凍融環境下補償收縮混凝土抗凍性能試驗研究

黃 偉

(1.淮南聯合大學 建筑工程系，安徽 淮南 232038；2.安徽理工大學 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構的使用壽命，國內外許多學者開展了凍融破壞研究。施士升[1]對經受不同次數凍融循環的混凝土力學性能進行了研究；鄒超英[2-4]對凍融環境混凝土基本力學性能影響規律進行系統研究，研究結果均表明凍融循環次數的增多會逐漸加大各項力學性能指標劣化程度，最終導致結構安全性能漸次降低。宋玉普[5]等一直致力于凍融環境中普通混凝土和海洋混凝土在復雜應力狀態下力學性能的研究。孫偉等[6-7]對荷載與外界環境共同作用下混凝土耐久性研究方面開展相關研究工作，分析混凝土在腐蝕性環境條件耐久性能。雖然好多學者開展混凝土抗凍性的研究工作，但對補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，主要集中在研究補償收縮混凝土的限制膨脹率、力學性能等，隨著補償收縮混凝土在工程中的應用范圍越來越多，環境條件對補償收縮混凝土產生一定影響，有必要對補償收縮混凝土的抗凍性進行試驗研究。本文主要采用試驗分析的方法，對補償收縮混凝土的抗凍性進行分析，研究特定膨脹劑摻入下，補償收縮混凝土力學性能、質量損失率和相對動彈性模量的變化趨勢，分析補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 試驗設計及試驗方法

試驗配合比根據混凝土設計規范進行配比設計，膠凝材料配合比為1：0.5：1.73：2.22，選用P·C32.5復合硅酸鹽水泥,水泥的物理性能及化學成分符合現行國家標準；采用北京德昌生產的DC-C10混凝土膨脹劑，摻量為8%；中砂，細度模數為2.62；石子采用粒徑范圍為5-15mm的連續級配。

凍融循環試驗按照GB/T50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法》中抗凍性能試驗要求進行，采用慢凍法進行試驗，該試驗方法的受凍狀態比較接近實際情況，但是實驗周期較長、工作量大。本次試驗采用凍融次數設置為0、30、50、70、100次，主要測試混凝土抗壓強度、相對動彈性模量以及質量損失率。混凝土試件均采用一次性攪拌澆筑完成，保證配合比的統一，試件尺寸采用100mm×100mm×100mm和100mm×100mm×400mm試件，每組3個試件，共制作30個試件。兩種混凝土按照各自混凝土技術規程規定進行養護，齡期達到28d后進行凍融循環試驗。

二 試驗結果與分析

1.凍融性能參數對比分析。

圖1為兩種混凝土相對動彈性模量與凍融次數之間的關系圖。圖示表明：在凍融開始時，混凝土相對動彈性模量下降速度都較快，因其內部存在一定的初始缺陷，在凍融初期得以發展；這些初始缺陷發展到一定程度后，將進入一段穩定期，無新的缺陷源產生，所以當凍融次數達到一定數值時，相對動彈性模量下降速度變慢；繼續凍融，原有的初始缺陷將繼續擴展，從而在混凝土內部產生了新的缺陷源，這些缺陷源也會隨凍融次數繼續增加不斷擴展，從而導致相對動彈性模量的下降速度加大。但是補償收縮混凝土由于其內部的致密性和鈣礬石的不斷生成，填充了部分初始缺陷，對提高相對動彈性模量有一定促進作用，實驗結果證實了補償收縮混凝土的相對動彈性模量的下降趨勢要緩于普通混凝土。

圖1 凍融次數與相對動彈性模量之間的關系

2．質量損失率分析。

兩種混凝土凍融次數與質量損失率關系如圖2所示。通過對比發現，普通混凝土在凍融循環作用下，質量損失比較明顯，凍融次數100次時，普通混凝土的質量損失率達到2.01%，混凝土表面有明顯脫皮現象。膨脹劑的摻人對混凝土質量損失率有明顯的抑制作用，經過100次凍融循環，補償收縮混凝土質量損失率只有1.56%，承受凍融破壞能力要強于普通混凝土。

圖2 凍融次數與質量損失率之間的關系

3．力學性能對比分析。

從圖3中可以看出凍融次數與混凝土抗壓強度之間的變化關系。隨著凍融次數的遞增，兩種混凝土抗壓強度逐漸減小。凍融初期普通混凝土和補償收縮混凝土28d齡期是強度基本相同，表明膨脹劑對混凝土的抗壓強度提高不明顯，但是隨著凍融次數的增加，普通混凝土強度劣化程度明顯大于補償收縮混凝土，尤其是凍融次數在100次時，普通混凝土抗壓強度為18.6MPa，強度損失35.2%，補償收縮混凝土抗壓強度20.2MPa，強度損失30.3%；凍融條件下混凝土抗壓強度整體變化趨勢相同。隨著環境溫度的降低，在吸水飽和混凝土內部孔隙中的水分開始凍結，水在凍結過程將會產生膨脹，對已經凍結生成的冰晶形成制約作用，從而產生一定應力差，導致混凝土內部損傷。補償收縮混凝土因膨脹劑的水化作用，內部產生大量的鈣礬石，填充部分空隙，使得混凝土內部水結冰產生的膨脹壓力較小，從而減輕混凝土凍脹力帶來的內部損傷。試驗結果表明隨著凍融次數的增加，補償收縮混凝土抗壓強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 凍融次數與抗壓強度之間的關系

三 結束語

1.凍融環境條件下，普通混凝土和補償收縮混凝土的質量損失率和相對動彈模量損失率明顯降低，抗凍性能隨著凍融次數的增加而逐漸降低。但是摻入膨脹劑的補償收縮混凝土改變了混凝土的孔結構，降低了凍融損傷后混凝土質量損失率和相對動彈模量損失率。

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

3.力學性能試驗得出，隨著凍融循環次數的增加，補償收縮混凝土抗壓強度是逐漸降低的，但是降低的幅度比普通混凝土要小，凍融100次后，普通混凝土抗壓強度下降35.2%，而補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度的劣化，提高混凝土的使用壽命和安全系數。

[1]施士升.凍融循環對混凝土力學性能的影響[J].土木工程學報,1997,30(4):35-42.

[2]鄒超英,趙娟,梁鋒,等.凍融作用后混凝土力學性能的衰減規律[J].建筑結構學報,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.凍融環境下混凝土應力-應變關系的試驗研究[J].哈爾濱工業大學學報,2007,39(2):229-231.

[5]宋玉普,于長江,覃麗坤. 凍融環境下混凝土雙向受壓強度與變形特性試驗研究[J].大連理工大學學報,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.