混凝土抗盐冻性能试验.pdf

水利水电科技进展,2016,36(2)摇 Tel:[phone]摇 E鄄mail:jz hhu. edu. cn摇 http:/ / www. hehaiqikan. cn 第 36 卷第 2 期 Vol. 36 No. 2 水 利 水 电 科 技 进 展 Advances in Science and Technology of Water Resources 2016 年 3 月 Mar. 2016 基金项目:国家自然科学基金(51308112);江苏省交通厅科研项目(2010Y31) 作者简介:闫西乐(1989),女,硕士研究生,主要从事水泥基材料无损检测及缺陷表征研究。 E鄄mail:yanxifang163. com 通信作者:张萍(1980),女,工程师,博士,主要从事材料无损检测及缺陷表征研究。 E鄄mail: zhangpingseu163. com DOI:10. 3880/ j. issn. 10067647. 2016. 02. 008 混凝土抗盐冻性能试验 闫西乐1,2,张摇 萍1,2,秦鸿根1,2,庞超明1,2,孙摇 伟1,2 (1. 东南大学材料科学与工程学院,江苏 南京摇 211189; 2. 江苏省土木工程材料重点实验室,江苏 南京摇 211189) 摘要:为研究混凝土强度等级、矿物掺合料和含气量对其抗盐冻性能的影响,对混凝土进行了盐溶 液条件下的快速冻融试验。 通过硬化混凝土气泡参数测定验证了新拌混凝土含气量与硬化混凝土 含气量之间的相关性,对混凝土外观、相对动弹性模量、累积剥落量随冻融循环次数变化规律进行 了分析,研究了不同强度等级、矿物掺合料、含气量等因素对混凝土抗盐冻性能的影响趋势。 结果 表明:单纯提高强度等级并不一定利于混凝土抗盐冻性能的改善,对中低强度的混凝土而言,含气 量是影响其抗盐冻性能的决定性因素;粉煤灰与矿渣粉的掺量应控制在一定范围内。 关键词:混凝土;抗盐冻性能;盐溶液;剥落量;含气量;相对动弹性模量 中图分类号:TU502摇 摇 摇 文献标志码:A摇 摇 摇 文章编号:10067647(2016)02004204 Experimental study of frost鄄salt resistance of concrete/ / YAN Xile1,2, ZHANG Ping1,2, QIN Honggen1,2, PANG Chaoming1,2, SUN Wei1,2(1. School of Materials Science and Engineering, Southeast University, Nanjing 211189, China; 2. Jiangsu Key Laboratory of Civil Engineering Materials, Nanjing 211189, China) Abstract: In order to study the influence of concrete strength grade, volumes of fly ash and slag powder, and air鄄entraining content on the frost鄄salt resistance of concrete, an accelerated freeze鄄thaw test of concrete in salt solution was carried out. The correlation between the air鄄entraining contents of fresh concrete and hardened concrete was validated through measurement of bubble parameters of hardened concrete. The variation of