冻融循环对C60高强混凝土吸水性能影响的试验研究.pdf

2 0 1 4 年 第 9期 (总 第 2 9 9 期 ) Nu mb e r 9 i n 2 0 1 4 ( T o t a 1 No 2 9 9 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 T HEORET I CAL RES E ARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 4 0 9 0 0 5 冻融循环对 C 6 0高强混凝土吸水性能影响的试验研究 李雁 ，吕恒林 ，殷惠光 1 I 2 ，刘瑞雪 1 l2 ，李兵 z 3 ，张连英 1 I2 ( 1 中国矿业大学 力学与建筑工程学院，江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ；2 徐州工程学院 土木工程学院，江苏 徐州 2 2 1 0 1 8 ； 3 中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程 国家重点实验室 ，江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ) 摘要 ： 通过试验研究 了冻融对 C 6 0 高强混凝土吸水性能的影响 ， 研究结果表明： ( 1 ) 随着冻融循环次数增加， 混凝土的吸水质量 逐渐增大 ， 吸水高度随时间的变化规律可以用负指数函数很好的描述。 ( 2 ) 当冻融 3 0次时 ， 混凝土的初始吸水率( 0时刻) 和未冻融 混凝土的初始吸水率相等 ； 当冻融 6 0 次和 9 0 次时， 混凝土初始吸水率大于未冻融混凝土初始吸水率。 ( 3 ) 随着冻融次数增加， 混凝 土的孑 L 隙度增大， 冻融循环 9 0次后， 较未经冻融混凝土增大约 5 5 。 关键词： 矿物掺合料；冻融 ；吸水率 ；孔隙度 中图分类号： T U 5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 0 9 0 0 1 5 0 4 T e s t r e s e a r c h o n t h e wa t e r a b s o r p t i o n p e r f o r m a n c e o f C 6 0 c o n c r e t e a f t e r f r e e z i n g - t h a w i ng c y c l e s UYan ， LUHe n g l i n ， YI N Hu i gu a n g 一， LI URu i xu e 一 ， U Bi g 2 ,3 ZHANG Li a n yi n g ， ( 1 S c h o o l o f Me c h a n i c s a n dCi v i l E n g i n e e r i n g ， C h i n aUn i v e r s i t yo f Mi n i n ga n dT e c h n o l o g y， Xu z h o u2 2 1 0 0 8 ， Ch i n a ； 2 Sc h o o l o f Ci v i l Eng i n e e r i n g， Xu z h o u I ns t i t ut e o fTe c hn o l o gy， Xu z h o u 2 21 0 08， Ch i n a；3 S t a t e Ke y La b o r a t o r y o f Ge o me c h a n i c s a n dDe e pUn d e r g r o u n dE n g i n e e r i n g， C h i n a Un i v e r s i t yo f Mi n i n gandT e c hno l o gy ， Xu z h o u2 2 1 0 0 8 ， C h i n a ) Abs t r ac t ： The i n flu e n c e o f f r e e z i n g - -t ha wi n g o n wa t e r a bs o r p t i o n o f C6 0 hi g h - s t r e n gt h c o n c r e t e wa s s tudi e d a n d t h e r e s ul t s s h o we d t h a t ( 1 ) wi t h t h e i n c r e a s e o f fre e z i n g t h a wi n g c y c l e t i me s mo r e wa t e r wa s a b s o r b e d a n d n e g ati v e e x p o n e n t i a l f u n c t i o n c a n d e s c r i b e t h e c h ang e r u l e o f s u c t i o n h e i g h t w i th t i me we l l ； ( 2) Wh e n fr e e z i n g - t h a wi n g c y c l e t i