冻融环境下补偿收缩混凝土抗冻性能试验研究

黄 伟

(1.淮南联合大学 建筑工程系，安徽 淮南 232038；2.安徽理工大学 矿山地下工程教育部工程研究中心，安徽 淮南 232001)

混凝土冻融破坏影响混凝土结构的使用寿命，国内外许多学者开展了冻融破坏研究。施士升[1]对经受不同次数冻融循环的混凝土力学性能进行了研究；邹超英[2-4]对冻融环境混凝土基本力学性能影响规律进行系统研究，研究结果均表明冻融循环次数的增多会逐渐加大各项力学性能指标劣化程度，最终导致结构安全性能渐次降低。宋玉普[5]等一直致力于冻融环境中普通混凝土和海洋混凝土在复杂应力状态下力学性能的研究。孙伟等[6-7]对荷载与外界环境共同作用下混凝土耐久性研究方面开展相关研究工作，分析混凝土在腐蚀性环境条件耐久性能。虽然好多学者开展混凝土抗冻性的研究工作，但对补偿收缩混凝土这种新型混凝土材料冻融破坏特征研究甚少，主要集中在研究补偿收缩混凝土的限制膨胀率、力学性能等，随着补偿收缩混凝土在工程中的应用范围越来越多，环境条件对补偿收缩混凝土产生一定影响，有必要对补偿收缩混凝土的抗冻性进行试验研究。本文主要采用试验分析的方法，对补偿收缩混凝土的抗冻性进行分析，研究特定膨胀剂掺入下，补偿收缩混凝土力学性能、质量损失率和相对动弹性模量的变化趋势，分析补偿收缩混凝土的抗冻性能的劣化特征，为今后推广该类混凝土材料提供一定的参考。

一 试验设计及试验方法

试验配合比根据混凝土设计规范进行配比设计，胶凝材料配合比为1：0.5：1.73：2.22，选用P·C32.5复合硅酸盐水泥,水泥的物理性能及化学成分符合现行国家标准；采用北京德昌生产的DC-C10混凝土膨胀剂，掺量为8%；中砂，细度模数为2.62；石子采用粒径范围为5-15mm的连续级配。

冻融循环试验按照GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法》中抗冻性能试验要求进行，采用慢冻法进行试验，该试验方法的受冻状态比较接近实际情况，但是实验周期较长、工作量大。本次试验采用冻融次数设置为0、30、50、70、100次，主要测试混凝土抗压强度、相对动弹性模量以及质量损失率。混凝土试件均采用一次性搅拌浇筑完成，保证配合比的统一，试件尺寸采用100mm×100mm×100mm和100mm×100mm×400mm试件，每组3个试件，共制作30个试件。两种混凝土按照各自混凝土技术规程规定进行养护，龄期达到28d后进行冻融循环试验。

二 试验结果与分析

1.冻融性能参数对比分析。

图1为两种混凝土相对动弹性模量与冻融次数之间的关系图。图示表明：在冻融开始时，混凝土相对动弹性模量下降速度都较快，因其内部存在一定的初始缺陷，在冻融初期得以发展；这些初始缺陷发展到一定程度后，将进入一段稳定期，无新的缺陷源产生，所以当冻融次数达到一定数值时，相对动弹性模量下降速度变慢；继续冻融，原有的初始缺陷将继续扩展，从而在混凝土内部产生了新的缺陷源，这些缺陷源也会随冻融次数继续增加不断扩展，从而导致相对动弹性模量的下降速度加大。但是补偿收缩混凝土由于其内部的致密性和钙矾石的不断生成，填充了部分初始缺陷，对提高相对动弹性模量有一定促进作用，实验结果证实了补偿收缩混凝土的相对动弹性模量的下降趋势要缓于普通混凝土。

图1 冻融次数与相对动弹性模量之间的关系

2．质量损失率分析。

两种混凝土冻融次数与质量损失率关系如图2所示。通过对比发现，普通混凝土在冻融循环作用下，质量损失比较明显，冻融次数100次时，普通混凝土的质量损失率达到2.01%，混凝土表面有明显脱皮现象。膨胀剂的掺人对混凝土质量损失率有明显的抑制作用，经过100次冻融循环，补偿收缩混凝土质量损失率只有1.56%，承受冻融破坏能力要强于普通混凝土。

图2 冻融次数与质量损失率之间的关系

3．力学性能对比分析。

从图3中可以看出冻融次数与混凝土抗压强度之间的变化关系。随着冻融次数的递增，两种混凝土抗压强度逐渐减小。冻融初期普通混凝土和补偿收缩混凝土28d龄期是强度基本相同，表明膨胀剂对混凝土的抗压强度提高不明显，但是随着冻融次数的增加，普通混凝土强度劣化程度明显大于补偿收缩混凝土，尤其是冻融次数在100次时，普通混凝土抗压强度为18.6MPa，强度损失35.2%，补偿收缩混凝土抗压强度20.2MPa，强度损失30.3%；冻融条件下混凝土抗压强度整体变化趋势相同。随着环境温度的降低，在吸水饱和混凝土内部孔隙中的水分开始冻结，水在冻结过程将会产生膨胀，对已经冻结生成的冰晶形成制约作用，从而产生一定应力差，导致混凝土内部损伤。补偿收缩混凝土因膨胀剂的水化作用，内部产生大量的钙矾石，填充部分空隙，使得混凝土内部水结冰产生的膨胀压力较小，从而减轻混凝土冻胀力带来的内部损伤。试验结果表明随着冻融次数的增加，补偿收缩混凝土抗压强度损失率低于普通混凝土，能有效改善混凝土的抗冻性。

图3 冻融次数与抗压强度之间的关系

三 结束语

1.冻融环境条件下，普通混凝土和补偿收缩混凝土的质量损失率和相对动弹模量损失率明显降低，抗冻性能随着冻融次数的增加而逐渐降低。但是掺入膨胀剂的补偿收缩混凝土改变了混凝土的孔结构，降低了冻融损伤后混凝土质量损失率和相对动弹模量损失率。

2.通过外观特征可以看出，膨胀剂对冻融条件混凝土表面剥蚀有一定的改善作用，冻融对普通混凝土和补偿收缩混凝土均有一定的表面破坏，但是对于补偿收缩混凝土的破坏程度明显小于普通混凝土，显现膨胀剂的填充密实作用，适量掺入膨胀剂可以提高抗冻性能。

3.力学性能试验得出，随着冻融循环次数的增加，补偿收缩混凝土抗压强度是逐渐降低的，但是降低的幅度比普通混凝土要小，冻融100次后，普通混凝土抗压强度下降35.2%，而补偿收缩混凝土抗压下降30.3%，表明适量掺入膨胀剂可以延缓强度的劣化，提高混凝土的使用寿命和安全系数。

[1]施士升.冻融循环对混凝土力学性能的影响[J].土木工程学报,1997,30(4):35-42.

[2]邹超英,赵娟,梁锋,等.冻融作用后混凝土力学性能的衰减规律[J].建筑结构学报,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]邹超英,赵娟,梁锋,等.冻融环境下混凝土应力-应变关系的试验研究[J].哈尔滨工业大学学报,2007,39(2):229-231.

[5]宋玉普,于长江,覃丽坤. 冻融环境下混凝土双向受压强度与变形特性试验研究[J].大连理工大学学报,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.