surface characteristics, relative dynamic modulus of elasticity, and cumulative amount of spalling of concrete with the number of freeze鄄thaw cycles were investigated. The influence of concrete strength grade, volumes of fly ash and slag powder, and air鄄entraining content on the frost鄄salt resistance of concrete was examined. The results shows that a higher concrete strength does not always improve the frost鄄salt resistance, the air鄄entraining content is the decisive factor influencing the frost鄄salt resistance of medium鄄and low鄄strength grade concrete, and the volumes of fly ash and slag powder should be controlled within an appropriate range. Key words: concrete; frost鄄salt resistance; salt solution; amount of spalling; air鄄entraining content; relative dynamic modulus of elasticity 摇 摇 混凝土盐冻破坏多发生于寒冷地区的海洋环境 和除冰盐环境中,与一般冻融破坏相比,盐的存在使 混凝土的饱水度提高,结冰压和渗透压增大,同时其 结晶也会产生一定的膨胀作用,从而加剧混凝土的 冻融损伤1。 因此,盐冻对混凝土的破坏要比一般 冻融更加严重,如何使处于寒冷地区海洋环境和除 冰盐环境中的混凝土结构满足抗盐冻性要求已成为 近年来混凝土耐久性研究的重点。 Powers 等2鄄3先后提出了静水压假说和渗透压 假说,对混凝土冻融过程中孔隙水迁移方向进行了 研究,分析了孔隙水对孔壁的作用。 后来对冻融循 环机理的研究又出现了充水系数理论、临界水饱和 度理论、微冰晶模型等。 国内慕儒等4通过结冰 压、渗透压、最不利饱水度和微冰晶模型理论研究了 混凝土冻融循环条件下水分迁移和损伤机理;杨全 兵5探讨了不同浓度盐溶液冻融循环条件下混凝土 内部饱水度、溶液结冰膨胀率,证实了中低盐浓度会 引起混凝土内部产生最大结冰压。 以上这些假说和 理论均为混凝土冻融破坏机理的研究奠定了基础。 目前,混凝土抗盐冻性能的研究工作主要集中 在混凝土配制技术、抗冻机理、试验方法和模型建立 等方面。 其中配制技术主要包括矿物掺合料的掺入 和含气量的控制,研究结果6鄄8表明,粉煤灰代替部 分水泥,可以降低工程造价并改善混凝土性能,含气 24 水利水电科技进展,2016,36(2)摇 Tel:[phone]摇 E鄄mail:jz hhu. edu. cn摇 http:/ / www. hehaiqikan. cn 量是影响混凝土抗盐冻性能的主要因素,而引气技 术的使用是提高混凝土抗盐冻性能的主要措施。 由 于各研究者试验方法和研究重点不同,混凝土的抗 盐冻性能与含气量、强度等级及矿物掺合料的定量 关系仍在探索中;试验方法的研究主要集中于孔结 构测试及冻融试验评价方法等9鄄10。 