me s wa s 3 0 ， t h e i n i t i a l wa t e r a b s o rpt i o n r a t e o f c o n c r e t e( 0 h o u r ) wa s e q u a l of t h e a bs o rpt i o n r a t e o fc o n c r e t e wi t h o ut fre e z e tha w c y c l e Whe n c i r c l e t t i me s we r e 6 0 a n d 9 0， the ini t i a l wa t e r a bs o rpt i o n r a t e o f c o n c r e t e wa s mo r e t h a n t h e a b s o rpt i o n r a t e o f c o n c r e t e wi t h o u t f r e e z i n g - tha wi n g c i r c l e ； ( 3 ) P o r o s i ty o f c o n c r e t e b e c a me b i g g e r wi t h t h e i n c r e a s e o f fre e z i n g t h a wi n g c i r c l e t i me s T h e p o r o s i ty o f c o n c r e t e i n c r e a s e d 5 5 t h an t h e p o r o s i t y o f c o n c r e t e wi t h o u t fr e e z i n g and t h a wi n g Ke y wo r d s ： mi n e r a l a d mi x tur e ； fre e z i n g and t h a wi n g； wa t e r a b s o rpt i o n r a t e ； p o r o s i ty 0 引言 寒冷水域地区， 混凝土结构受到冻融和腐蚀( 盐碱等 ) 双重损伤 ， 使用寿命大大缩减 。 大量研 究结果表 明， 寒冷沿 海 、 河湖地区的混凝土受到冻融作用过后 ， 渗透性能增强 ， 加速 了危害性离子 的入侵( 如氯离子和硫酸根离子 ) ， 从而 加速了结构 内部钢筋锈蚀 ， 导致整个结构受损 。 目 前 ， 许多学者对冻融后混凝土的渗透I生 能进行了研究， 如 ： 汪振双 ，等 以渗透 电阻为指标 ， 研究了水胶比为 0 4 2 的混 凝土在冻融之后渗透性能变化规律 。 唐伟东回 等对水工 C 3 0 引气混凝土进行冻融后氯离子渗透试验 ， 研究结果表明 ， 氯 离子扩散系数随冻融次数呈线性增长， 混凝土的抗渗 能降 低。 徐港圜 等通过测量混凝土的电阻和氯离子扩散系数研究 了冻融循环作用对 C 2 0 、 C 3 0 和 C 4 0 混凝土的氯离子迁移的 影响。 何世钦问 等研究 了 C 2 5 和 C 3 5 混凝土冻融 5 0 次后混 凝土试件氯离子侵蚀情况 ， 研究结果表明冻融作用导致混凝 土内部损伤， 增加有害离子的扩散通道。 张巨松四 等研究了慢 速冻融循环对矿物掺合料混凝土的氯离子扩散系数的影响。 从 目前的研究情况来看 ， 对冻融后混凝土的渗透性能 试验研究多是针对普通混凝土进行的 ， 且大多以氯离子作 为渗透介质， 很少以水作为渗透介质， 然而水是氯离子、 硫 酸根等有害离子传输 的载体 ， 因此对冻融后高强混凝土的 渗水性能研究很有必要 。 笔者对淡水冻融循环后 的 C 6 0高 强混凝土进行 吸水性能试验研究 ， 以吸水质量 、 吸水高度 、 吸水率 和孔 隙度 为主要 指标研究冻融作用对 高强混凝 土 抗渗透性能的影响。 1 试验原材料及混凝土配合比 1 1 原材料的选用 ( 1 ) 水泥 。 采用徐州 中联水泥 厂 P 0 4 2 5 级水 泥 ， 其 收稿 日期 ：2 0 1 4 0 3 1 5 基金 项 目 ： 江苏省产 学研前 瞻性联合研究项 目( BY 2 0 1 2 0 8 5 ) ； 住房和城乡建设部科学技术项 目( 2 0 1 3 K4 2 2 ) ； 国家建筑材料行业科技创新计划 面上研究项目( 2 0 1 3 M5 7 ) ； 徐州市科技计划项目( X Z Z D 1 3 2 0 ) 1 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 凝土的总吸水质量分别增大约 4 1 7 6 、 7 6 4 7 和 9 2 7 5 。 3 2 冻融损伤对吸水高度的影响： 混凝土试件的吸水高度按式( 1 ) 进行计算： = ( 1 ) 1 T r 式中 ： m吸水质量 ； r 试件半径 ； p 水的密度 ； 吸水高度。 通过式计算得 出混凝土的平均吸水高度如表 6 所示 ： 表 6 冻融循环后混凝土试件吸水高度 根据 表 6中的数 据 ， 可得混凝 土试件 经不 同次 数冻 融 循环作用后 吸水高度 h ( m m) 随时间平方 根 t 的变化 规 律 ( 如 图 4中的散点 ) 。 从散点 的变化趋 势可推测 吸水 高 度 h随 时间平方 根 t 的变化 规律可 以用负 指数 函数 描述。 