高寒地区混凝土抗冻性的试验研究

蔡斌

中图分类号：TU528.45文献标识码:A文章编号：1001-6171（2015）06-0031-04

高寒地区混凝土抗冻性的试验研究

Experimental Study on Frost Resistance of Concrete in Alpine Regions

蔡斌

中图分类号：TU528.45文献标识码:A文章编号：1001-6171（2015）06-0031-04

目前，人们仍然在研究混凝土抗冻性，不断尝试多种途径来改善混凝土的抗冻性。尽管有多种理论解释冻坏机理，但并没有哪一种得到普遍认同。根据国内外研究提出的机理成果，人们进行了很多改善混凝土抗冻性的探索，主要有改变水灰比、添加外加剂（引气剂、减水剂等）、掺加粉煤灰等措施。

本文主要研究对象为混凝土抗冻耐久性，采用快冻法进行试验，主要内容为：

（1）对不同配比混凝土进行冻融循环实验，测试其有关性能（质量损失率、相对动态弹性模量等）。

（2）对不同掺合料掺加量混凝土进行冻融循环试验，测试其有关性能（质量损失率、相对动态弹性模量等）。

1 试验原材料及试验方法

1.1 试验方案及配合比设计

本次试验选择配制了不同水灰（胶）比的混凝土，掺加不同量掺和料（混合材）、掺入化学外加剂（引气剂或减水剂）的混凝土，进行冻融试验，分析其与抗冻性之间的关系。

1.1.1 试验方案

配合比设计，注意两个指标，一是新拌混凝土的坍落度控制在80mm±10mm，这是为了接近于施工现场；二是含气量控制在6%±1%。

冻融试验:采用GBJ82-85中的快冻法试件，将成型尺寸为100mm× 100mm×400mm的标准混凝土试件预养到一定龄期后进行冻融循环试验。

1.1.2 配合比设计

（1）设计水胶比分别为0.4、0.5的混凝土，其单位体积材料用量及配比见表1。

（2）设计粉煤灰掺量分别为15%、30%的混凝土，其单位体积材料用量及配比见表2。

（3）设计高岭土掺量分别为15%、30%的混凝土，其单位体积材料用量及配比见表3。

1.2 试验原材料

（1）水泥。采用华新堡垒P· O42.5普通硅酸盐水泥，化学成分见表4。

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

表1 不同水胶比混凝土单位体积材料用量及配比

表2 不同粉煤灰掺量混凝土单位体积材料用量及配比

表3 不同高岭土掺量混凝土单位体积材料用量及配比

（3）掺合料。粉煤灰采用I级粉煤灰，性能指标及化学成分见表5。

（4）化学外加剂。所掺化学外加剂为聚羧酸系高效减水剂。以GB8076-1997为检测依据，聚羧酸系高效减水剂的技术指标见表6。

2 试验内容及数据分析处理

2.1 冻融试验前期准备工作

2.1.1 试件制备

国家标准《水工混凝土试验规程》（DL/T5150-2001）、《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》（GBJ82-85）中的混凝土快速冻融循环试验要求的试件均为100mm× 100mm×400mm的棱柱体。制备的6组混凝土试件，包括不同水胶比、不同配比及不同粉煤灰掺量等，成型的实际配合比见表7。根据国家规定快冻法的规范要求，混凝土试件成型1d后脱模，然后放进标准养护室，养护至28d后，将试件浸泡于水中4d，然后开始准备冻融试验。

2.1.2 冻融试验

（1）冻融设备

本试验采用的冻融设备是TDRF-2型风冷式混凝土快速冻融装置。

（2）冻融制度

本试验是研究混凝土试件在水中经受冻融循环后的物理力学性能，实行“快冻法”制度，水冻水融，温度范围-17～8℃，每个循环周期时间2.5～4h，其中1.5～2.5h用于冰冻作用，温度下降速率均衡，试件中心达到最低温后开始解冻，融化时间大约1～1.5h。初步确定每运行25个循环后，测试混凝土试件的动态弹性模量和质量。

2.2 混凝土冻融试验结果与分析

2.2.1 质量损失分析

冻融过程中混凝土试件的质量损失由两方面组成：一方面是试件表面浆体乃至粗细集料的脱落引起，这部分是质量损失；而另一方面，随着冻融次数增加，混凝土试件内部微裂纹的数量和体积逐渐增大，这些裂缝吸水就会导致混凝土试件质量增加。在实际冻融试验过程中，多数时候前者的质量损失要大于后者的质量增加，总体表现为质量损失；只有冻融试验初期（如50次循环之前）才会出现试件质量增加的情况。

表8给出了六组混凝土试件在不同冻融循环次数后的质量损失。可以看到，A、B两组试件质量损失始终为正，且不断增大；C、D两组基本呈现负的质量损失，这表明其在冻融阶段质量在增加；而在50次冻融循环后，E、F两组的质量基本没有变化，只在75次冻融循环后出现较明显变化，且小于其他四组。分析如下：

A、B两组试件的表面浆体和粗细集料脱落导致的质量损失超过了混凝土吸水（由混凝土内部裂纹的增加和膨胀等导致）引起的质量增加，导致其质量损失不断增加；A、B两组外观破损较为严重；C、D两组的表面脱落较少，由于吸收水分反而使得试件质量增加；E、F两组试件在前期冻融过程中，质量损失与质量增加基本相互抵消，故这两组试件质量没有出现太大变化。