参考已有研究成果,基于实际需求,本文依据 GBJ/ T 500822009普通混凝土长期性能和耐久性 能试验方法中的快冻法对不同配合比混凝土抗盐 冻性能进行研究,考察不同强度等级(C35、C50)、矿 物掺合料掺量、新拌混凝土含气量等因素对混凝土抗 盐冻性能的影响,通过混凝土外观、表面剥落量、相对 动弹性模量随盐冻循环次数变化规律的分析,综合评 价不同影响因素之间的相对关系,为实际工程中设计 具有高抗盐冻性能的混凝土结构提供参考。 1摇 原材料和试验方法 1. 1摇 试验原材料 水泥为 P域 42郾 5R;粉煤灰为 I 级低钙型;矿渣 粉为 S95 级磨细矿渣;骨料采用细度模数为 2郾 6 的河 砂和粒径5 25 mm 连续级配的石灰岩碎石;减水剂 为 PCA 型聚羧酸高性能减水剂,减水率为35%;引气 剂为 GYQ 型高效引气剂;水为普通自来水。 1. 2摇 试验配合比 考虑道桥工程中常用的混凝土,试验设计了 C35 与 C50 两种强度等级的混凝土,坍落度为(180 依 20)mm,所设计的 6 组试验配合比见表 1。 表 1摇 混凝土试验配合比 编号水胶比砂率/ % 水泥/ (kgm-3) 粉煤灰/ (kgm-3) 矿粉/ (kgm-3) 砂/ (kgm-3) 石/ (kgm-3) 减水剂/ (kgm-3) 引气剂/ 10-4 含气量/ % C35鄄0鄄40郾 423737067211452郾 960郾 254郾 0 C35鄄2鄄20郾 4238282375669911413郾 002郾 0 C35鄄2鄄40郾 3934291395864411453郾 110郾 194郾 5 C35鄄2鄄60郾 3936291395864411453郾 110郾 256郾 3 C50鄄0鄄20郾 323645764511483郾 642郾 0 C50鄄2鄄40郾 3834357487159111524郾 140郾 203郾 0 摇 摇 注:引气剂掺量(质量分数)以胶凝材料总量为基准计算。 表 2摇 混凝土力学性能 编号 抗压强度/ MPa 7 d28 d60 d 60 d 抗折强度/ MPa 60 d 劈拉强度/ MPa 动弹性模量/ GPa 3 d7 d14 d28 d60 d C35鄄0鄄441郾 2047郾 4753郾 025郾 914郾 6345郾 1347郾 5848郾 8148郾 3848郾 84 C35鄄2鄄245郾 9055郾 7657郾 406郾 695郾 2444郾 9848郾 6150郾 7050郾 3251郾 41 C35鄄2鄄440郾 5051郾 1854郾 396郾 294郾 3743郾 3648郾 1248郾 9650郾 6050郾 71 C35鄄2鄄637郾 3042郾 9248郾 705郾 604郾 2240郾 4942郾 2845郾 0745郾 4246郾 00 C50鄄0鄄258郾 5066郾 0967郾 127郾 635郾 0148郾 5352郾 0651郾 4953郾 5553郾 79 C50鄄2鄄451郾 4060郾 6765郾 856郾 664郾 7246郾 1347郾 4848郾 1850郾 2151郾 09 依据 GB/ T500802002普通混凝土拌合物性 能试验方法测试混凝土拌合物的性能,装模成型 后标准养护至规定龄期,依据 GB/ T 500812002 普通混凝土力学性能试验方法测试不同龄期混 凝土的抗压强度和 60 d 龄期的抗折强度。 1. 3摇 试验方法 冻融介质选用质量分数为 3郾 5% 的 NaCl 溶液。 试件质量变化采用感量 0郾 1 g 的电子天平测定,剥落 量采用感量0郾 01g 的电子天平测定,动弹性模量变化 采用 NM鄄4B 型非金属超声波检测分析仪测定。 新拌 混凝土含气量采用直读式 LC鄄615 型含气量测定仪测 定,硬化混凝土气泡特征参数采用 MIC鄄840鄄01 型硬 化混凝土气孔分析仪测定,包括硬化混凝土含气量、 平均气泡直径、气泡比表面积、气泡间距系数等参数。 2摇 结果与分析 2. 1摇 混凝土力学性能 按表 1 的配合比制备混凝土试件,测试了混凝 土不同龄期的抗压强度、动弹性模量、抗折强度以及 劈拉强度,结果见表 2。 