李中田 ,冯 林,高 峰 ,雷秀玲 ,李艳萍,黄如卉
(1.中水东北勘测设计研究有限责任公司,吉林 长春 130061;2.中国水电顾问集团成都勘测设计研究院,四川 成都 610000)
抗冻性能是混凝土诸多耐久性指标的集中体现,冻融破坏是影响寒区水工建筑物结构耐久性的主要因素。一般认为,冻融破坏是由于混凝土受冻使表层孔隙水结冰,挤压未受冻水向混凝土内部移动产生压力,同时由表及里逐渐结冰时水分的体积增加又产生膨胀压力,在液体压力和膨胀压力反复作用下,混凝土表面剥落破坏,内部微裂纹增加,结构疏松最终导致破坏。
试验选用的水泥为P.MH42.5级水泥;掺合料选用Ⅱ级粉煤灰;粗、细骨料分别是天然卵石和天然砂;外加剂选择北京中水科海利公司生产的SK-2型缓凝高效减水剂、SK-H型引气剂。
对这次试验所选用的混凝土原材料进行品质检验,检测结果显示,原材料各项性能指标满足相应国标及DL/T5144-2006《水工混凝土施工规范》技术要求。
试验选用水胶比分别为0.50,0.45,0.40的3个二级配碾压混凝土配合比,进行两种方法冻融试验,配合比具体参数见表1。
碾压混凝土抗冻试件按DL/T5433-2009《水工碾压混凝土试验规程》确定的试验方法成型,成型过程中混凝土拌和物含气量控制在3%~5%。
表1 混凝土配合比
试验在中水东北勘测设计研究有限责任公司科研院进行,仪器设备:CDR-3型混凝土冻融试验机、德国史来宾格公司生产的CDF单面冻融试验机、NM-4A型非金属超声波仪和超声波清洗器等。
利用文中前述混凝土配合比成型抗冻试件,分别采用水、盐溶液(97%蒸馏水和3%Nacl配制而成)为冻融介质,进行全浸快速冻融和单面冻融试验,并对试验结果对比分析。
2.1.1 快速冻融法
混凝土快速冻融试验采用CDR-3型冻融试验机,根据SL352-2006《水工混凝土试验规程》进行。抗冻试件为100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体,到达试验龄期前4 d,将试件在(20±2)℃的水中浸泡,然后进行试验。试验中,每次冻融循环降温和升温终了时,试件中心温度分别控制在(-17±2)℃和(8±2)℃,冻融一次周期不超过 4 h。
试验出现以下3种情况之一即停止:
1)冻融至预定的循环次数。
2)相对动弹性模量下降至初始值的60%。
3)质量损失率达5%。
2.1.2 单面冻融法
单面冻融试验采用德国史莱宾格公司生产的CDF单面冻融试验机,依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行。制作试件时,采用150 mm×150 mm×150 mm的立方体试模,试件成型后,先在空气中带模养护48 h,脱模后放在(20±2)℃水中养护至7 d龄期,切割成150 mm×110 mm×70 mm规格的试件,然后放入标准养护室养护至试验龄期。冻融循环前,采用涂有异丁橡胶的铝箔对试件的侧面进行密封。
单面冻融试验一个周期为12 h。每4次冻融循环后进行1次测试,测试过程包括超声波清洗试件,过滤剥落物,超声波波速测试等。
试验出现下列情况之一时停止试验:
1)达到28次冻融循环时。
2)试件单位表面面积剥落物总质量大于1500 g/m2时。
3)试件的超声波相对动弹性模量降低到80%时。
混凝土快速冻融试验(水冻、盐冻)结果见表2;混凝土单面冻融试验(水冻、盐冻)结果见表3。
由表2试验结果可见,采用水或盐溶液为介质的快速冻融试验,随着冻融次数增加,均呈现质量损失增大、相对动弹模降低的规律。经分析得出:经历200次快冻循环后,水冻试件表面水泥净浆大部分剥落,砂粒裸露,但砂浆依然包裹骨料,未见大范围骨料裸露。盐冻试验条件表现比水冻更严酷,盐冻试件表面砂浆严重剥落,大骨料裸露。根据此次试验结果,按快冻等级评价标准进行评定,同一配合比试件,能承受盐冻的能力比水冻少100~150次循环。采用盐冻评定试件抗冻性,节约试验时间14~21 d左右。
表2 混凝土全浸快速冻融试验结果表
表3 混凝土单面冻融试验结果表
这次试验数据显示,当快冻质量损失达5%以上时,相对动弹性模量仍未降至60%以下,说明快速冻融试验对混凝土表面的破坏远大于对混凝土内部的破坏。
表3试验结果显示,单面冻融试验,无论采用水或盐溶液为介质,均符合随着冻融次数增加表面剥落物增多,相对动弹模降低的规律,水胶比越大,相同冻融循环次数的剥落物总质量越大。经分析得出:经历4次单面冻循环后,水冻试件表面只有少部分水泥净浆剥落;盐冻试件表面净浆完全剥落、大部分砂浆剥落、大骨料裸露、混凝土表面凸凹不平,盐冻试验条件明显表现比水冻更严酷。本次试验结果显示,冻融8~12次后,水胶比分别为0.40,0.45,0.50的3个配合比的单面盐冻试件表面剥落物质量均达到停止试验的规定,而水冻试件进行24次冻融循环后,依然距停止试验标准甚远,说明采用单面盐冻迅速加快了试验进度。
单面冻融试验中介质只与试件底面接触,主要通过毛细管吸附进入试件。冻融试验后试件结构所受损伤只是局限在试件与盐溶液接触面部位,与常规全部浸水的快速冻融试验相比,单面盐冻混凝土内部损伤比混凝土快冻损伤小。此次试验数据显示,当单面冻试验剥落物总质量达到停止试验标准时,试件相对动弹性模量仍在93%以上,说明与快速冻融相比,单面冻融试验更集中在混凝土表面的破坏,试件单位测试面剥落物总质量是反映混凝土抗盐冻剥蚀破坏能力最直观的指标,可作为评价碾压混凝土抗盐冻性能好坏的主要指标。而混凝土相对弹性模量损失率对试件中孔隙生长、扩展等内部结构损伤程度较为敏感,可作为评定碾压混凝土单面抗盐冻性能的参考指标。
表4 混凝土冻融试验结果对比表
根据表4的统计数据,两种冻融介质、两种试验方法确定的四类试验结果表明,判定同一配合比混凝土的冻融破坏时间具有如下关系:单面水冻大于全浸水冻,大于全浸盐冻,大于单面盐冻。盐溶液加速了混凝土冰冻破坏过程,可以考虑采用盐冻试验方法快速检测现场碾压混凝土抗冻性能。
1)进行两种冻融介质(盐冻、水冻)全面浸水快速冻融试验对比,研究结果显示,盐溶液加快了混凝土受冻破坏速度,缩短了试验周期。
2)进行两种冻融介质(盐冻、水冻)单面冻融试验对比,研究结果显示,单面水冻对混凝土破坏缓慢,不能在规定的24次循环内判定试件抗冻性;单面盐冻可以在短时间内判定混凝土抗冻性。
3)两种冻融介质,两种试验方法确定的四类试验结果表明,判定同一配合比混凝土的时间具有如下关系:单面水冻>全浸水冻>全浸盐冻>单面盐冻。
4)评价混凝土的抗冻性应对使用环境进行分类,根据不同环境采取不同的抗冻措施。环境拟实化、条件严酷化、测试周期快捷化是混凝土抗冻性试验方法的主要发展方向。
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