不同配合比混凝土的抗凍融性能試驗研究

郝維維，曹福興

（勝利油田營海實業集團有限公司，山東 東營 257087）

不同配合比混凝土的抗凍融性能試驗研究

郝維維，曹福興

（勝利油田營海實業集團有限公司，山東 東營 257087）

本文對不同強度等級的混凝土在不同環境中進行 0～300 次凍融循環，然后測得其凍融前后試件的質量和相對動彈模量，試驗結果表明，隨著凍融循環次數的增加，300 次凍融循環的質量損失不明顯，相對動彈模量在 175～200 次是顯著分界點；通過在自來水和海水溶液中凍融循環對比，海水加速混凝土的腐蝕速度。

質量損失；動彈模量；海洋環境；水膠比

0 前言

我國地域遼闊，有相當大的部分處于嚴寒地帶，四季和晝夜溫差大，最低溫度低，一些鹽湖地區含鹽量高，在這種嚴酷的環境中，致使不少水工建筑物發生了凍融破壞和鹽腐蝕侵害。根據全國水工建筑物耐久性調查資料，在32座大型混凝土壩工程、40余座中小型工程中，22%的大壩和21%的中小型水工建筑物都存在凍融破壞問題。大壩混凝土的凍融破壞主要集中在東北、華北、西北地區，尤其在東北嚴寒地區，興建的水工混凝土建筑物，幾乎100%工程局部或大面積的遭受不同程度的凍融破壞。

凍融破壞和鹽腐蝕使混凝土結構出現散裂、剝落等現象嚴重損壞建筑物的耐久性，為保證在嚴酷環境中工程質量和耐久性，試驗探尋適合抗侵蝕抗凍性能的混凝土。本文通過快速凍融循環試驗，研究混凝土不同水膠比、含氣量、不同骨料、不同溶液中混凝土的抗凍融性能，為制造適合寒冷地帶含鹽量高的海域湖區等嚴酷環境下的高耐久性建筑材料提供技術基礎。

1 試驗過程

1.1 試驗材料

水泥：山東省東營市勝利油田水泥廠生產的P·O42.5級水泥，其質量指標見表1。

表1 水泥性能指標

礦粉：山東省東營市勝利油田水泥廠生產的S95級礦粉，燒失量0.39%，比表面積374kg/m3，7天活性指數79%，8天活性指數109%。

粉煤灰：山東省東營市勝利油田勝利發電廠粉煤灰，比表面積215kg/m3，45μm篩余25.0%，燒失量5.93%，28天活性指數75 %。

骨料：青州東升石料廠水洗機制砂，細度模數3.2， 80μm以下的石粉含量3%，亞甲藍0.5；機制干砂，細度模數3.0，80μm以下的石粉含量12%，亞甲藍1.0；石子為青州東升石料廠5～31.5mm的連續級配的石灰石碎石，壓碎值為15.8%。

外加劑：西卡公司生產的聚羧酸減水劑，減水率22.5%，引氣劑為西卡公司生產的高性能復合減水引氣劑。

拌合水：自來水。

海水溶液：取自山東東營環渤海灣近海岸線的海水，其成分見表2。

表2 海水成分 mg/L

1.2 試驗設計與方法

試驗用混凝土配合比見表3。

試驗主要研究了普通混凝土、加引氣劑的混凝土分不同型號在不同溶液中的抗凍融循環作用，采用質量損失率和相對動彈性模量損失率來評價混凝土的抗凍性能。

抗凍試驗采用快凍法，以 DL/T 5151—2001《水工混凝土試驗規程》標準執行，以三個試件為一組，凍融試驗以混凝土28天標準養護試件在到達齡期前4天取出放入(20±3)℃的水中浸泡，試件尺寸是100mm×100mm×400mm，每進行25次凍融循環后更換一次溶液。混凝土力學性能按 GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行，含氣量按DL/T 5151—2001《水工混凝土試驗規程》進行，采用氣壓法進行測試，采用的是日本生產的LC-615A型含氣量測定儀；混凝土動彈模量采用 DL/T 5151—2001《水工混凝土試驗規程》標準中測試橫向自振頻率的方法，測試儀器為天津天璣科技有限公司 DT—16型動彈儀。

