冻融条件下补偿收缩混凝土强度劣化机理试验

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）

冻融条件下补偿收缩混凝土强度劣化机理试验

黄伟1,2

（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）

冻融是混凝土结构随季节变化所必须经历的阶段，随着冻融次数的增加，混凝土的表观特征和强度将发生退变.采用冻融次数为0、30、50、70、100次，对补偿收缩混凝土进行冻融循环试验，分析补偿收缩混凝土的表面特征和强度劣化趋势，发现随着冻融次数的增加，普通混凝土与补偿收缩混凝土相比，表面破坏更严重，混凝土抗压和抗折强度呈现下降趋势.冻融100次后，普通混凝土抗压、抗折强度分别下降35.2%和44.1%，而补偿收缩混凝土抗压、抗折强度分别下降30.3%和35.3%，说明适当掺入膨胀剂对提高混凝土的抗冻性有一定的作用，有利于控制和降低混凝土冻融环境下强度的退化.

冻融次数；补偿收缩混凝土；冻融循环；劣化机理

混凝土冻融作用是影响混凝土耐久性能好坏的重要因素之一，冻融破坏是随周围环境季节变化必须经历的过程.混凝土冻融破坏的显著特征是混凝土试件表皮剥落，构件截面减小，强度下降，严重影响混凝土结构的耐久性，降低结构的安全系数.如何改善并提高混凝土的抗冻性对今后工程应用至关重要.曹大富等[1-2]对冻融循环作用下混凝土受压本构特征和受拉性能开展研究，分析快冻对混凝土受压性能的影响以及受拉力学性能的演变.潘钢华[3]研究不同粉煤灰掺量、冻融方式和混凝土组成材料的变化对混凝土在冻融循环中损伤程度的影响.现有的研究成果都主要集中在强度损失、质量损失、动弹性模量等方面[4-6].大多数学者对混凝土冻融破坏机理以及混凝土性能退化机理尚未取得统一的认识.本试验从材料选择出发，结合补偿收缩混凝土特性进行混凝土冻融循环试验，系统探讨冻融次数对补偿收缩混凝土强度性能劣化的原因，为推广该种材料提供重要的试验依据.

1 混凝土冻融破坏与补偿收缩理论

1.1 冻融破坏机理

混凝土是由水泥砂浆和粗细骨料复合而成的毛细孔多孔体，在拌制混凝土时，为了满足施工要求，混凝土必须具备一定的和易性，同时由于用作骨料的物质，无论是天然的岩石材料，还是人工制造的材料，都不是完全密实的，每一个颗粒内部都存在各种各样的空隙，包括裂纹、气泡，以及宏观和微观的缺陷等.其中有的空隙是开放性的，允许外界的水在常温常压条件下进入，有的则是不允许外界的水在常温常压下进入的封闭孔隙，这些都是导致混凝土成为一种多孔材料的因素.

混凝土的冻融破坏是一个极其复杂的物理变化过程，影响因素诸多，比如养护条件、配合比、材料等.许多学者采用冰的分离层理论、充水系数理论、渗透压理论、水压力理论、孔结构理论，以及极限充水程度理论等分析混凝土冻融破坏作用[7-8].上述几种理论从不同角度阐述了混凝土冻融破坏的机理，尽管这些理论相互之间有一定的分歧，但是基本可以认为混凝土的冻融破坏是一个由表及里，先大孔后小孔的物理变化过程.混凝土吸收水分后，由于环境影响，孔隙中的水结成冰产生体积膨胀，这种冻胀力在混凝土内部形成压力.当孔隙水处于饱和状态且混凝土内部孔隙较大，产生的冻胀力超过混凝土所能承受的极限应力时，引起混凝土内部孔隙产生裂纹，随着冻融次数增加，这种冻融导致的裂隙不断地发育和贯通，最终导致混凝土被破坏.

1.2 补偿收缩混凝土作用机理

补偿收缩混凝土是在普通混凝土中掺入一定数量的膨胀剂配制而成的.在养护期间，膨胀剂利用自身的化学反应或与水泥中的其他成分发生化学反应，产生一定的限制膨胀来补偿混凝土的收缩，从而达到抗渗防裂的目的[9].尽管补偿收缩混凝土在干燥空气中同样会产生干缩，但收缩落差比普通混凝土要低30%左右，一般小于极限拉应变而不会开裂.由于补偿收缩混凝土干缩开始时间比较滞后，而在此期间混凝土已经具备了一定的抗拉强度，能够抵抗由混凝土干缩产生的拉应力，另外膨胀剂与水泥成分发生反应，产生大量的钙矾石，可以填补混凝土内部微孔隙，因而可有效减免有害裂缝的产生，提高混凝土的耐久性能.

2 试验材料与试验方法

2.1 原材料与混凝土配合比

试验采用淮南八公山牌PC32.5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；膨胀剂采用DC-C10混凝土膨胀剂，砂子采用河砂，细度模数为2.62；石子采用粒径范围为5～15mm的连续级配，混凝土设计强度等级为C20.

试验方案和试验配合比设计如表1所示.

表1 配合比一览表（单位：kg/m3）

2.2 试件制作与冻融方法

普通混凝土试件制作好后直接放入养护箱养护28 d；补偿收缩混凝土试件制作后放入水中养护14 d，然后放入养护箱养护28 d后进行冻融循环试验，抗冻性能试验主要有快冻法和慢冻法，慢冻法的气冻水融方式和冻融速度与实际冻融情况极为相似，为了与实际情况一致，本文采用慢冻法进行冻融循环试验，提前将试件完全浸泡在水中，控制水温在15℃～20℃，每次冻融循环时间应控制在24 h内完成.通过设定冻箱温度（-15℃～20℃）控制冻结时间在4 h以上，保证混凝土内部完全冻结，溶解时将试件放入水槽中，控制水槽水温在15℃～20℃、融化时间在4 h以上确保混凝土完全融化，冻融次数设置为0、30、50、70、100次.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，其中抗压强度试件尺寸采用100mm×100mm×100mm的试件，抗折强度试件采用100mm×100mm×400mm的试件，每组3个试件，共制作15个抗压试件和15个抗折试件.

