhì)量損失的影響

測(cè)試獲得的C50T梁混凝土質(zhì)量損失結(jié)果顯示：在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，抗凍劑含量為1.00%時(shí)，隨著養(yǎng)護(hù)溫度的降低，混凝土質(zhì)量損失對(duì)應(yīng)增加，與變負(fù)溫條件下的質(zhì)量損失率相比，A1組和B1組試件該值相差約0.30%；與JZ組相比，兩種抗凍混凝土的質(zhì)量損失均比較??；在變負(fù)溫養(yǎng)護(hù)下，JZ組的質(zhì)量損失比較大，達(dá)到2.81%。早期變負(fù)溫條件對(duì)混凝土功效發(fā)展影響較大，顯示養(yǎng)護(hù)條件對(duì)混凝土抗凍性能存在明顯影響。

當(dāng)抗凍劑含量為1.50%時(shí)，兩組防凍混凝土在變負(fù)溫養(yǎng)護(hù)和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的質(zhì)量損失比較小，都小于1.00%，抗凍組分和早強(qiáng)組分改善了混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，一定程度降低了其液相水的冰點(diǎn)，從而形成良好的抗凍性能。與抗凍混凝土相比，JZ組的混凝土質(zhì)量損失率降低了0.50%～1.00%。

當(dāng)抗凍劑含量為2.00%時(shí)，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下，A組和B組抗凍試件的混凝土質(zhì)量損失相對(duì)較小，其中的早強(qiáng)組分加速了水化產(chǎn)物的形成，改善了混凝土內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)搭接，使混凝土結(jié)構(gòu)變得更加緊密，從而形成良好的抗凍性能。

3.2 對(duì)相對(duì)動(dòng)彈塑模量的影響

通過分析抗凍劑含量對(duì)相對(duì)動(dòng)彈塑模量影響可知：當(dāng)抗凍劑含量為1.00%、1.50%、2.00%時(shí)，不同養(yǎng)護(hù)制度下T梁混凝土抗凍性能顯著不同。加入少量抗凍劑以后，水化反應(yīng)加快，生成了大量水化產(chǎn)物，使得混凝土的內(nèi)部孔隙發(fā)生變化。液相水的冰點(diǎn)降低，可緩解結(jié)冰帶來的膨脹壓力，增強(qiáng)了抗凍性。在變負(fù)溫養(yǎng)護(hù)下，當(dāng)抗凍劑含量高于2.00%時(shí)，混凝土抗凍性跟抗凍劑含量間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[2]。

4 抗凍劑類型的影響

4.1 對(duì)質(zhì)量損失的影響

測(cè)試結(jié)果顯示，同種抗凍劑下，隨著抗凍劑含量的增加，混凝土的質(zhì)量損失對(duì)應(yīng)降低。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下，質(zhì)量損失率A組與B組相差1.00%，抗凍功效良好。早強(qiáng)組分產(chǎn)生的水化產(chǎn)物有效填充了結(jié)構(gòu)孔隙，混凝土內(nèi)部含氣量低，增強(qiáng)了混凝土的密實(shí)度。在變負(fù)溫養(yǎng)護(hù)條件下，A組試件的混凝土質(zhì)量損失率比較小，分別降低了2.06%、1.91%和2.21%。B組試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，其質(zhì)量損失率比較小，損失率隨劑量的增加而增加。變負(fù)溫條件下，抗凍劑含量1.50%時(shí)，混凝土的質(zhì)量損失比較小。

4.2 對(duì)相對(duì)動(dòng)彈塑模量的影響

測(cè)試結(jié)果表明，隨著融凍循環(huán)的增加，兩種混凝土的相對(duì)動(dòng)彈塑模量呈現(xiàn)對(duì)應(yīng)降低狀態(tài)。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，A組試件的相對(duì)動(dòng)彈塑模量降低17.50%～20.00%，B組試件降低20.00%～26.00%；變負(fù)溫養(yǎng)護(hù)條件下，A組比初始的相對(duì)動(dòng)彈塑模量降低23.00%～25.00%，B組降低22.00%～25.00%。彈塑模量受抗凍劑含量的影響十分明顯。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，隨著抗凍劑含量的增加，相對(duì)動(dòng)彈塑模量越大，抗凍性相對(duì)越好。同等養(yǎng)護(hù)條件下，A組試件要低于B組試件的相對(duì)動(dòng)彈塑模量降低速率，表明融凍對(duì)其產(chǎn)生了較大的破壞。變負(fù)溫養(yǎng)護(hù)條件下，兩種混凝土均大幅降低了相對(duì)動(dòng)彈塑模量。防凍組分能使混凝土在負(fù)溫下繼續(xù)水化，但是低溫會(huì)導(dǎo)致水化變得不完全，從而影響了混凝土的相對(duì)動(dòng)彈塑模量狀態(tài)[3]。

5 抗凍劑含量對(duì)混凝土抗凍性能的影響

5.1 對(duì)質(zhì)量損失的影響

C50T梁混凝土28 d養(yǎng)護(hù)后開展抗凍性能測(cè)試?？箖鰟┖繛?.00%、1.50%、2.00%的混凝土融凍循環(huán)以后，其質(zhì)量損失率檢測(cè)結(jié)果見圖1。

