高寒地區混凝土抗凍性的試驗研究

蔡斌

中圖分類號：TU528.45文獻標識碼:A文章編號：1001-6171（2015）06-0031-04

高寒地區混凝土抗凍性的試驗研究

Experimental Study on Frost Resistance of Concrete in Alpine Regions

蔡斌

中圖分類號：TU528.45文獻標識碼:A文章編號：1001-6171（2015）06-0031-04

目前，人們仍然在研究混凝土抗凍性，不斷嘗試多種途徑來改善混凝土的抗凍性。盡管有多種理論解釋凍壞機理，但并沒有哪一種得到普遍認同。根據國內外研究提出的機理成果，人們進行了很多改善混凝土抗凍性的探索，主要有改變水灰比、添加外加劑（引氣劑、減水劑等）、摻加粉煤灰等措施。

本文主要研究對象為混凝土抗凍耐久性，采用快凍法進行試驗，主要內容為：

（1）對不同配比混凝土進行凍融循環實驗，測試其有關性能（質量損失率、相對動態彈性模量等）。

（2）對不同摻合料摻加量混凝土進行凍融循環試驗，測試其有關性能（質量損失率、相對動態彈性模量等）。

1 試驗原材料及試驗方法

1.1 試驗方案及配合比設計

本次試驗選擇配制了不同水灰（膠）比的混凝土，摻加不同量摻和料（混合材）、摻入化學外加劑（引氣劑或減水劑）的混凝土，進行凍融試驗，分析其與抗凍性之間的關系。

1.1.1 試驗方案

配合比設計，注意兩個指標，一是新拌混凝土的坍落度控制在80mm±10mm，這是為了接近于施工現場；二是含氣量控制在6%±1%。

凍融試驗:采用GBJ82-85中的快凍法試件，將成型尺寸為100mm× 100mm×400mm的標準混凝土試件預養到一定齡期后進行凍融循環試驗。

1.1.2 配合比設計

（1）設計水膠比分別為0.4、0.5的混凝土，其單位體積材料用量及配比見表1。

（2）設計粉煤灰摻量分別為15%、30%的混凝土，其單位體積材料用量及配比見表2。

（3）設計高嶺土摻量分別為15%、30%的混凝土，其單位體積材料用量及配比見表3。

1.2 試驗原材料

（1）水泥。采用華新堡壘P· O42.5普通硅酸鹽水泥，化學成分見表4。

（2）砂石（細骨料，粗骨料）。依據《建筑用砂》（GB/T14684-2001）和《建筑用卵石、碎石》（GB14685-2001）。

表1 不同水膠比混凝土單位體積材料用量及配比

表2 不同粉煤灰摻量混凝土單位體積材料用量及配比

表3 不同高嶺土摻量混凝土單位體積材料用量及配比

（3）摻合料。粉煤灰采用I級粉煤灰，性能指標及化學成分見表5。

（4）化學外加劑。所摻化學外加劑為聚羧酸系高效減水劑。以GB8076-1997為檢測依據，聚羧酸系高效減水劑的技術指標見表6。

2 試驗內容及數據分析處理

2.1 凍融試驗前期準備工作

2.1.1 試件制備

國家標準《水工混凝土試驗規程》（DL/T5150-2001）、《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》（GBJ82-85）中的混凝土快速凍融循環試驗要求的試件均為100mm× 100mm×400mm的棱柱體。制備的6組混凝土試件，包括不同水膠比、不同配比及不同粉煤灰摻量等，成型的實際配合比見表7。根據國家規定快凍法的規范要求，混凝土試件成型1d后脫模，然后放進標準養護室，養護至28d后，將試件浸泡于水中4d，然后開始準備凍融試驗。

2.1.2 凍融試驗

（1）凍融設備

本試驗采用的凍融設備是TDRF-2型風冷式混凝土快速凍融裝置。

（2）凍融制度

本試驗是研究混凝土試件在水中經受凍融循環后的物理力學性能，實行“快凍法”制度，水凍水融，溫度范圍-17～8℃，每個循環周期時間2.5～4h，其中1.5～2.5h用于冰凍作用，溫度下降速率均衡，試件中心達到最低溫后開始解凍，融化時間大約1～1.5h。初步確定每運行25個循環后，測試混凝土試件的動態彈性模量和質量。

2.2 混凝土凍融試驗結果與分析

2.2.1 質量損失分析

凍融過程中混凝土試件的質量損失由兩方面組成：一方面是試件表面漿體乃至粗細集料的脫落引起，這部分是質量損失；而另一方面，隨著凍融次數增加，混凝土試件內部微裂紋的數量和體積逐漸增大，這些裂縫吸水就會導致混凝土試件質量增加。在實際凍融試驗過程中，多數時候前者的質量損失要大于后者的質量增加，總體表現為質量損失；只有凍融試驗初期（如50次循環之前）才會出現試件質量增加的情況。

表8給出了六組混凝土試件在不同凍融循環次數后的質量損失。可以看到，A、B兩組試件質量損失始終為正，且不斷增大；C、D兩組基本呈現負的質量損失，這表明其在凍融階段質量在增加；而在50次凍融循環后，E、F兩組的質量基本沒有變化，只在75次凍融循環后出現較明顯變化，且小于其他四組。分析如下：

A、B兩組試件的表面漿體和粗細集料脫落導致的質量損失超過了混凝土吸水（由混凝土內部裂紋的增加和膨脹等導致）引起的質量增加，導致其質量損失不斷增加；A、B兩組外觀破損較為嚴重；C、D兩組的表面脫落較少，由于吸收水分反而使得試件質量增加；E、F兩組試件在前期凍融過程中，質量損失與質量增加基本相互抵消，故這兩組試件質量沒有出現太大變化。

