轻骨料混凝土在盐溶液中的抗冻性研究

左 驰， 陈月顺， 杜志云， 张梦光

(湖北工业大学土木建筑与环境学院， 湖北 武汉 430068)

轻骨料混凝土在盐溶液中的抗冻性研究

左 驰， 陈月顺， 杜志云， 张梦光

(湖北工业大学土木建筑与环境学院， 湖北 武汉 430068)

采用快速冻融的试验方法，对不同强度等级的普通混凝土和轻骨料混凝土在不同冻融介质(水，3.5%Nacl)中的抗冻性进行了比较研究。试验结果显示：轻骨料混凝土较之于普通混凝土而言具有较好的抗盐冻能力，其相对动弹性模量在盐水中下降的速率比在水中慢；对于强度相对较高的混凝土，冻融循环时表面抗剥蚀能力均大于低强度的同种混凝土。

普通混凝土； 轻骨料混凝土； 盐溶液； 强度等级； 抗冻性

在我国北方严寒地区，冻融循环通常被认为是造成混凝土结构寿命缩短的主要原因,尤其是除冰盐的使用，使得混凝土结构受冻融循环和氯离子侵蚀耦合作用，严重影响其耐久性[1-2]。我国早在上个世纪60年代就将轻骨料混凝土应用于桥梁工程，山东黄河大桥、蔡甸汉江大桥、南京长江大桥等都采用轻骨料混凝土制成。这些都充分说明了研究轻骨料混凝土在盐溶液中抗冻性的必要性。轻骨料混凝土已逐渐被国内外学者重视，也取得了一定的研究成果[3-8]，但到目前为止对其耐久性能的研究仍然相对较少。因此，分析盐冻对混凝土造成损伤和破坏的作用机理，进而找出能够增强轻骨料混凝土抗冻性的方法，减少盐冻对轻骨料混凝土结构使用寿命的影响就显得尤为迫切。

1 试验概况

1.1 试验材料

水泥，华新牌42.5普通硅酸盐水泥；细骨料，江砂；普通混凝土粗骨料，碎石;轻骨料混凝土粗骨料，页岩陶粒；混凝土强度等级为C30、C40、C50的普通混凝土编号分别为P1、P2、P3；轻骨料混凝土编号分别为L1、L2、L3。配合比见表1。

表1 配合比

1.2 试验方法

本实验所浇筑的混凝土试块尺寸为100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体；将其分为两组，第一组进行水冻(自来水)试验；第二组进行盐冻试验(冻融介质为3.5%Nacl溶液)。两组棱柱体试块的冻融循环试验均通过《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》(GBT50082-2009)中的快速冻融法进行开展,并在同一条件下养护28 d。第一组棱柱体试块在自来水(冻融介质)中浸泡4 d后，取出将其表面水分用干净的湿抹布擦干，依次测量其质量和相对动弹性模量后放入试件盒内，注入自来水(冻融介质)使其完全浸没棱柱体试块5 mm左右，之后按照仪器操作章程进行冻融循环试验，每组棱柱体试块冻融300次，每隔50次取出并测量其弹性模量和质量损失。第二组盐冻试验可参照第一组进行，只需将第一组冻融介质水转变为3.5%Nacl溶液即可。试验仪器选用湖北工业大学结构大厅上海三好制冷设备厂生产的混凝土快速冻融试验机。

2 试验结果分析

2.1 表面形态对比研究

随着冻融循环的持续，棱柱体试块的破坏程度逐渐加深。在冻融循环初期即冻融次数较少时，不同强度等级轻骨料混凝土和普通混凝土的表面破坏都不明显，混凝土基本不产生剥落，表观保存也较为完整。当冻融次数增加到一定程度后，棱柱体试块有剥落现象产生，粗骨料会逐渐完全暴露出来，局部破坏也会较为严重，部分混凝土试块也会产生破坏，退出试验。为了能够清楚的说明不同之处从而进行对比，选取了在水冻环境下冻融300次和在盐冻环境下冻融200次进行对比说明。

