高强混凝土抗冻耐久性研究

张丽娟，　吴　晶

(河南交通职业技术学院　公路学院， 河南　郑州　450052)



高强混凝土抗冻耐久性研究

张丽娟，吴晶

(河南交通职业技术学院公路学院， 河南郑州450052)

摘要：针对强度等级为C30～C70的混凝土，通过快速冻融循环试验、硬化混凝土气孔分析试验测试了不同水灰比、不同含气量水平下混凝土抗冻耐久性能。试验结果表明，当混凝土水灰比不大于0.35时，混凝土可以经受300次以上的快速冻融循环试验，具有优良的抗冻耐久性能，无需引气；对水灰比为0.36～0.50的混凝土，当水泥浆体含气量大于11%时，即可保证混凝土抗冻耐久性指数达到80以上；计算结果表明，水灰比为0.25的混凝土其内部孔隙率仅相当于水灰比为0.50混凝土的50%，低孔隙率是高强混凝土具有抗冻耐久性能的主要因素。

关键词：高强混凝土；水灰比；含气量；抗冻耐久性指数

随着现代混凝土技术发展，尤其高效减水剂的使用，使得配置高强混凝土成为可能。但对处于严寒地区混凝土结构物，在满足材料强度的基础上还需使混凝土具有优良的抗冻耐久性能[1, 2]。一直以来，对普通混凝土抗冻耐久性的研究已取得诸多成果，其中最重要的技术措施即为通过使用引气剂在混凝土中引入大量微小密闭的气泡[3]。但引气剂的使用在提高混凝土抗冻耐久性能的同时也会造成混凝土材料强度的下降，研究表明，含气量每增加1%，混凝土的强度将降低2%～5%[4]。显然，对于高强混凝土，引气剂的使用与其设计初衷(高强)存在矛盾。因此，如何在保证设计强度的基础上，使混凝土材料兼具良好抗冻性是高强混凝土抗冻耐久性设计中必须面临的问题。

理论上，高强混凝土由于其水灰比较低，使得水泥水化后内部毛细孔尺寸趋于细化，从而使材料抗渗性大大提高，这样，相较于普通混凝土，高强混凝土其内部毛细孔很难达到临界饱和度，同时，高强混凝土其抵抗渗透压与静水压的能力也较普通混凝土更强，因而高强混凝土自身即具有一定的抗冻性，是否需要通过掺加引气剂提高其抗冻耐久性能值得商榷。Mindess S等[5]从理论上论证了当水灰比小于0.36时，无需引气混凝土即具有抗冻耐久性能。但Pigeon M[6]和Li Y[7]分别通过试验证明，当混凝土水灰比小于0.30或0.25时，混凝土自身才具有抗冻性。Pinto等[8]则认为要想使非引气混凝土抗冻耐久性指数达到100，混凝土所需要的最大水灰比为0.35。可见，目前关于高强混凝土抗冻性的研究也尚未达成一致，而目前的抗冻设计规范中也仅给出混凝土具有抗冻性能所要求的最大水灰比及最小水泥用量，对于最小水灰比无明确说明。

为此，本文通过设计试验，研究不同水灰比、不同含气量水平下混凝土抗冻耐久性能，以期为高强混凝土抗冻设计提供试验依据。

1原材料及试验方法

1.1原材料

试验中所用水泥为河南天瑞集团水泥公司生产的P.O 42.5普通硅酸盐水泥，各项性能均满足要求；砂子为细度模数2.8的中砂，含泥量1.1%；粗集料为石灰石碎石，粒径为5～20 mm，含泥量0.7%；水为饮用水；减水剂采用西卡非引气型聚羧酸高效减水剂，引气剂为SJ-2型液体引气剂；2种外加剂均满足GB 50119-2013《混凝土外加剂应用技术规范》规范中对外加剂的性能要求。

以往的研究表明，在原材料及配合比方面影响混凝土抗冻性的因素主要有水灰比、粗集料粒径及其含量，而本次试验的主要目的为确定高强混凝土无需掺加引气剂的最大水灰比及各水灰比下能够保证混凝土具有优良抗冻性的最小含气量，因此，本次试验选取的变量仅为水灰比及含气量水平，其中水灰比选为0.25、0.30、0.35、0.40、0.45以及0.50，含气量水平定为2%、4%以及6%，所配置混凝土强度等级为C30～C70，试验混凝土配合比详见表1。另外需要说明的是，为避免因掺减水剂对混凝土含气量造成影响，本次试验中使用的减水剂为非引气型，测试结果(表2)表明，对仅掺减水剂的各配合比混凝土，其含气量均在1.9%～2.3%，已有文献[9,10]表明，当不掺引气剂或含引气组分的外加剂时，由于机械裹挟作用，混凝土仍具有1%～2%的含气量，但该部分含气量是由孔径较大且不规则的气泡构成，对混凝土抗冻性能的影响甚微。