因此本研究用式 2 对表 6中的试验值进行拟合， 得 到冻融循 环次数为 0 、 3 0 、 6 0 和 9 0次时 的 a 、 b和 C 值 ， 如 表 7所示 ， 其 中 R s q u a r e 是确定 系数 ， R s q u a r e 越接近 1 ， 则拟合效果 越好 。 ： + c ( 2 ) 表 7系数 a 、 b 、 c及 R s q u a r e值 将表 7的系数依次带人式 2中即可得 每种冻融情况 下， 混凝土对应的吸水高度与时间的平方根之间的关系式 。 如图 4中的曲线所示 。 就 O 2 0 l 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 t mi n 图4 冻融循环后吸水高度试验值及拟合曲线 从 图 4中可 以看 出 ： ( 1 ) 混凝 土在不 同次数冻融循环 作用后 吸水 高度 随时间平方 根 t 忱的变化 趋势 是相似 的。 在前期， 吸水高度呈线性迅速增长 ， 吸水速率较大； 此 后， 吸水高度增长缓慢， 吸水速率降低； 随着时间进一步加 长 ， 曲线趋于平稳 ， 吸水速率几乎为零 。 ( 2 ) 随着冻融循环 次数增加 ， 混凝 土的吸水高度增大 ， 冻 融循环 0 、 3 0 、 6 0和 9 0次后， 混凝土的最终吸水高度分别为 0 6 5 、 0 9 2 、 1 1 5和 1 2 5 m m。 ( 3 ) 从表 7中可 以看出 ， 确定系数 R s q u a r e 大部 分在 0 9 7 0 9 8 之间， 说明式 2 能较好地描述吸水高度随时 间的二次方根的变化规律。 3 3 冻融损伤对吸水 率的影响 根据吸水率的定义， 将式 2 对t 进行求导， 即得含时间 效应的吸水率计算公式： 一 a b t 一 ( 3a b t 3 ) k = = 一 J 式中 ： W 吸水率 ； 取 0 ， 2 5 0 0 。 对应表 4的系数 ， 可得吸水率随 t 的变化 曲线 ， 如图 5 所示。 t mi n 图 5 冻融循环后吸水率变化 曲线 从 图5中可以看出 ： ( 1 )经不同次数冻融循环作用后 的混凝 土吸水率 W 随时间平方根 t 他的变化趋 势是相似 的。 初期 ， 曲线呈线性 ， 吸水速率迅速降低 ； 之后曲线呈非线 性 ， 吸水速率降低缓慢 ， 最终趋近与零。 ( 2 ) 未经冻融和冻融 3 0 次混凝土的初始吸水率相同， 均为 0 0 4 4 2m m mi n ； 冻 融 6 0次 和 9 0次 的混凝土 初始 吸水 率分 别为 0 0 5 5 7和 0 0 8 0 1 m r n mi n 2 。 ( 3 ) 在 l 0 mi n 之前 ， 随着冻融次数增加 ， 混凝土 的吸水 率增大 ， 在 1 0 mi n 之后 ， 所有 冻融后 的混 凝土 的吸水率大于未经冻融 的混凝土 。 ( 4 ) 对于所有混凝 土 ， 吸水率几乎 同时降低到零 。 3 4 冻融损伤对孔 隙度 的影响 在本研究 中， 以完全浸泡 4 8 h 后混凝 土试件吸收水分 的体积与混凝土试件体积的比值作为混凝土宏 观孔隙度 ， 如式( 4 ) 所示 ： ( 4 ) 1 7 口 【 、 目u ) 斛 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 式 中： 西 孔 隙度 ； 饱水试件 中水的体积 ； 试件体积 。 饱水后 昆 凝土试件吸收水分 的体积按式 5 计算 ， 对应 混凝土试件 的体积按式 6 计算 。 ( 5 ) Pw 式 中： m 饱水 时水的质量 ； p 水 的密度 。 1 c S = _ 1订 ( 6 ) 斗 式中： d 圆形试件的半径 1 0 0 m m； 圆形混凝土试件的高度。 表 8 冻融循环后混凝土孔隙度 p 图 6 是混凝土孔 隙度随冻融次数的变化规律 ， 对 其进 行分析可得 ： ( 1 ) 随冻融循环次数增加 ， 混凝土孔 隙度逐渐 增大 。 经历 3 0次冻融循 环后 ， 混凝 土孔 隙度增大较快 ， 而 冻融循环次数从 3 0 次增大到 9 0 次的过程中， 孔隙度增大 缓慢 。 ( 2 ) 当循环进行到 3 0 、 6 0和 9 0 次 时 ， 混凝 土的孔隙 度为 3 3 5 、 3 5 8 和 3 7 0 较未经冻融混凝土分别增大约 4 0 、 5 O 和 5 5 4结 论 通过试验研究 了冻融循环对 C 6 0 高强混凝土吸水性 能 的影响， 得出以下主要结论 ： ( 1 ) 冻融循 环 3 0 、 6 0 和 9 0 次后 ， 混凝土的最终 吸水质 量较未经冻融混凝土分别增大约 4 1 7 6 、 7 6 4 7 和9 2 7 5 ， 孔隙度较未经冻融混凝土分别增大约 4 0 、 5 0 和 5 5 。 ( 2 ) 随着冻 融循环 次数增 加 ， 混凝土 的吸水 高度 及吸 水率增大 ， 可以用负指数函数很好的描述吸水高度及吸水 率随时间的变化规律 。 ( 3 ) 当冻融循 环 3 0次时 ， 混 凝土 的初始吸水 率 ( 0时 刻 ) 和未冻融混凝 土 的初始 吸水率相 等 ； 当冻 融 6 0次和 9 0次 时 ， 混凝 土初 始 吸水 率大 于 未冻融 混 凝 土初 始 吸 水 率 。 