凍融條件下補償收縮混凝土強度劣化機理試驗

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）

凍融條件下補償收縮混凝土強度劣化機理試驗

黃偉1,2

（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）

凍融是混凝土結構隨季節變化所必須經歷的階段，隨著凍融次數的增加，混凝土的表觀特征和強度將發生退變.采用凍融次數為0、30、50、70、100次，對補償收縮混凝土進行凍融循環試驗，分析補償收縮混凝土的表面特征和強度劣化趨勢，發現隨著凍融次數的增加，普通混凝土與補償收縮混凝土相比，表面破壞更嚴重，混凝土抗壓和抗折強度呈現下降趨勢.凍融100次后，普通混凝土抗壓、抗折強度分別下降35.2%和44.1%，而補償收縮混凝土抗壓、抗折強度分別下降30.3%和35.3%，說明適當摻入膨脹劑對提高混凝土的抗凍性有一定的作用，有利于控制和降低混凝土凍融環境下強度的退化.

凍融次數；補償收縮混凝土；凍融循環；劣化機理

混凝土凍融作用是影響混凝土耐久性能好壞的重要因素之一，凍融破壞是隨周圍環境季節變化必須經歷的過程.混凝土凍融破壞的顯著特征是混凝土試件表皮剝落，構件截面減小，強度下降，嚴重影響混凝土結構的耐久性，降低結構的安全系數.如何改善并提高混凝土的抗凍性對今后工程應用至關重要.曹大富等[1-2]對凍融循環作用下混凝土受壓本構特征和受拉性能開展研究，分析快凍對混凝土受壓性能的影響以及受拉力學性能的演變.潘鋼華[3]研究不同粉煤灰摻量、凍融方式和混凝土組成材料的變化對混凝土在凍融循環中損傷程度的影響.現有的研究成果都主要集中在強度損失、質量損失、動彈性模量等方面[4-6].大多數學者對混凝土凍融破壞機理以及混凝土性能退化機理尚未取得統一的認識.本試驗從材料選擇出發，結合補償收縮混凝土特性進行混凝土凍融循環試驗，系統探討凍融次數對補償收縮混凝土強度性能劣化的原因，為推廣該種材料提供重要的試驗依據.

1 混凝土凍融破壞與補償收縮理論

1.1 凍融破壞機理

混凝土是由水泥砂漿和粗細骨料復合而成的毛細孔多孔體，在拌制混凝土時，為了滿足施工要求，混凝土必須具備一定的和易性，同時由于用作骨料的物質，無論是天然的巖石材料，還是人工制造的材料，都不是完全密實的，每一個顆粒內部都存在各種各樣的空隙，包括裂紋、氣泡，以及宏觀和微觀的缺陷等.其中有的空隙是開放性的，允許外界的水在常溫常壓條件下進入，有的則是不允許外界的水在常溫常壓下進入的封閉孔隙，這些都是導致混凝土成為一種多孔材料的因素.

混凝土的凍融破壞是一個極其復雜的物理變化過程，影響因素諸多，比如養護條件、配合比、材料等.許多學者采用冰的分離層理論、充水系數理論、滲透壓理論、水壓力理論、孔結構理論，以及極限充水程度理論等分析混凝土凍融破壞作用[7-8].上述幾種理論從不同角度闡述了混凝土凍融破壞的機理，盡管這些理論相互之間有一定的分歧，但是基本可以認為混凝土的凍融破壞是一個由表及里，先大孔后小孔的物理變化過程.混凝土吸收水分后，由于環境影響，孔隙中的水結成冰產生體積膨脹，這種凍脹力在混凝土內部形成壓力.當孔隙水處于飽和狀態且混凝土內部孔隙較大，產生的凍脹力超過混凝土所能承受的極限應力時，引起混凝土內部孔隙產生裂紋，隨著凍融次數增加，這種凍融導致的裂隙不斷地發育和貫通，最終導致混凝土被破壞.

1.2 補償收縮混凝土作用機理

補償收縮混凝土是在普通混凝土中摻入一定數量的膨脹劑配制而成的.在養護期間，膨脹劑利用自身的化學反應或與水泥中的其他成分發生化學反應，產生一定的限制膨脹來補償混凝土的收縮，從而達到抗滲防裂的目的[9].盡管補償收縮混凝土在干燥空氣中同樣會產生干縮，但收縮落差比普通混凝土要低30%左右，一般小于極限拉應變而不會開裂.由于補償收縮混凝土干縮開始時間比較滯后，而在此期間混凝土已經具備了一定的抗拉強度，能夠抵抗由混凝土干縮產生的拉應力，另外膨脹劑與水泥成分發生反應，產生大量的鈣礬石，可以填補混凝土內部微孔隙，因而可有效減免有害裂縫的產生，提高混凝土的耐久性能.