表1　混凝土试验配合比

注：表中减水剂和引气剂掺量均为水泥质量的百分数，编号中2代表未掺加引气剂配合比，下同。

表2　新拌混凝土性能测试结果

1.2试验方法

本试验包括力学性能试验，新拌混凝土含气量试验，新拌混凝土表观密度测试试验，混凝土冻融循环(快冻法)试验以及硬化混凝土的气孔结构分析试验。其中，力学性能试验主要测试各配合比混凝土成型28 d以及56 d后的抗压强度值，新拌混凝土含气量及其表观密度测试均在混凝土搅拌完成后10 min内完成，具体试件制备及测试方法参照JTG E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》执行。混凝土冻融循环(快冻法)试验中试件为棱柱体(100 mm×100 mm×400 mm)，每种配合比混凝土试验成型3块，具体试验步骤按照GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行，试验中对试件每进行50次冻融循环后测试其动弹性模量Ed的下降值，最终通过计算抗冻耐久性指数DF来评价各配合比混凝土的抗冻耐久性能，DF的具体计算方法将在2.2小节中给出。硬化混凝土气孔结构分析试验采用丹麦生产的Air-rapid457硬化混凝土气孔分析仪进行分析，分析试件为经56 d标准养护后的混凝土。

2试验结果

2.1新拌混凝土性能

新拌混凝土性能测试内容包括含气量、表观密度以及塌落度，试验结果如表2所示。试验中保证新拌混凝土含气量与目标含气量的误差不大于±0.5%。各配合比混凝土塌落度保证在100～150 mm之间。

将表2中不同水灰比、不同含气量混凝土表观密度的变化趋势分别绘于图1和图2，显然，随着含气量的增加，不同配合比混凝土的表观密度也随之减小，而对于同一含气量水平的混凝土，高强混凝土(水灰比小)的表观密度要大于普通混凝土(水灰比大)。对于本文进行的试验，由于所有混凝土均使用相同的原材料，因此，表观密度值的大小可在一定程度上反应混凝土的密实程度。试验结果表明，低水灰比、低含气量的混凝土其内部孔隙率更小，材料更为密实。另外，本文之所以进行混凝土表观密度的测试，是由于表观密度的

图1　混凝土表观密度随含气量的变化趋势

图2　混凝土表观密度随水灰比的变化趋势

测试方法虽较为简单，但却可与含气量的测试结果一起对引气混凝土的配合比进行校核，以确保所配置的混凝土达到设计要求。

2.2硬化混凝土性能

图3给出了不同配合比混凝土28 d与56 d抗压强度值，图4为不同配合比混凝土耐久性指数DF与含气量的关系，表3为不同配合比硬化混凝土气孔结构参数。其中，DF的计算公式如下：

(1)

式中：DF为混凝土抗冻耐久性指数；P为N次冻融循环后试件的相对动弹模量(%)；N为停止试验时试件的冻融循环次数。

图3　不同配合比混凝土抗压强度值

图4　不同配合比混凝土耐久性指数DF与含气量的关系

试验中，当各组试件每隔50次进行相对动弹模量测试，如动弹模量降至(或低于)60%时即停止实验，如未降至60%，则继续进行快速冻融循环直至300次，而后根据测试结果计算抗冻耐久性指数DF。

与已有研究结论类似，对于同一水灰比的混凝土，其抗压强度随含气量的增加而逐渐减小，如对于水灰比为0.25的高强混凝土，当含气量为4.2%和6.0%时，相较于不掺加引气剂时，其28 d抗压强度值分别降低了7.7%和11.9%，56 d抗压强度值分别降低了6.8%和11.5%，可见，引气剂的加入显著降低了高强混凝土的抗压强度，使其未必满足设计要求。

图5和图6分别为不同含气量水平混凝土动弹模量随冻融次数增加而减小的趋势图。显然，对于不掺加引气剂的混凝土(含气量水平2%)，水灰比为0.50的混凝土在经受100次冻融循环后相对动弹模量即低于60%，而随着水灰比的减小，其相对动弹模量的下降值也逐渐变小，当水灰比为0.25时，经受300次冻融循环后混凝土的动弹模量几乎不出现下降。而对于含气量水平为4%的混凝土，引气剂的掺加显著地增大了混凝土的抗冻耐久性能，即使水灰比为0.50的混凝土，在经受300次冻融循环后其相对动弹模量值仍大于80%。

图5　混凝土相对动弹模量与冻融次数关系(含气量水平2%)

图6　混凝土相对动弹模量与冻融次数关系(含气量水平4%)

编号硬化混凝土含气量/%间距系数/μm比表面积/mm-1浆体含量/%50-20.893211.334.250-43.527226.432.150-64.519830.130.745-21.199610.333.245-44.125623.731.445-65.819031.231.240-21.474312.530.540-43.824125.329.440-66.018739.328.435-21.774014.131.235-44.523230.430.235-65.415445.229.530-22.173513.232.130-43.723130.431.630-66.018740.130.425-21.887915.134.325-44.521233.233.525-65.320036.432.7