表3 配合比及性能

2 試驗結果及分析

混凝土試件在清水中和海水中的300次凍融循環結果見表4和表5。

表4 質量損失 %

表5 動彈模量損失 %

我國現行標準 GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》和 DL/T 5151—2001《水工混凝土試驗規程》對抗凍等級的規定是同時滿足相對動彈模量不小于60%和質量損失率不超過5%時的凍融次數。通過以上試驗數據，普通中等強度等級的混凝土的質量損失率基本滿足300次凍融循環，但海水中明顯大于淡水中的質量損失，在淡水中，經過300次凍融循環后，質量損失率均不大于 2%，但在海水中，質量損失率將近4%；從動彈模量的變化看（見圖1，圖中橫坐標 1～12 對應表5 中25～300 次凍融循環試驗），水膠比0.45的混凝土在海水中僅滿足F200的抗凍循環，相對動彈模量在175～200次是顯著分界點；通過在清水和海水溶液中凍融循環對比，海水加速混凝土的腐蝕速度；水膠比越低，抗凍性越好；含氣量提高到4%～5%之間增加混凝土的抗凍性；混凝土的骨料級配越密實，抗凍性越好。

提高混凝土抗凍耐久性的一個十分重要而有效的措施是在混凝土拌合物中摻入一定量的引氣劑。引氣劑是具有增水作用的表面活性物質，它可以明顯降低混凝土拌合水的表面張力和表面能，使混凝土內部產生大量的微小穩定的封閉氣泡。這些氣泡切斷了部分毛細管通路，能使混凝土結冰時產生的膨脹壓力得到緩解，不使混凝土遭到破壞，起到緩沖減壓的作用。這些氣泡可以阻斷混凝土內部毛細管與外界的通路，使外界水份不易浸入，減少了混凝土的滲透性。同時大量的氣泡還能起到潤滑作用，改善混凝土和易性。因此，摻用引氣劑，使混凝土內部具有足夠的含氣量，改善了混凝土內部的孔結構，大大提高混凝土的抗凍耐久性。這通過GS2和GS3對比明顯看出，含氣量相比普通的提高到4.6%的情況下，抗凍性提高百次凍融循環。

通過 C30 和C40的對比，水灰比在0.4的混凝土，比同樣條件下水灰比0.45的抗凍融性能好。

對比GS1和GS2，混凝土中配入部分干砂，能增加混凝土的密實性，同時抗凍性能比單純用石粉量少的濕砂抗凍性強。

通過GS5和GS6的對比，海水環境下，隨著海中鹽類的結晶壓力和冰凍膨脹壓力的共同作用，加速了混凝土試件表面毛細孔膨脹，混凝土的質量損失率增大明顯，試件表面凍脹剝落的程度嚴重，表明海水加速了混凝土的腐蝕速度。

4 結論

（1）普通中等強度等級的混凝土的質量損失率基本滿足300次凍融循環，但海水中明顯大于淡水中的質量損失，在淡水中，經過300次凍融循環后，質量損失率均不大于2%，但在海水中，質量損失率將近4%。

（2）動彈模量的變化：水膠比0.45的混凝土在海水中僅滿足F200的抗凍循環，相對動彈模量在175～200次是顯著分界點。

圖 1 不同配比凍融曲線

（3）通過在清水和海水溶液中凍融循環對比，海水加速混凝土的腐蝕速度；水膠比越低，抗凍性越好；含氣量提高到 4%～5% 之間增加混凝土的抗凍性；混凝土的骨料級配越密實，抗凍性越好。

[1] GB/T 50082—2009．普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法[S]．

[2] DL/T 5151—2001．水工混凝土試驗規程[S]．

[3] 張煒．海洋環境中混凝土劣化的五個因素[J]．水運工程，1997(1): 54-57．

［通訊地址］山東省東營市東營區西四路 958#（257000）

郝維維（1976—），女，中心實驗室副主任。