2 試驗材料與試驗方法

2.1 原材料與混凝土配合比

試驗采用淮南八公山牌PC32.5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；膨脹劑采用DC-C10混凝土膨脹劑，砂子采用河砂，細度模數為2.62；石子采用粒徑范圍為5～15mm的連續級配，混凝土設計強度等級為C20.

試驗方案和試驗配合比設計如表1所示.

表1 配合比一覽表（單位：kg/m3）

2.2 試件制作與凍融方法

普通混凝土試件制作好后直接放入養護箱養護28 d；補償收縮混凝土試件制作后放入水中養護14 d，然后放入養護箱養護28 d后進行凍融循環試驗，抗凍性能試驗主要有快凍法和慢凍法，慢凍法的氣凍水融方式和凍融速度與實際凍融情況極為相似，為了與實際情況一致，本文采用慢凍法進行凍融循環試驗，提前將試件完全浸泡在水中，控制水溫在15℃～20℃，每次凍融循環時間應控制在24 h內完成.通過設定凍箱溫度（-15℃～20℃）控制凍結時間在4 h以上，保證混凝土內部完全凍結，溶解時將試件放入水槽中，控制水槽水溫在15℃～20℃、融化時間在4 h以上確保混凝土完全融化，凍融次數設置為0、30、50、70、100次.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，其中抗壓強度試件尺寸采用100mm×100mm×100mm的試件，抗折強度試件采用100mm×100mm×400mm的試件，每組3個試件，共制作15個抗壓試件和15個抗折試件.

3 試驗結果

3.1 凍融破壞對比分析

為了分析普通混凝土與補償收縮混凝土凍融破壞特征，對普通混凝土和補償收縮混凝土內部初始特性進行電鏡掃描（放大倍數為80倍），掃描結果如圖1所示.

圖1 混凝土內部電鏡掃描圖

摻膨脹劑的水泥石斷面空洞比較少，結構面相對比較密實，表明膨脹劑水化產生的鈣礬石和C-S-H凝膠正好填充到毛細孔縫和缺陷中，從宏觀上判定摻膨脹劑配制的水泥漿具有相對致密的漿體結構，有利于提高補償收縮混凝土的抗凍性能.

混凝土凍融循環初期，試件表面沒有明顯變化，隨著凍融次數的增加，試件表面的水泥漿開始出現塊狀剝落，并出現空洞、骨料裸露等特征，試件截面有明顯削弱，如圖2所示.補償收縮混凝土較普通混凝土而言，凍融循環破壞程度明顯減小，破壞主要集中在試件邊緣部位，表明膨脹劑的摻入產生的微膨脹效應增進了混凝土的致密性，改善了孔結構，阻止了外部水分進入混凝土內部，降低了混凝土內部的吸水能力，有利于提高混凝土的抗凍性.

圖2 凍融100次后混凝土試件圖

3.2 強度劣化分析

從圖3中可以看出，混凝土隨著凍融次數增加，抗壓強度和抗折強度都逐漸減小，普通混凝土和補償收縮混凝土28 d齡期是強度基本相同，表明膨脹劑對混凝土的抗壓和抗折強度沒有太多的改善，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僅為18.6MPa，補償收縮混凝土抗壓強度為20.2MPa；普通混凝土抗壓、抗折強度分別下降35.2%和44.1%，而補償收縮混凝土抗壓、抗折強度分別下降30.3%和35.3%.混凝土抗折強度與抗壓強度整體變化趨勢呈現相同態勢，這主要是因為混凝土結構隨著溫度的降低，其內部較大孔隙中的水分開始凍結，接著較小孔隙中的水分凍結.在較小孔隙內的水分凍結過程中，孔隙水結冰的膨脹會受到較大孔隙冰晶的約束作用，從而產生凍脹力.與普通混凝土相比，補償收縮混凝土因膨脹劑產生的鈣礬石填充部分大空隙，使得混凝土內部水結冰產生的凍脹力較小，試件表面產生的裂縫也比普通混凝土少，能夠緩解凍融破壞程度.試驗結果也證明了補償收縮混凝土強度降低的幅度要低于普通混凝土.