另外，由硬化混凝土气孔分析试验结果可以看出，在未掺加引气剂的情况下，所有未掺加引气剂的混凝土气孔间距系数均大于700 μm，比表面积均不超过15 mm-1，而已有研究成果表明[11]，混凝土具有抗冻性所要求的气泡间距系数要达到250～300 μm，比表面积大于24 mm-1，但一旦掺加引气剂，4%的含气量即可基本保证引气混凝土气泡间距系数与比表面积满足上述抗冻要求。

3分析与讨论

根据本文试验结果可知，如按照ACI规范的要求，将抗冻耐久性指数DF不小于60(至少可以承受300次快速冻融循环而相对动弹模量不低于60%)的混凝土视为抗冻混凝土，显然，依据本文试验结果(图7)，当混凝土水灰比不大于0.35时，即使不掺加引气剂，混凝土也具有良好的抗冻耐久性能，而当混凝土水灰比介于0.36～0.50时，则需掺加引气剂。

图7　混凝土抗冻耐久性指数与水灰比关系

实际上，在保证粗集料满足坚固性要求的前提下，混凝土遭受的冻融破坏主要发生在硬化水泥浆体中，为此，通过计算得到不同配合比下硬化水泥浆体中的含气量(图8)，结果表明，对于大水灰比混凝土，浆体含气量大于11%(对应新拌混凝土含气量为4%)时，便足以使其具有优良的抗冻耐久性能。

图8　不同配合比混凝土浆体含气量

研究表明，在混凝土能够出现冻融破坏的前提条件中，水分的存在是关键因素，而混凝土内部孔隙中的水分能否达到临界饱和度是混凝土出现受冻破坏的必要条件。

Powers[12]曾提出一种水泥砂浆孔隙率的计算公式：

(2)

式中：Vp为孔隙率(%)；w/c为水灰比；α为水化度。

对于水化度α的计算，Pinto等[13]研究指出当水灰比为0.49和0.33时，水泥砂浆所能达到的最大水化度分别为0.85和0.64。为此，本文试将水化度与水灰比二者之间的关系视为线性，从而得到本文试验中不同水灰比混凝土中水泥砂浆所能达到的水化度，进而计算得到相应的孔隙率。随后，借助于硬化混凝土气孔分析试验中得到的浆体体积含量(表3)，计算得到本文试验中不同配合比混凝土的孔隙率，计算结果如表4所示，计算结果表明，对于不掺引气剂的混凝土，水灰比为0.25的高强混凝土其孔隙率仅相当于水灰比为0.50混凝土的50%，可见，高强混凝土由于水灰比较低，使得其内部毛细孔数量减少，这使得其具有较高的抗渗性，外界水分很难侵入，从而

表4　混凝土孔隙率计算结果

造成其内部孔隙水很难达到临界饱和度，因而具有良好的抗冻性。

4结论

针对强度等级为C30～C70混凝土，基于本文试验结果，可以得到如下结论：

(1)如能保证混凝土原材料中粗集料的坚固性性能满足要求，当混凝土水灰比不大于0.35时，混凝土具有优良的抗冻耐久性能，可以经受300次以上的快速冻融循环试验。

(2)引气剂可以显著提高混凝土的抗冻耐久性能，对于水灰比为0.36～0.50的混凝土，当浆体含气量大于11%时，混凝土的抗冻耐久性指数DF达到80以上。

(3)计算表明，高强混凝土自身具有优良抗冻性的原因在于其内部孔隙率较小，水灰比为0.25的混凝土其内部孔隙率相当于水灰比为0.50混凝土的50%，低孔隙率混凝土一方面可以提高材料的抗渗能力，使其内部孔隙水难以达到抗冻损害所需的临界饱和度，另外，混凝土强度也随孔隙率的降低而增大，其抵抗冻胀破坏的能力也增强。

参考文献

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Examining the Frost Resistance of High Strength Concrete

ZHANGLi-juan,WUJing

(College of Highway, Henan Vocational and Technical College of Communications,Zhengzhou 450052, China)

Abstract:The experimental program investigated the frost resistance of C30～C70 concrete with varying water cement ratios (w/c) and different air-content through testing the anti-frost performance and analyzing the air-void structure of concrete. The research results show that when the w/c is less than 0.35，the concrete with no-air entrained mixtures can endure 300 freeze thaw cycles and consequently have adequate frost resistance. The results also show that when the air content of cement paste is greater than 11% for mixtures with a w/c between 0.36 and 0.50, the durability factor of concrete can reach 80. The calculating results show that the capillary porosity of concrete with a water to cement ratio of 0.25 is only equal to the 50 percent of the one of concrete with a water to cement ratio of 0.50, low capillary porosity is the main reason for the frost resistance of high strength concrete.

Key words：high strength concrete; water cement ratio; air content; durability factor

中图分类号：TU528.31

文献标识码：A

文章编号：2095-0985(2016)02-0090-05

作者简介：张丽娟(1979-)，女，河南巩义人，讲师，硕士，研究方向为公路工程检测、混凝土材料耐久性(Email：zhanglijuanpaper@163.com)

收稿日期：2015-09-16修回日期： 2015-11-04