由表 2 可以看出,矿物掺合 料的掺加以及引气剂的使用都会降低混凝土抗压强 度;与此同时,混凝土折压比有所提高。 综合来讲, 在满足混凝土强度等级的前提下,对于以抗弯拉为 主要受力指标的路面混凝土或者其他混凝土结构构 件,使用引气剂提高混凝土折压比将提高混凝土强 度利用率。 2. 2摇 硬化混凝土气泡结构分析 Powers111945 年首次提出了气泡间距系数这 一概念,并且根据静水压理论模型计算出临界气泡 间距系数约为 250 滋m。 当气泡间距系数小于这一 值时,混凝土具有较好的抗冻性。 Pigeon 等12认为 用气泡间距系数来衡量混凝土抗冻性的最大优点在 于可以通过少量次数的加速冻融循环作用或者直接 34 水利水电科技进展,2016,36(2)摇 Tel:[phone]摇 E鄄mail:jz hhu. edu. cn摇 http:/ / www. hehaiqikan. cn 测定硬化混凝土气泡间距系数,来快速评价混凝土 的抗冻性能,因而可以大大降低工程造价,并且评价 结果可靠性很高。 按表1 的配合比制备混凝土试件,标准养护60d, 分别测试6 组硬化混凝土气泡特征参数,结果见表3。 由于新拌混凝土在振捣、静置、养护过程中存在含气 量经时损失,并且密闭微小的气孔相互连通成为大气 孔,造成硬化混凝土气泡结构变差,因此硬化混凝土 含气量往往低于新拌混凝土含气量。 新拌混凝土含 气量在控制混凝土配合比设计中是一重要指标,而混 凝土抗冻性能的优劣取决于硬化混凝土气泡间距系 数、平均气泡直径以及气泡比表面积等参数。 表 3摇 硬化混凝土气泡特征参数 编号 含气量/ % 新拌混凝土 硬化混凝土 平均气 泡直径/ 滋m 气泡比 表面积/ (滋m2滋m- 3) 气泡间距 系数/ 滋m C35鄄0鄄44郾 03郾 9119郾 90郾 025195郾 6 C35鄄2鄄22郾 01郾 5245郾 40郾 016267郾 1 C35鄄2鄄44郾 53郾 7173郾 30郾 020243郾 6 C35鄄2鄄66郾 35郾 8153郾 60郾 032231郾 3 C50鄄0鄄22郾 01郾 4260郾 60郾 015273郾 6 C50鄄2鄄43郾 02郾 5230郾 30郾 017256郾 1 硬化混凝土含气量与新拌混凝土含气量有较好 的相关性。 对比 C35鄄0鄄4 与 C35鄄2鄄4 两组混凝土气 泡特征参数,其硬化混凝土含气量相差 0郾 2%,但其 气泡间距系数相差 48郾 0 滋m;矿物掺合料的掺加或水 胶比的降低使得硬化混凝土含气量降低,平均气泡直 径增大,气泡比表面积减小,气泡间距系数变大。 从 C35鄄2鄄2、C35鄄2鄄4 和 C35鄄2鄄6 这 3 组硬化混凝土气泡 特征参数可以看出:含气量增大,气泡间距系数依次 减小,并且减小趋势随含气量增大而变得平缓。 2. 3摇 混凝土抗盐冻性能 2. 3. 1摇 矿物掺合料与气泡参数对混凝土抗盐冻性 能的影响 摇 摇 将按表 1 配合比制备的抗冻性试件标准养护 60 d,置于盐溶液中进行快速冻融试验。 保持新拌 混凝土含气量为 4%,强度等级为 C35 不变,双掺粉 煤灰和矿渣粉组(C35鄄2鄄4)与基准组(C35鄄0鄄4)相对 比,其累积剥落量和相对动弹性模量随冻融循环次 数的变化规律如图 1 和图 2 所示。 可以看出,在盐 溶液中冻融循环 150 次后,两组混凝土的相对动弹 性模量依然保持 90%以上,但双掺粉煤灰与矿渣粉 使得混凝土抗冻性能有所降低。 其原因是掺合料的 添加导致所引入的气泡稳定性变差,降低了混凝土 的引入气泡质量。 C35鄄0鄄4 组在盐冻过程中累积剥 落量均小于 C35鄄2鄄4 组,而其动弹性模量保持率均 大于 C35鄄2鄄4 组。 这是由于 C35鄄0鄄4 组硬化混凝土 中气泡更加微小,排列更加紧密,更有利于抵抗盐冻 破坏作用。 