谈混凝土耐久性能--抗冻性.pdf

水利建设与管理 2 0 1 1 年第4期 3 l 谈混凝 主耐麓性 能一摭 冻性 王 国 臣 ( 中国水利水 电第十三工程局有限公司 中心试验室 德州 2 5 3 0 0 0 ) 【 摘要】 本文介绍了水工混凝土耐久性的概念及其主要指标抗冻性， 对混凝土冻融作用破坏机理进行了简要 分析， 并对混凝土冻 融试验方 法作 了详细介绍 ， 以南水北调 中线 一期天津 干线西黑 山进 口闸至有压箱涵段混凝土抗 冻试验 结果 为例进行说 明， 强调提高混凝土抗冻性应采取 的措施。 【 关键词】 混凝土耐久性冻融机理冻融试验方法试验结果 1 混凝 土耐久性 的概 念 混凝土耐久性是指结构在规定的使用年限内 ， 在各 种环境条件作用下 ，不需要额外的费用进行加固处理而 保持其安全性 、 正常使用和可接受的外观能力 。 影 响结构耐久性的因素很多 ， 混凝土质量及其保护层 是内在因素； 环境与载荷作用则是外在因素 。目前 ， 水工 建筑物混凝土的耐久性主要通过抗冻性 和抗渗性指标来 表示 ， 本文对混凝土的抗冻性进行阐述 。 2 混凝 土冻 融作用破 坏机 理 混凝土的抗冻性是指混凝土受到物理作用 ( 干湿变 化、 温度变化 、 冻融变化等 ) 后 ， 能保持强度和外观完整性 的能力。它是反映混凝土耐久性的重要指标之一。 混凝土冻融作用破坏机理是 ：混凝 土在其冻融的过 程 中， 遭受的破坏应力主要由两部分组成 。 其一是当混凝 土中的毛细孔水在某负温下发生物态变化 ，由水转变成 冰 ， 体积膨胀形成膨胀压力 ， 从而在孔周围的微观结构 中 产生拉应力 ； 其二是 当毛细孔水结成冰时， 由凝胶孑 L 中过 冷水在混凝土微观结构 中迁移和重分布引起 的渗管压 。 当混凝土受冻时，这两种压力会损伤混凝土内部微观结 构 ， 当经过反复多次的冻融循环以后 ， 损伤逐步积累不断 扩大 ，发展成互相连通 的裂缝 ，使混凝土的强度逐步降 低 ， 最后甚至完全丧失。 3 混凝 土冻融试 验方 法 混凝土冻融试验方法分慢冻法和快冻法两种 。 3 1 慢冻法 3 1 1 试件制作 抗冻性能试验采用立方体试件。试件尺寸根据混凝 土中骨料 的最大粒经制作。试件尺寸为 1 0 0 m m x 1 0 0 m m x l O O mm、 1 5 0 mmxl 5 0 mmxl 5 0 ml I I 、 2 0 0 mmx 2 0 0 mm 2 0 0 mm， 对应骨料最大粒径为 3 0 m m、 4 0 m m、 6 0 ra m 。 冻融试验所需混凝土试件的组数见表 1 ， 每组混凝土 试件应为 3块。 表 1 慢冻法冻融试验所需混凝土试件组数 设 计 标 号 D 2 5 D5 O D1 0 0 D1 5 0 D 2 0 0 D 2 5 0 D 3 0 0 检查强度时 的冻融循环次数 2 5 5 0 5 0 - 1 0 0 1 0 HD 1 5 0 1 5 2 0 0 2 0 0 2 5 0 2 5 0 3 0 0 鉴定 2 8天强度所需试件组数 l l l I I 1 1 冻融试件组数 1 2 2 2 2 2 2 对 比试件组数 1 1 2 2 2 2 2 总计试件组数 3 4 5 5 5 5 5 3 1 2 仪器设备 a 冷冻箱 。 装上试件后 ， 能使箱 内温度保持在一 1 5 一 2 0 C 范围内。 b 融解水槽 。 装上试件后能使水温保持在 1 5 2 0 C 范 围内。 c 案秤。称量 l O k g ， 感量为 5 g 。 3 2 王 国臣 谈混凝土耐久性 能抗冻性 d 压力试验机。精度至少为 2 ， 其量程应能使试件 的预期破坏荷载值不小于全量程的 2 0 ，也不大于全量 程的 8 0 。 3 1 - 3 试验步骤 a 如无特殊要求 ，试件在 2 8天龄期时进行 冻融试 验。 