3 试验结果

3.1 冻融破坏对比分析

为了分析普通混凝土与补偿收缩混凝土冻融破坏特征，对普通混凝土和补偿收缩混凝土内部初始特性进行电镜扫描（放大倍数为80倍），扫描结果如图1所示.

图1 混凝土内部电镜扫描图

掺膨胀剂的水泥石断面空洞比较少，结构面相对比较密实，表明膨胀剂水化产生的钙矾石和C-S-H凝胶正好填充到毛细孔缝和缺陷中，从宏观上判定掺膨胀剂配制的水泥浆具有相对致密的浆体结构，有利于提高补偿收缩混凝土的抗冻性能.

混凝土冻融循环初期，试件表面没有明显变化，随着冻融次数的增加，试件表面的水泥浆开始出现块状剥落，并出现空洞、骨料裸露等特征，试件截面有明显削弱，如图2所示.补偿收缩混凝土较普通混凝土而言，冻融循环破坏程度明显减小，破坏主要集中在试件边缘部位，表明膨胀剂的掺入产生的微膨胀效应增进了混凝土的致密性，改善了孔结构，阻止了外部水分进入混凝土内部，降低了混凝土内部的吸水能力，有利于提高混凝土的抗冻性.

图2 冻融100次后混凝土试件图

3.2 强度劣化分析

从图3中可以看出，混凝土随着冻融次数增加，抗压强度和抗折强度都逐渐减小，普通混凝土和补偿收缩混凝土28 d龄期是强度基本相同，表明膨胀剂对混凝土的抗压和抗折强度没有太多的改善，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仅为18.6MPa，补偿收缩混凝土抗压强度为20.2MPa；普通混凝土抗压、抗折强度分别下降35.2%和44.1%，而补偿收缩混凝土抗压、抗折强度分别下降30.3%和35.3%.混凝土抗折强度与抗压强度整体变化趋势呈现相同态势，这主要是因为混凝土结构随着温度的降低，其内部较大孔隙中的水分开始冻结，接着较小孔隙中的水分冻结.在较小孔隙内的水分冻结过程中，孔隙水结冰的膨胀会受到较大孔隙冰晶的约束作用，从而产生冻胀力.与普通混凝土相比，补偿收缩混凝土因膨胀剂产生的钙矾石填充部分大空隙，使得混凝土内部水结冰产生的冻胀力较小，试件表面产生的裂缝也比普通混凝土少，能够缓解冻融破坏程度.试验结果也证明了补偿收缩混凝土强度降低的幅度要低于普通混凝土.

4 结论

图3 冻融条件下混凝土抗压与抗折强度变化图

混凝土的冻融破坏是一个极其复杂的过程，在冻融循环作用下，混凝土试块内部孔隙水发生冻胀作用，使混凝土内部结构逐渐产生损伤，导致混凝土结构出现裂缝等表观破坏特征，最终导致结构承载力降低，影响混凝土结构的使用寿命.然而随着试验技术和材料科学的发展，通过掌握混凝土的冻融破坏机理，可采用适当的措施去降低和控制冻融破坏的程度.本文通过试验研究得到以下几点结论：

（1）严格控制混凝土的配合比，同时适当掺入膨胀剂可以改善混凝土内部孔结构，利用钙矾石的填充密实作用来提高混凝土的抗冻性能.

（2）随着冻融循环次数的增加，补偿收缩混凝土抗压、抗折强度是逐渐降低的，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、抗折强度分别下降35.2%和44.1%，而补偿收缩混凝土抗压、抗折强度分别下降30.3%和35.3%，表明掺入膨胀剂有利于减少混凝土冻融环境下强度的退化.

（3）通过外观特征发现，冻融对普通混凝土和补偿收缩混凝土均会造成一定的表面破坏，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.这为冻融环境下混凝土结构设计提供参考.

[1]曹大富,富立志,杨忠伟,等.冻融循环作用下混凝土受压本构特征研究[J].建筑材料学报,2013,16(1):17-23,32.

[2]曹大富,富立志,杨忠伟.冻融循环作用下混凝土的受拉性能研究[J].建筑材料学报,2012,15(1):48-52.

[3]潘钢华,秦鸿根,孙伟,等.粉煤灰混凝土冻融破坏机理研究[J].建筑材料学报,2002,5(1):37-41.

[4]罗昕,卫军.冻融循环后流态混凝土与普通混凝土试验研究[J].四川建筑科学研究,2005,31(6):155-158.

[5]商怀帅,宋玉普,覃丽坤.普通混凝土冻融循环后性能的试验研究[J].混凝土与水泥制品,2005(2):9-11.

[6]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):118-123.

[7]李金玉,曹建国,徐文雨,等.混凝土冻融破坏机理的研究[J].水利学报,1999(1):41-49.

[8]梁黎黎.冻融循环作用下混凝土力学性能试验研究[J].混凝土, 2012(3):55-57.

[9]吴中伟,廉慧珍.高性能混凝土[M].北京:中国铁道出版社,1999.

【编校：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

淮南市科技计划项目（2012A01103）；安徽省住房城乡建设科学技术计划项目（2013YF-55）；安徽省高校省级优秀人才基金重点项目（2013SQRL140ZD）

黄伟（1980-），男，副教授，在站博士后，研究方向混凝土结构

时间：2014-08-22 15:23

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