参考文献 ： 1 汪振双， 王立久 冻融循环条件下粉煤灰对混凝土渗透性的影 响 沈阳工业大学学报， 2 0 1 1 ( 8 ) ： 4 6 5 【 2 唐伟东 ， 赵卓 ， 曾力 ， 等 冻融损伤条件下水 工混凝土渗透性能 试验l J 1 人民黄河， 2 0 1 2 ， 3 4 ( 8 ) ： 1 2 2 3 徐港， 卫军 氯盐种类及冻神对混凝土氯离子迁移的影响 J 硅 酸盐学报 ， 2 0 0 6 ( 6 ) ： 7 2 9 7 3 4 【 4 何世钦， 贡金鑫， 赵国藩 冻融循环下混凝土中氯离子的扩散性 J 】 水利水运工程学报 ， 2 0 0 4 ( 4 ) ： 3 2 3 3 【 5 张巨松， 张微， 邓嫔， 等 掺合料、 早强剂对冻融混凝土 c l 一 扩散系 数的影响【 J 】 _ 沈阳建筑大学学报 ： 自然科学版， 2 0 0 9 ， 2 5 ( 1 ) ： 1 4 3 作者简介 联系地址 冻融 次数 图 6 混凝土孔隙度随冻融次数的变化规律 联系电话 上接第 1 4页 强度与质量损失和动弹性模量相 比， 受冻融循环的影 响明 显 ， 在工程实际中应引起足够的重视。 参考文献 ： 1 张德思 ， 成秀珍 粉煤灰混凝土抗冻融耐久性的研究【 J 西北工 业大学学报， 2 0 0 0 ， 1 8 ( 2 ) ： 1 7 5 1 7 8 2 杜敏 大掺量粉煤灰混凝土力学性能的研究【 J J 湖南交通科技 ， 2 0 0 7 ， 3 3 ( 2 ) ： 9 4 9 7 【 3 】 游有鲲， 缪昌文， 慕儒 粉煤灰高性能混凝土抗冻性研究 J 混凝 土与水泥制品， 2 0 0 0 ( 5 ) ： 1 4 1 5 【 4 】陈渝， 周士琼， 龙广成， 等 大掺量粉煤灰高性能混凝土的试验 研究l J 1 长沙铁道学院学报， 1 9 9 9 ( 4 ) ： 1 4 1 8 【 5 5 许辉 ， 谢友均 ， 龙广成 ， 等 引气粉煤灰混凝土抗冻融耐久性的 研究I J 1 粉煤灰 ， 2 0 0 4 ， 1 6 ( 6 ) ： 3 - 5 【 6 】K UC HAR C Z YK OVA B， K E RS NE R Z， P OS P I CH AL O， e t a 1 I n f l u e n e e o f f r e e z e t h a w c y c l e s o n f r a c t u r e p a r a me t e r s v a l u e s o f l i g h t 】 8 李雁 ( 1 9 8 0 一 ) ， 男 ， 高级工程师 ， 博士研究 生 ， 主要从 事新型土木工程材料与结构方面的研究。 江苏省徐州市新城区富春路 1 号 徐 州工程学院土 木工程学院 ( 2 2 1 0 0 8 ) 1 5 0 0 5 2 01 6 5 6 w e i g h t c o n c r e t e J P r o c e d i a E n g i n e e r i n g ， 2 0 1 0 ( 2 ) ： 9 5 9 - 9 6 6 【 7 】程红强 ， 等 冻 融对 混凝土强度 的影响 河南科学 ， 2 0 0 3 ， 2 1 ( 2 ) ： 2 1 4 2 1 6 8 】F a t ma K a r a g o l ， Ra ma z a n d e mi r b o g a ， Me h me t A k i f Ka y g u s u z T h e i n f l u e n e e o f c a l c i u m n i t r a t e a s a n t i f r e e z e a d mi x t ur e o n t h e e o m p r e s s i v e s t r e n g t h c o n c r e t e e x p o s e d t o l o w t e mp e r a t u r e s J C o l d R e - g i o n S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， 2 0 1 3 ( 8 9 ) ： 3 0 - 3 5 9 】J A C O B S E N S ， M A R C H A N D J ， H O M A I N H S E M o b s e r v a t i o n s o f t h e m i c r o s t r u e t u r e o f fr o s t d e t e r i o r a t e d a n d s e l f - h e a l e d c o n c r e t e J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 5 ， 2 5 ( 8 ) ： 1 7 8 1 1 7 9 0 作者简介 ： 联 系地址 ： 联系电话 ： 覃丽坤( 1 9 6 5 一 ) ， 女， 教授， 博士， 主要从事混凝土结构 耐久性研究。 大连金石滩金石路 3 1 号 大连民族学院金石滩校区 土建学院办公室( 1 1 6 6 5 0 ) 1 3 9 41 1 4 4 7 52 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m