C50混凝土抗冻性能研究

闫洁++李长成++郑成艳

摘 要：针对东北混凝土工程经历反复冻融导致破坏的问题，利用快速冻融机进行冻融试验，以混凝土的动弹性模量和质量损失为评价指标，结合微观组织和XRD分析，研究了混凝土的破坏机理。结果表明：冻融条件下，混凝土相对动弹性模量与循环次数之间满足Erd =a×N3+b×N2+c×N+d；冻融破坏的实质是混凝土内部损伤逐渐累积，导致体积膨胀、结构酥松进而引起破坏的过程。冻融循环下，静水压和渗透压是使其破坏的主要因素。

关键词：混凝土；冻融循环；动弹性模量；静水压；渗透压

中图分类号：TU528.01 文献标志码：A

Abstract： In view of the concrete damage caused by repeated freezing-thawing in Northeast， the fast freezing-thawing machine was used to conduct the experiment with freeze-thaw cycles. The experiment took the loss rate of dynamic elastic modulus and quality as the evaluation index， combined with microstructure and XRD analysis so as to study the degeneration mechanism of concrete. The results show that， under freeze-thaw condition， the relationship between relative dynamic modulus of elasticity and cycle times is three times function relation， Erd =a×N3+b×N2+c×N+d. The essence of concrete damage is internal damage accumulates gradually， leading to the volume expansion， structures loose and concrete destruction under freeze-thaw environment. Hydrostatic pressure and osmotic pressure are the main factors causing the damage.

Keywords： concrete； freeze-thaw cycles； dynamic elastic modulus； hydrostatic pressure； osmotic pressure

引言

水泥混凝土较其他建筑材料易浇筑成形、原材料易得、价格低廉及耐久性高，被广泛应用于土木工程的众多领域[1]。但研究发现，很多混凝土结构在远低于设计寿命时就发生了不同程度的损坏[2]，这些过早“衰老”的工程需要耗用庞大的维修费用， 还会造成安全隐患， 专家们把这种现象称为“混凝土耐久性危机”。据调查，我国每年要投入2000亿元以上，来应对因混凝土结构的耐久性而导致的各种问题[3]。近几年，混凝土的抗冻耐久性引起了广泛关注， 不仅因为它是耐久性的重要指标， 同时也因为混凝土的冻害发生的范围极其广泛[4]。我国地域辽阔，有相当大的地区处于寒冷地带，如西部及东北部地区，桥梁、道路、水工等工程中的混凝土结构的主要病害就是冻融破坏[5]，严重影响了其使用寿命。

吉林省地处东北季节性冰冻地区，冬季寒冷漫长，最冷月平均气温在-15℃左右，最低气温可达-35℃，年冻融次数约115次，冻融破坏是本地区室外混凝土结构的主要病害之一。本文选择目前吉林桥涵工程中的预制箱梁等普遍使用的C50混凝土作为研究对象，通过快速冻融实验，开展寒冷环境下混凝土的抗冻性能研究，对于提高我国寒区混凝土结构的耐久性，具有非常重要的实际意义和社会经济效益。

1.混凝土配合比

为了更加真实有效地反应混凝土材料的耐久性能，配制吉林桥涵工程中的预制箱梁、现浇箱梁等普遍使用的C50混凝土所用配合比相似的高性能混凝土，以便研究成果更好地服务于工程实践。混凝土的水胶比为0.32，塌落度为140-180mm，砂率为42%，水泥、砂、石、水、粉煤灰、减水剂的配合比如表1所示。制备尺寸为100mm×100mm×400mm的标准混凝土快速冻融试件，如图1所示。

2.实验条件

参考GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，混凝土抗冻性能试验有慢冻法和快冻法两种。慢冻法抗冻性能一般用抗压强度损失率来衡量，快冻法抗冻性能一般用动弹性模量来评价。本课题冻融循环制度采用快冻法，具体过程如下：将制备的混凝土快速冻融试件标准养护24天后，放入20±2℃的水中进行浸泡，水面至少高出试样20mm，浸泡4天后取出试件，擦干后称重并测定初始动弹性模量，随后将试样放入TDR-3混凝土快速冻融试验机的专用橡胶试件盒中，加入水使其沒过试件顶面1-3mm，开始进行冻融循环，试件的中心温度分别控制在（-15±2）～（6±2）℃，每次冻融循环约3.6小时，混凝土试件在冻融试验过程中处于全浸泡状态。试件冻融一次为一个循环，每25个循环测量一次动弹性模量损失和质量损失，当动弹性模量损失大于40%或质量损失大于5%时停止试验，认为试件已破坏。混凝土快速冻融机及TD-20动弹性模量仪如图2所示。