图 1摇 掺合料添加与否累积剥落量随 冻融循环次数变化规律 图 2摇 掺合料添加与否相对动弹性模量随 冻融循环次数变化规律 2. 3. 2摇 强度与气泡参数对混凝土抗盐冻性能的影响 保持新拌混凝土含气量 3% 4% 及掺合料类 型不变,对不同强度等级的混凝土进行盐溶液环境 下的快速冻融试验,其累积剥落量和相对动弹性模 量变化规律如图 3 和图 4 所示。 图 3摇 不同强度试件累积剥落量随 冻融循环次数变化规律 图 4摇 不同强度试件相对动弹性模量随 冻融循环次数变化规律 由表3 可知,C35鄄2鄄4 组气泡间距系数比 C50鄄2鄄4 组气泡间距系数小 12郾 5 滋m。 气泡间距系数越小, 44 水利水电科技进展,2016,36(2)摇 Tel:[phone]摇 E鄄mail:jz hhu. edu. cn摇 http:/ / www. hehaiqikan. cn 密闭气孔更能缓冲冻融过程中的破坏应力,从而改 善混凝土抗冻融性能。 由表 3 可见,C50鄄2鄄4 组所含 的气泡质量较 C35鄄2鄄4 组要差,含气量减小 1郾 2%, 从而在冻融循环过程中,75 次循环时 C50鄄2鄄4 组出 现裂缝,动弹性模量急剧下降到 60% 以下,裂缝的 出现加速了冻融损伤速度,使得腐蚀介质更容易进 入试件内部,加速内部裂缝产生;在 150 次冻融循环 时,C50鄄2鄄4 组试件出现大面积缺角、剥落、石子裸露 等现象,超声波采集困难。 而 C35鄄2鄄4 组试件外观基 本没有过多破损,动弹性模量保持率仍在90%以上。 2. 3. 3摇 含气量对混凝土抗盐冻性能的影响 为了研究含气量对混凝土抗盐冻性能的影响, 按表1 配制了3 组强度等级和掺合料相同、含气量不 同的混凝土。 随着引气量的增加,C35鄄2鄄2、C35鄄2鄄4 和 C35鄄2鄄6 组混凝土气泡间距系数依次减小,由大 于250郾 0滋m 减小到231郾 6滋m(表3)。 可见,含气量 在合适的范围内,随着引气量的增加,硬化混凝土中 的微小密闭的气泡增多,将大大改善混凝土抗盐冻 性能。 经过 150 次冻融循环后,其累积剥落量和相 对动弹性模量变化分别如图 5 和图 6 所示。 图 5摇 不同含气量试件累积剥落量随冻融循环次数变化规律 图 6摇 不同含气量试件相对动弹性模量随 冻融循环次数变化规律 由图 5 和图 6 可见,含气量为 2郾 0% 的混凝土 经 50 次冻融循环后,累积剥落量已大于 0郾 5 kg/ m2, 试件表面开始出现裂缝,75 次冻融循环后,试件表 面出现大量的石子裸露现象,裂缝增多,超声波采集 变得困难,其相对动弹性模量保持率仅有 32%;含 气量为 4郾 5%和 6郾 3%的混凝土,经 150 次冻融循环 后,累积剥落量仍然小于 0郾 5 kg/ m2,外观基本保持 完整,相对动弹性模量保持率分别为 91% 和 99%。 盐冻过程中,试件损坏程度 C35鄄2鄄2 组最大、C35鄄2鄄4 组居中、C35鄄2鄄6 组最小。 由此可见,对于中低强度的 混凝土,引气技术是提高其抗盐冻性能的有效手段。 3摇 结摇 论 a. 单纯提高强度等级并不一定利于混凝土抗 盐冻性能改善,含气量是影响混凝土抗盐冻性能的 决定性因素,随着含气量的增大,混凝土的抗盐冻性 能提高。 b. 粉煤灰和矿渣粉的掺入会使得混凝土含气 量降低和气泡间距系数增大,从而导致混凝土的抗 盐冻性能有所降低。 c. 验证了气泡间距系数与混凝土抗盐冻破坏 能力有较好的相关性;仅仅使用新拌混凝土的含气 量并不足以完全反映混凝土硬化后的气泡结构和特 征,进行抗冻混凝土配合比设计时可采用含气量和 气泡间距系数双参数来保证其抗盐冻性能。 参考文献: 1 段桂珍,方从启. 混凝土冻融破坏研究进展与新思考 J. 混凝土,2013(5):16鄄20. 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