4 結論

圖3 凍融條件下混凝土抗壓與抗折強度變化圖

混凝土的凍融破壞是一個極其復雜的過程，在凍融循環作用下，混凝土試塊內部孔隙水發生凍脹作用，使混凝土內部結構逐漸產生損傷，導致混凝土結構出現裂縫等表觀破壞特征，最終導致結構承載力降低，影響混凝土結構的使用壽命.然而隨著試驗技術和材料科學的發展，通過掌握混凝土的凍融破壞機理，可采用適當的措施去降低和控制凍融破壞的程度.本文通過試驗研究得到以下幾點結論：

（1）嚴格控制混凝土的配合比，同時適當摻入膨脹劑可以改善混凝土內部孔結構，利用鈣礬石的填充密實作用來提高混凝土的抗凍性能.

（2）隨著凍融循環次數的增加，補償收縮混凝土抗壓、抗折強度是逐漸降低的，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、抗折強度分別下降35.2%和44.1%，而補償收縮混凝土抗壓、抗折強度分別下降30.3%和35.3%，表明摻入膨脹劑有利于減少混凝土凍融環境下強度的退化.

（3）通過外觀特征發現，凍融對普通混凝土和補償收縮混凝土均會造成一定的表面破壞，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.這為凍融環境下混凝土結構設計提供參考.

[1]曹大富,富立志,楊忠偉,等.凍融循環作用下混凝土受壓本構特征研究[J].建筑材料學報,2013,16(1):17-23,32.

[2]曹大富,富立志,楊忠偉.凍融循環作用下混凝土的受拉性能研究[J].建筑材料學報,2012,15(1):48-52.

[3]潘鋼華,秦鴻根,孫偉,等.粉煤灰混凝土凍融破壞機理研究[J].建筑材料學報,2002,5(1):37-41.

[4]羅昕,衛軍.凍融循環后流態混凝土與普通混凝土試驗研究[J].四川建筑科學研究,2005,31(6):155-158.

[5]商懷帥,宋玉普,覃麗坤.普通混凝土凍融循環后性能的試驗研究[J].混凝土與水泥制品,2005(2):9-11.

[6]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):118-123.

[7]李金玉,曹建國,徐文雨,等.混凝土凍融破壞機理的研究[J].水利學報,1999(1):41-49.

[8]梁黎黎.凍融循環作用下混凝土力學性能試驗研究[J].混凝土, 2012(3):55-57.

[9]吳中偉,廉慧珍.高性能混凝土[M].北京:中國鐵道出版社,1999.

【編校：李青】

Experimental Research on Deterioration Mechanism of Com pensation Shrinkage Concrete Strength under the Condition of Freeze Thaw ing

HUANGWei1,2
(1.Department Of Architectural Engineering,Huainan Union of University,Huainan,Anhui 232038,China;2.Underground Engineering Research Center for Mining ofMinistry of Education,Anhui University of Science and Technology, Huainan,Anhui232001,China)

Freeze thawing isan obligatory phase of concrete structure changingwith the seasons.With the increase of the number of freeze thawing,the degeneration ofapparent characteristics and strength of the concretewill take place.The 0, 30,50,70,100 timesof freeze thawingwere tested respectively.The cyclic experimental study on shrinkage-compensating concretewas carried out,the analysis on apparent characteristics and strength degradation trend of shrinkage-compensating concreteweremade.With the increase ofnumber of freeze thawing,more serious damage could be found in ordinary concrete than shrinkage compensating concrete.Concrete compressive strength and flexural strength declinewith the increase of the number of freeze thawing so that after 100 times of freeze thawing,compressive strength and flexural strength ofordinary concrete decline 35.2%and 44.1%respectively,and thatof the shrinkage compensating concrete decline 30.3%and 35.3%respectively.Appropriate adding ofexpansive agent show certain intensifing effecton enhancing concrete frost-resistance,and could benefit the controland reduction of the deterioration of concrete strength.

freeze-thaw times;shrinkage-compensating concrete;freeze-thaw cycle;deteriorationmechanism

TU528.55

A

1671-5365(2014)12-0062-03

2014-06-14修回：2014-07-01

淮南市科技計劃項目（2012A01103）；安徽省住房城鄉建設科學技術計劃項目（2013YF-55）；安徽省高校省級優秀人才基金重點項目（2013SQRL140ZD）

黃偉（1980-），男，副教授，在站博士后，研究方向混凝土結構

時間：2014-08-22 15:23

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1630.Z.20140822.1523.008.htm l