3.实验结果与分析

3.1 混凝土试件的动弹性模量损失率和质量损失率

冻融条件下混凝土试块的动弹性模量损失率和质量损失率如图3所示，随循环次数的增多，动弹性模量损失率和质量损失率都逐渐增大，混凝土在225个冻融循环后动弹性模量损失率达到40%以上，试块被破坏。在冻融循环初期，试样质量略有增大，这是由于试样内微孔隙在冻融损伤的作用下不断扩展变宽，导致试样在饱和状态下的含水率有所提高。在冻融中后期，试样冻融损伤逐渐积累，混凝土开裂及表面脱落情况逐渐加剧，从而导致试样的质量降低，质量损失率逐渐增大[6]。endprint

和质量损失率

3.2 影响函数

通过试验结果拟合，建立了冻融条件下，混凝土相对动弹性模量与循环次数之间的关系式，二者成三次函数关系Erd =a×N3+b×N2+c×N+d，其中a=-3.65×10-6，b=3.34×10-4，c=-0.09，d=100.07，R2=0.995。将实测值与拟合曲线进行比较，如图4所示，发现二者吻合较好，因此可用该公式来模拟寒区冻融环境下C50混凝土的冻融破坏规律。

3.3 混凝土试件的宏、微观组织结构

图5-ab为冻融不同次数后混凝土的宏观组织，冻融前期混凝土外观变化不明显，冻融后期混凝土表面水泥浆体成片脱落，表面骨料大面积暴露、凹凸不平，其冻融损伤过程是一个由致密到疏松的物理过程。采用XL-30 ESEM FEG扫描电子显微镜观察了混凝土内部的组织形貌，如图5-cd所示，在相同放大倍数下，冻融初期的混凝土组织较为致密，冻融后期的混凝土组织不够致密，酥松多空；浆体缝隙中存在少量针状的晶体，结合晶体形貌观察、EDS成分分析及XRD分析（图5e）可知该晶体为钙矾石（ ）。混凝土的冻融破坏实际上是内部结构由致密到疏松的物理过程，并伴随着微裂缝的出现和发展[7]，从而导致混凝土表面剥蚀、内部开裂、质量和动弹性模量降低。

3.4 混凝土破坏机理研究

从上世纪 40 年代以来，各国学者或从纯物理模型出发，或以水泥净浆或砂浆试验为基础，提出了混凝土冻融破坏机理的多种假设和理论，如静水压理论、渗透压理论、充水系数理论、临界饱水值理论和孔结构理论等，但目前国内外尚未得到统一的认识和结论[7，8]。

研究发现，混凝土内部毛细孔隙水的结冰膨胀压和渗透压是引起冻融损伤的动力。混凝土的抗冻性主要受混凝土孔径尺寸和浸入到混凝土内部水的影响[7]。孔结构理论认为对冻融影响较大的是>100nm的有害孔。冻融循环中混凝土是浸泡在水中的，其表面含水率大于内部含水率，受冻时表面先降温，表面温度低于内部温度，表层毛细孔内的水先结冰体积膨胀，冻害由表及里发展，导致试样表面砂浆层脱落。表层和内部温度差还会导致混凝土在降温过程中出现内外层之间结冰量的差异，产生内外浓度差，使传质过程变得复杂。混凝土受冻温度为-15±2℃，随着冻融时间的延长，混凝土内部毛细管内的水一旦结冰，就会扩展孔隙同时将多余的水沿边界压出，一旦结冰处至“逃逸边界”（如气泡）的距离大于100μm，或材料的渗透性较差就会产生很大的水压[9]。但此时混凝土内部尺寸较小的凝胶孔内的水仅仅处于过冷状态而不会结冰，造成混凝土内部热力学上的不平衡，由于冰的饱和蒸气压小于水，蒸汽压的差别驱使凝胶孔内的过冷水向毛细孔内迁移，使混凝土内部产生渗透压[10，11]。在降温过程中，混凝土内外层之间、大小孔之间由于结冰量差异都会导致渗透压加大，渗透作用进一步增强。且冻融循环过程中混凝土的内部会产生周期性变化的应力，每次冻融循环后混凝土内部变形并不能完全恢复，都存在残余变形，随着冻融次数的增多，冻融损伤逐渐累积[5]。除此之外，混凝土各组分材料之间的热膨胀系数差距明显，导致在冻结降温和融化升温过程中内部材料之间变形量差异很大，也会在混凝土内部形成温度损伤应力[12]。一旦产生的应力超过混凝土所能承受的压力，混凝土表面剥落、质量损失加大，内部松散，集料与胶凝材料发生分离，动弹性模量衰减，混凝土被破坏[13]。