对于普通混凝土而言，水冻环境冻融300次后，P1混凝土表面疏松，混凝土大量剥落，粗骨料明显暴露，P1冻融300次后所造成的损伤较为严重；P2混凝土保护层剥落，表面呈坑坑洼洼状，存在少许的粗骨料暴露；P3混凝土表面较为完整，仍有少量砂浆脱落，但粗骨料未暴露。由此可见，对于普通混凝土，其强度等级越高，抗冻性能越好，表面损伤程度越小。对于轻骨料混凝土而言，冻融300次后，L1已经发生破坏，退出试验；L2表面酥松，裂纹开裂明显;L3表面完整。在盐冻环境冻融200次时，对于普通混凝土而言：棱柱体试块保护层几乎全部脱落，粗骨料也完全暴露，试块周围掉落大量粉末状残渣，混凝土损伤严重，毫无承载能力；P2已经发生破坏，退出试验；而P3在冻融200次时也存在粉末状残渣剥落，粗骨料未完全暴露出来。可明显看出：对于普通混凝土而言，强度越高，表面损伤程度越小。对于轻骨料混凝土而言：L1在冻融150次时，已完全发生破坏，退出实验；L2在冻融200次时，棱柱体试件发生断裂；L3经冻融后表面保存较为完整。对于轻骨料而言，L3的抗盐冻性能较好。

混凝土在水冻300次与盐冻200次后表面形态的相互比较可知：(1)普通混凝土：P1盐冻200次比水冻300次表面损伤的程度大很多。P3在水冻300次后表面依旧比较光滑；在盐冻200次后，表面开始变得凹凸不平，保护层混凝土逐渐脱落，表面有裂纹产生，虽然无粗骨料暴露，但试件边角已经松软并逐渐掉落。(2)轻骨料混凝土：L2在水冻300次后，表面除有部分位置凹凸不平，其他部位依旧比较光滑；在盐冻200次之后，混凝土保护层掉落严重，且边角部位产生大量裂纹。L3水冻300次和盐冻200次表面状态相差不大。

2.2 试验结果及分析

2.2.1 计算方法

1)动弹性模量计算方法：

Er=Ep/E0

其中各参数表示如下：Er为相对动弹性模量，

Ep为p次冻融后的动弹性模量，E0为初始动弹性模量。

2)质量损失率计算方法：

ΔM=M0-MP/M0

其中各参数表示如下：M0为试件初始质量，MP为p次冻融后的质量。

2.2.2 水冻环境 水冻环境下冻融循环的相对动弹性模量和质量损失见图1～图4。

图 1 水冻条件下P1-P3相对动弹性模量损失

图 2 水冻条件下P1-P3质量损失

图 3 水冻条件下L1-L3相对动弹性模量损失

图 4 水冻条件下L1-L3质量损失

由图1和图3可以看出，水冻环境下，整体来说，无论是轻骨料混凝土还是普通混凝土，混凝土强度等级越高，相对动弹性模量下降速度越慢，而且棱柱体试块的相对动弹性模量与冻融循环的次数呈反比例的趋势。图1可以看出混凝土强度等级为C30的普通混凝土P1在冻融200次以后，其相对动弹性模量下降到60%，即达到认定发生冻融破坏标准。而从图3可以看出，轻骨料混凝土在冻融达到150次时，棱柱体试块发生破坏，退出试验。

图2和图4可以看出，普通混凝土，强度等级为C30质量损失较快，C40和C50质量损失率基本小于1%。而对于轻骨料混凝土而言(强度等级为C30轻骨料混凝土)，在冻融次数比较低时，其质量反而会增加。整体而言，轻骨料混凝土的质量损失较小。

2.2.3 盐冻环境 盐冻环境下冻融循环的相对动弹性模量和质量损失见图5～图8。

图 5 盐冻条件下P1-P3相对动弹性模量损失

图 6 盐冻条件下P1-P3质量损失

图 7 盐冻条件下L1-L3相对动弹性模量损失

图 8 盐冻条件下L1-L3质量损失

由图5和图7可知，盐冻环境下，相对动弹性模量也同样与冻融循环次数呈反比。普通混凝土在盐冻环境下的相对动弹性模量的下降速率比轻骨料混凝土在盐冻环境下的下降速率快。P1,P2在冻融循环次数不足150次时，其相对动弹性模量已经下降到60%。轻骨料混凝土L1在冻融循环次数到达150次就发生完全破坏，退出试验。由图6和图8,在盐冻环境下，随着混凝土强度的增加，质量损失率随之降低。冻融初期，轻骨料混凝土L1的质量同水冻环境相同，都存在增加趋势。