圖1（a）曲線顯示，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，經(jīng)過300次凍融循環(huán)后，混凝土的質(zhì)量損失隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增加，各組混凝土的質(zhì)量損失率總體呈上升趨勢(shì)。JZ組試件的表面砂漿脫落，質(zhì)量損失最大。JB-1抗凍劑含量為2%的試件其質(zhì)量損失率最小，降低1.80%。JZ組試件經(jīng)過300次融凍后，質(zhì)量損失率比初始狀態(tài)下降2.30%；添加抗凍劑以后，質(zhì)量損失率顯著降低。A3組的質(zhì)量損失率比JZ組低0.60%，HD抗凍劑含量2.00%的試件的質(zhì)量損失率比JZ組低0.50%。隨著抗凍劑含量的增加，質(zhì)量損失率相應(yīng)降低；JZ組試件的抗凍性最差，A3組試件的抗凍性最好?？箖鰟└纳苹炷羶?nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)，提高薄弱界面區(qū)的功效，可以明顯增強(qiáng)混凝土的凍融耐受性。

圖1（b）曲線顯示，在變負(fù)溫條件下經(jīng)過300次循環(huán)以后，A組和B組試件的質(zhì)量損失率均低于JZ組，表明抗凍劑增強(qiáng)了混凝土的密度，使膠凝體系不易被融凍侵蝕。抗凍劑含量為1.50%時(shí)，抗凍功效較好，其凍融300次以后的質(zhì)量損失率降低1.91%，B1組試件次之，JZ組試件的質(zhì)量損失率最大。A2組比JZ組的質(zhì)量損失率降低0.90%，與相同循環(huán)次數(shù)下標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的試件相比，質(zhì)量損失率增加了0.10%。B2組比JZ組的質(zhì)量損失率降低0.80%，比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件提高0.10%。隨著融凍循環(huán)次數(shù)的增加，與水接觸的混凝土表面會(huì)逐步形成含冰層。當(dāng)融凍帶來的凍脹力超過其極限抗拉能力時(shí)，含冰層就會(huì)脫落。

5.2 對(duì)動(dòng)彈塑模量的影響

抗凍劑含量對(duì)混凝土動(dòng)彈塑模量的結(jié)果如圖2所示。

由圖2（a）曲線顯示，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下經(jīng)過300次融凍循環(huán)后，每組試件隨著融凍循環(huán)次數(shù)的增加，其相對(duì)動(dòng)彈塑模量降低，但相對(duì)動(dòng)彈塑模量都不小于75%。其中JZ組的相對(duì)動(dòng)態(tài)模量最低，比初始狀態(tài)下降27.70%，A3組的相對(duì)動(dòng)彈塑模量最高，比初始下降17.4%，比JZ組增長(zhǎng)10.20%。B3組的相對(duì)動(dòng)彈塑模量比JZ組增長(zhǎng)了8.60%，相對(duì)于初始狀態(tài)下降了19.20%。由上述測(cè)試結(jié)果顯示，混凝土的相對(duì)動(dòng)彈塑模量隨著抗凍劑含量的增加而增加；當(dāng)抗凍劑含量不足時(shí)，混凝土密度會(huì)降低，內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)增加更多的間隙；抗凍劑的引氣成分催生更加細(xì)小、均勻、封閉的氣泡，用來吸收冰晶發(fā)展過程中所產(chǎn)生的凍脹力，減少凍脹引起的混凝土原有裂隙的擴(kuò)展，以增強(qiáng)抗凍性。

由圖2（b）曲線顯示，變負(fù)溫養(yǎng)護(hù)條件下，經(jīng)過300次融凍循環(huán)后，試件混凝土的動(dòng)彈塑模量明顯受到抗凍劑比例的影響，其中JZ組的相對(duì)動(dòng)彈塑模量變化最大，比初始情況下降29.70%，比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的試件降低了2.00%。內(nèi)部界面的過渡區(qū)容易發(fā)生滲透壓，會(huì)在一定程度上增加砂漿的飽和度，使得混凝土呈現(xiàn)出抗凍性低的特點(diǎn)?？箖鰟┖繛?.50%的A2組和B2組試件的相對(duì)動(dòng)彈塑模量變化不大，主要是由于抗凍劑防凍組分降低了混凝土內(nèi)部的液相水的冰點(diǎn)，防止了溶液凍結(jié)。早強(qiáng)組分跟水化產(chǎn)物Ca（OH）2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其產(chǎn)物能夠起到細(xì)化粒徑和孔徑的作用，彌補(bǔ)骨料界面與水泥漿體過渡區(qū)的微裂紋。當(dāng)抗凍劑含量為1.50%時(shí)，相對(duì)動(dòng)彈塑模量越大，則抗凍性越好，但當(dāng)含量超出1.50%時(shí)，相對(duì)動(dòng)彈塑模量會(huì)降低，抗凍劑過量會(huì)削弱混凝土結(jié)構(gòu)之間的黏結(jié)力，從而在整體上削弱了試件抵抗凍脹能力[4]。

6 結(jié)語(yǔ)

T梁混凝土的抗凍性能測(cè)試結(jié)果顯示，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，融凍循環(huán)次數(shù)增加，試件JZ組的混凝土質(zhì)量損失率為2.32%。相比之下，A3組試件的質(zhì)量損失率較低，且相對(duì)動(dòng)彈塑模量更高。相同含量的A組試件的質(zhì)量損失更低，相對(duì)動(dòng)彈塑模量大于B組，由此可見，抗凍劑含量不同對(duì)混凝土抗凍性能影響明顯。負(fù)溫養(yǎng)護(hù)條件下，300次融凍循環(huán)后，防凍混凝土的動(dòng)彈塑模量損失率和質(zhì)量損失率均大于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的試件。摻JB-1型抗凍劑的混凝土，其抗凍性能優(yōu)于摻HD型抗凍劑的混凝土，且抗凍劑含量為1.50%時(shí)，試件混凝土的抗凍性能表現(xiàn)最好，因此在同類條件地區(qū)進(jìn)行混凝土T梁建設(shè)時(shí)，建議使用含量為1.50%的JB-1型抗凍劑。

參考文獻(xiàn)

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