本文选用的混凝土中含有高效减水剂，减水剂的使用使得相同强度等级的高性能混凝土水灰比较普通混凝土要低，由于相同质量的水泥水化所需的水分是一样的，其余的水分会在混凝土硬化干燥过程中蒸发掉，留下孔隙，水灰比小的混凝土会存在相对较小的孔隙率[5]。此外，粉煤灰的添加会消耗水泥水化时生成薄弱的、而且往往富集在过渡区的氢氧化片状结晶，并填充于水泥水化生成物的间隙，从而增加了混凝土的密实度和抗冻性[14，15]。

总之，混凝土冻融破坏的实质是在冻融环境下内部损伤逐渐累积，导致体积膨胀、结构酥松进而引起混凝土破壞的过程。冻融循环下，静水压和渗透压是使其破坏的主要因素。

4.结论

（1）随循环次数的增多，C50混凝土的动弹性模量损失率和质量损失率都逐渐增大，在225个冻融循环后试块被破坏。

（2）冻融条件下，混凝土相对动弹性模量与循环次数之间满足三次函数关系，Erd=a×N3+b×N2+c×N+d，其中a=-3.65×10-6，b=3.34×10-4，c=-0.09，d=100.07，R2=0.995。

（3）混凝土冻融破坏的实质是在冻融环境下内部损伤逐渐累积，导致体积膨胀、结构酥松进而引起混凝土破坏的过程。冻融循环下，静水压和渗透压是使其破坏的主要因素。

参考文献

[1]姜志庆.道路建筑材料[M].北京：人民交通出版社，2003：63-65.

[2]覃维祖.译自：P.-C. A？ tcin. Cements of yesterday and today： Concrete of tomorrow[J] .Cement and Concrete Research， 2000（9）.

[3]李明顺.坚持科研促使混凝土结构设计规范水平跻身世界先进行列[J].工程建设标准化，1997（l）：13-16.

[4]张士萍，邓敏，唐明述.混凝土冻融循环破坏研究进展[J].材料科学与工程学报，2008，26（6）：990-994.

[5]李福海.冻融环境下桥梁下部结构混凝土抗侵烛性能研究[D].四川成都：西南交通大学，2011.

[6]郝贠洪，江南，樊金承，等.盐渍土环境下混凝土的抗腐蚀性能研究[J].混凝土，2016，8：8-11.

[7]孙增智.道路水泥混凝土耐久性设计研究[D].陕西西安：长安大学，2010.

[8]杨英姿，赵亚丁，巴恒静.关于混凝土抗冻性试验方法的讨论[J].低温建筑技术，2007，（5）：1-4.

[9]孙伟.现代结构混凝土耐久性评价与寿命预测[M].北京：中国建筑工业出版社，2015：93-95.

[10]SAHMARAN M，ERDEM T K，YAMAN I O. Sulfate resistance of plain and blended cements exposed to wetting-drying and heating-cooling environments [J].Construction and Building Materials，2007，21（8）：1771-1778.

[11]金伟锋.盐渍土地区混凝土的抗冻耐久性试验研究[D].陕西西安：长安大学，2010.

[12]邢凯.冻融循环下混凝土力学性能试验及损伤演化研究[D].陕西西安：长安大学，2015.

[13] POWERS T C. Freezing effects in concrete [J].Durability of Concrete-ACI， 1975，47：1-8.

[14]姚燕，王玲，田培.高性能混凝土[M].北京：化学工业出版社，2006（9）：30-35.

[15]李卫东，贾相财，张豪杰.掺粉煤灰高性能混凝土耐久性试验研究[J].低温建筑技术，2012（10）：8-10.

_____________________

【文章编号】1006-2688（2017）07-0001-04

【基金项目】吉林交通职业技术学院2015年度改革创新专项基金项目（编号2015-1-107）。

【作者简介】闫洁（1984-），女，山东临清人，工学博士，毕业于北京航空航天大学，讲师，研究方向：混凝土耐久性。endprint