图3和图7对比可知，轻骨料混凝土相对动弹性模量在盐水中下降的速率比在水中的慢。混凝土强度较高的轻骨料混凝土L3在水冻环境下冻融不足150次，其相对动弹性模量下降到60%，而盐冻环境下的L3，直到试验结束，其动弹性模量一直高于60%。混凝土强度等级为C30时，当冻融循环次数到达150次，轻骨料混凝土已发生完全破坏。由图4和图8可知，轻骨料混凝土在盐冻环境下的质量损失大于在水冻环境下的质量损失。轻骨料混凝土L1在盐冻中冻融循环100次时，质量损失已超过5%,达到认定破坏的标准。而在水冻中的轻骨料混凝土L1其质量反而增加。混凝土强度等级为C30轻骨料混凝土在盐冻和水冻中初始冻融循环时，其混凝土质量有所增加。究其原因，可能是由于水流入轻骨料混凝土的空隙内，从而造成混凝土质量增加，而后期的质量减小则是因为随着冻融循环次数的增加，混凝土产生剥落。

3 结论

1)普通混凝土在盐冻环境下的相对动弹性模量和质量损失率下降较水冻环境更为迅速，其在盐冻环境下的抗冻性劣于在水中的抗冻性。同时不管是轻骨料混凝土还是普通混凝土，强度等级越高，抗剥蚀能力越好，冻融循环所造成的损伤程度也就越小。

2)冻融初期的轻骨料混凝土，其相对动弹性模量和质量损失都减少得较为缓慢，经过一定的冻融循环后，相对动弹性模量会出现明显的下降趋势。

3)相对动弹性模量能够较好地反映出混凝土内部的损伤程度，轻骨料混凝土在盐冻环境下的相对动弹性模量下降速率比在水中慢，而强度较低的轻骨料混凝土在冻融到一定次数时会发生突然断裂，故而在北方严寒地区，应尽量选择强度等级较高的轻骨料混凝土。

4)强度较高的轻骨料混凝土的抗盐冻能力比同等强度的普通混凝土要强。较之于普通混凝土而言，轻骨料混凝土具有良好的抗渗性和抗冻性，从而具有更好的耐久性。

[1] 吴中伟,廉慧珍. 高性能混凝土[M]. 北京：中国铁道出版社,1999,09:240-241.

[2] 陈月顺,齐国霖,吴伟. 混凝土在氯离子侵蚀和冻融耦合作用下的研究[J]. 建筑技术开发,2012,02:45-48.

[3] 杜志云. 不同种类混凝土抗冻性研究[D].武汉：湖北工业大学,2013.

[4] 王海龙. 轻骨料混凝土早期力学性能与抗冻性能的试验研究[D].呼和浩特：内蒙古农业大学,2009.

[5] 赵振亚,姬宝霖,宋小园,申向东. 轻骨料混凝土的抗冻性研究[J]. 硅酸盐通报,2015,09:2442-2447.

[6] 杨文萃,葛勇,常传利,张宝生,袁杰,于纪寿,熊爱玲. 混凝土在盐溶液中的抗冻性[J]. 低温建筑技术,2007,01:1-4.

[7] 霍俊芳,曹喜,刘大鹏. 轻骨料混凝土抗冻耐久性试验研究[J]. 内蒙古工业大学学报(自然科学版),2008,04:299-303.

[8] 孔丽娟. 轻骨料对中等强度混凝土耐久性能影响的研究[J]. 混凝土,2012,12:46-49.

[责任编校： 张岩芳]

Frost Resistance of Lightweight Aggregate Concrete in Salt Solution

ZUO Chi, CHEN Yueshun，DU Zhiyun，ZHANG Mengguang

(SchoolofCivilEngin.,ArchitectureandEnvironment,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

The durability of concrete material is its most important performance indicators, and freeze-thaw damage issue has become one of the important factors affecting the durability of concrete. The frost resistance of normal concrete and lightweight Aggregate Concrete in different freezing and thawing media (water and 3.5% sodium chloride solution) were investigated by quick freeze-thaw tests in the study. The results show that lightweight aggregate concrete has better salt freezing capacity and the relative dynamic elastic modulus in the salt water is lower than in water. For relatively high intensity of the concrete, the surface anti-erosion ability when freeze-thaw cycles were higher than the same kind of low-strength concrete.

ordinary concrete；lightweight aggregate concrete；salt solution；strength grade；frost resistance

2016-01-12

左 驰(1991-)， 男， 湖北武汉人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为钢筋混凝土耐久性

1003-4684(2017)01-0026-04

TU111.2

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