表4 水泥的化學成分，%

表5 粉煤灰性能指標，%

表6 減水劑技術指標，%

表7 凍融試驗混凝土配合比（kg/m3）及常規性能測試

表8 混凝土在不同凍融循環次數后的質量損失

圖1 混凝土在凍融循環后的質量損失率變化曲線

表9 不同凍融循環次數的混凝土的動態彈性模量

圖1顯示了混凝土在凍融循環后的質量損失率變化曲線。可以看到，A組試件在25次凍融循環后有明顯質量損失，之后趨勢減緩，但大大高于其他組；B組試件的質量損失也從25次凍融循環后一直呈逐漸上升趨勢，比較穩定，低于A組試件；C組試件在25次凍融循環后質量幾乎沒有變化，而在50次凍融循環后其質量損失為負，且在75次凍融循環后質量仍在增長；D組試件變化趨勢與C組相似，但其質量增加更為明顯，在25次凍融循環后質量損失，在50次（以及75次）凍融循環后質量損失明顯下降；E組和F組在50次凍融循環前質量都基本不變，在75次凍融循環后，E組出現質量增長，而F組為質量損失，但變化量都很小。

A組與C、D組對比：A組為普通混凝土，而C、D組為粉煤灰混凝土，其中C組粉煤灰摻量為15%，D組粉煤灰摻量為30%；A組試件在凍融后出現了較大質量損失，而C、D組試件在凍融后均出現質量增長；從外觀看，A組試件表面剝落較多，而C、D兩組試件剝落較少。由此來看，摻加粉煤灰有利于改善混凝土抗凍性。

A、B兩組與E、F兩組對比：四組試件均為普通混凝土，其中A、B兩組試件的砂率為0.23，而E、F兩組試件的砂率為0.40；A、B兩組試件在凍融后出現了較大質量損失，E、F兩組試件在凍融循環后質量損失很小；A、B兩組試件在凍融后受到的破壞比E、F兩組試件更為嚴重。低砂率意味著粗骨料的含量很高，會導致單位體積內砂漿量不足，粗骨料無法被充分包覆，混凝土的黏聚力較差，在受到凍融作用時比較容易受到破壞，即過低的砂率會導致混凝土的抗凍性不足。

2.2.2 動態彈性模量變化分析

混凝土的凍融劣化是一個由致密到疏松的物理過程，動態彈性模量的下降是這種疏松過程的外在反映。混凝土內部存在的一些原始微裂縫或缺陷，凍融過程中這些微裂縫逐漸擴展，并有新微裂縫或缺陷不斷產生，導致動態彈性模量下降。本試驗采用TD-14型動彈儀測得混凝土試件的動態彈性模量，然后將該值與混凝土試件未進行凍融的初始動態彈性模量的比值作為相對動態彈性模量Pn。

表9為六組混凝土試件在不同次數凍融循環后相對動態彈性模量的變化情況。在25次凍融循環后，A、B、E、F四組的相對動態彈性模量下降均超過5%，其中F組達12.13%，而C、D兩組下降不足5%；在50次凍融循環后，A、B、E、F四組的相對動態彈性模量下降均超過10%，其中E、F兩組超過15%，而C、D兩組下降不到10%；在75次凍融循環后，各組試件均下降超過20%，其中A、B兩組分別下降35.29%和39.09%。

圖2為不同凍融循環次數后試件的相對動態彈性模量變化曲線。圖中顯示了六組試件的相對動態彈性模量隨凍融循環次數增加表現出的變化趨勢。

圖2 不同凍融循環次數后的混凝土試件的相對動態彈性模量變化曲線

C、D兩組的相對動態彈性模量下降趨勢較其他幾組緩慢，且D組下降速度略慢于C組。這是由于粉煤灰的火山灰效應與漿體中的氫氧化鈣反應形成水化硅酸鈣，并填充于水泥水化產物孔隙中，改善了混凝土的宏觀性能，使混凝土更密實、含水率下降，微觀方面減小了混凝土的平均孔徑，使混凝土的抗凍性增強；且粉煤灰的摻入可以有效控制水泥水化的早期放熱，減少水化熱對混凝土結構的損壞，從而改善混凝土的抗凍性。

A、B兩組試件在前50次凍融循環表現穩定，但在75次凍融循環后出現大幅下降，幅度比E、F組大。A、 B砂率為0.23，而E、F砂率為0.40，導致A、B組試件內部裂紋在凍融過程中生長和擴展較E、F組更快，因此，選擇合理的砂率對混凝土抗凍性也很重要。

3 結語

（1）水膠比越大，凍融作用造成的破壞越大，宏觀表現為在相同的凍融循環次數后，混凝土的質量損失和相對動態彈性模量等性能指標下降更快。

（2）粉煤灰的摻入有利于提高混凝土的抗凍性。在凍融循環后，粉煤灰混凝土的質量損失、相對動態彈性模量等性能指標表現比普通混凝土更優異，但粉煤灰的摻入量并非越大越好，試驗結果表明，粉煤灰摻量為30%時，抗凍性能已經下降。

（3）砂率對于混凝土的抗凍性也有影響。砂率過低，則單位體積混凝土內粗骨料的份量很大，漿體所占比例較小，對混凝土內部的黏聚力和孔隙結構極為不利，試驗中砂率較低的試件也確實更早出現骨料剝落現象，因此，砂率的選擇不宜過低。■

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2015-03-23；編輯：呂光