表4 水泥的化学成分，%

表5 粉煤灰性能指标，%

表6 减水剂技术指标，%

表7 冻融试验混凝土配合比（kg/m3）及常规性能测试

表8 混凝土在不同冻融循环次数后的质量损失

图1 混凝土在冻融循环后的质量损失率变化曲线

表9 不同冻融循环次数的混凝土的动态弹性模量

图1显示了混凝土在冻融循环后的质量损失率变化曲线。可以看到，A组试件在25次冻融循环后有明显质量损失，之后趋势减缓，但大大高于其他组；B组试件的质量损失也从25次冻融循环后一直呈逐渐上升趋势，比较稳定，低于A组试件；C组试件在25次冻融循环后质量几乎没有变化，而在50次冻融循环后其质量损失为负，且在75次冻融循环后质量仍在增长；D组试件变化趋势与C组相似，但其质量增加更为明显，在25次冻融循环后质量损失，在50次（以及75次）冻融循环后质量损失明显下降；E组和F组在50次冻融循环前质量都基本不变，在75次冻融循环后，E组出现质量增长，而F组为质量损失，但变化量都很小。

A组与C、D组对比：A组为普通混凝土，而C、D组为粉煤灰混凝土，其中C组粉煤灰掺量为15%，D组粉煤灰掺量为30%；A组试件在冻融后出现了较大质量损失，而C、D组试件在冻融后均出现质量增长；从外观看，A组试件表面剥落较多，而C、D两组试件剥落较少。由此来看，掺加粉煤灰有利于改善混凝土抗冻性。

A、B两组与E、F两组对比：四组试件均为普通混凝土，其中A、B两组试件的砂率为0.23，而E、F两组试件的砂率为0.40；A、B两组试件在冻融后出现了较大质量损失，E、F两组试件在冻融循环后质量损失很小；A、B两组试件在冻融后受到的破坏比E、F两组试件更为严重。低砂率意味着粗骨料的含量很高，会导致单位体积内砂浆量不足，粗骨料无法被充分包覆，混凝土的黏聚力较差，在受到冻融作用时比较容易受到破坏，即过低的砂率会导致混凝土的抗冻性不足。

2.2.2 动态弹性模量变化分析

混凝土的冻融劣化是一个由致密到疏松的物理过程，动态弹性模量的下降是这种疏松过程的外在反映。混凝土内部存在的一些原始微裂缝或缺陷，冻融过程中这些微裂缝逐渐扩展，并有新微裂缝或缺陷不断产生，导致动态弹性模量下降。本试验采用TD-14型动弹仪测得混凝土试件的动态弹性模量，然后将该值与混凝土试件未进行冻融的初始动态弹性模量的比值作为相对动态弹性模量Pn。

表9为六组混凝土试件在不同次数冻融循环后相对动态弹性模量的变化情况。在25次冻融循环后，A、B、E、F四组的相对动态弹性模量下降均超过5%，其中F组达12.13%，而C、D两组下降不足5%；在50次冻融循环后，A、B、E、F四组的相对动态弹性模量下降均超过10%，其中E、F两组超过15%，而C、D两组下降不到10%；在75次冻融循环后，各组试件均下降超过20%，其中A、B两组分别下降35.29%和39.09%。

图2为不同冻融循环次数后试件的相对动态弹性模量变化曲线。图中显示了六组试件的相对动态弹性模量随冻融循环次数增加表现出的变化趋势。

图2 不同冻融循环次数后的混凝土试件的相对动态弹性模量变化曲线

C、D两组的相对动态弹性模量下降趋势较其他几组缓慢，且D组下降速度略慢于C组。这是由于粉煤灰的火山灰效应与浆体中的氢氧化钙反应形成水化硅酸钙，并填充于水泥水化产物孔隙中，改善了混凝土的宏观性能，使混凝土更密实、含水率下降，微观方面减小了混凝土的平均孔径，使混凝土的抗冻性增强；且粉煤灰的掺入可以有效控制水泥水化的早期放热，减少水化热对混凝土结构的损坏，从而改善混凝土的抗冻性。

A、B两组试件在前50次冻融循环表现稳定，但在75次冻融循环后出现大幅下降，幅度比E、F组大。A、 B砂率为0.23，而E、F砂率为0.40，导致A、B组试件内部裂纹在冻融过程中生长和扩展较E、F组更快，因此，选择合理的砂率对混凝土抗冻性也很重要。

3 结语

（1）水胶比越大，冻融作用造成的破坏越大，宏观表现为在相同的冻融循环次数后，混凝土的质量损失和相对动态弹性模量等性能指标下降更快。

（2）粉煤灰的掺入有利于提高混凝土的抗冻性。在冻融循环后，粉煤灰混凝土的质量损失、相对动态弹性模量等性能指标表现比普通混凝土更优异，但粉煤灰的掺入量并非越大越好，试验结果表明，粉煤灰掺量为30%时，抗冻性能已经下降。

（3）砂率对于混凝土的抗冻性也有影响。砂率过低，则单位体积混凝土内粗骨料的份量很大，浆体所占比例较小，对混凝土内部的黏聚力和孔隙结构极为不利，试验中砂率较低的试件也确实更早出现骨料剥落现象，因此，砂率的选择不宜过低。■

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2015-03-23；编辑：吕光