试验前 4天应把冻融试件从养护地点取出， 进行外观 检查 ， 随后放在 1 5 2 0 水 中浸泡 ， 浸泡时水面至少应高 出试件顶面 2 0 mm，冻融试件浸泡 4天后进行冻融试验 。 对 比试件则应保 留在标准养护室 内，直到完成冻融循环 后 ， 与抗冻试件同时试压。 b 浸泡完毕后 ， 取 出试件 ， 用湿布擦除表面水分 、 编 号 、 称重， 放人冷冻箱开始冻结试验。 c 抗冻试验冻结时温度应保持在一 1 5 2 O 。试件在箱 内温度到达一 2 时放入 ， 装完试件如温度有较大升高 ， 则 以温度重新降至一 1 5 时起算冻结时间。 每次从装完试件 到重新降至一 l 5 所需的时间不应超过 2 h 。 冷冻箱 内温度 均以其 中心处温度为准。 d 每 次循环中试件的冻结时间应按其尺寸而定 ， 对 l O O mmx l O O mmx 1 0 0 m m、 1 5 0 mmx 1 5 0 ra mx 1 5 0 m m试 件 的 冻结时间不应小于 4 h ， 对 2 0 0 m m x 2 O O m m x 2 O O m m试件不 应小于 6小时。如果在冷冻箱内同时进行不同规格尺寸 试件的冻结试验 ， 其冻结时间应按最大尺寸试件计 。 e 冻结试验结束后 ，试件 即可取 出并应立即放人能 使水温保持在 1 5 2 0 C 的水槽 中进行融化。此时 ， 槽中水 面应至少高出试件表面 2 0 m m， 试件在水 中融化的时间不 应小于 4 h 。融化完毕即为该次冻融循环结束 ，取出试件 送人冷冻箱进行下一次循环试验。 f 经常对冻融试件进行外观检查。发现有严重破坏 时应进行称重 ， 如试件的平均失重率超过 5 ， 即可停止 其冻融循环试验。 g 混凝土试件达到表 1 规定 的冻融循环次数后 ， 即 应进行抗压强度试验。抗压试验前应称重并进行外观检 查 ， 详细记录试件表面破损 、 裂缝及边角缺损情况 。如果 试件表面破损严重 ， 则应用石膏找平后再进行试压。 3 1 4 试验结果整理 混凝土冻融试验后应按下式计算其强度损失率 ： = l 0 0 式 中 次冻融循环后的混凝土强度损失率 ， 以 3 个试件的平均值计算 ， ； 。_一对比试件的抗压强度平均值， M P a ； ， = ， 一经 次冻融循环后的 3个试件抗压强度 平均值 ， MP a ； 混凝土试件冻融后 的重量损失率可按下式计算 ： AO ) n - 1 0 0 【 ，0 式 中 - 一次冻融循环后 的重量损失率 ， 以 3 个试件 的平均值计算， ； G 一 冻融循环试验前的试件重量 ， k g ； G _一次冻融循环后的试件重量， ； 混凝土的抗冻标号 ，以同时满足强度损失率不超过 2 5 、 重量损失率不超过 5 时的最大循环次数来表示。 3 2 快冻法 3 2 1 试件制作 该试验采用 1 0 0 m mx 1 0 0 m m x 4 O O m m的棱柱体试件。 混凝土试件每组 3 块 ， 在试验过程中可连续使用 ， 除制作 冻融试件外 ， 尚应制备同样形状尺寸、 中心埋有热电偶的 测温试件，测温试件所用混凝土的抗冻性能应高于冻融 试件 。 3 2 2 仪器设备 a 快速冻融试验机 。 能使试件静置在水中不动， 依靠 热交换液体的温度变化而连续 、自动地按照要求进行冻 融的装置。满载运转时冻融箱 内各点温度 的极差不得超 过 2 。 b 试件盒 。 由 1 2 m m厚 的钢板或塑料 制成 。 其 净 截 面 尺 寸应 为 1 1 0 m m 1 1 0 m m，高度 应 比试 件 高 出 5 0 l O O m m。试 件底部 垫起后 盒 内水 面应 至少能高 出 试 件顶面 5 ra m。 c 案秤。称量 l O k g ， 感量 5 g ； 或称量 2 0 k g ， 感量 l O g 。 d 动弹性模量测定仪。 e 热电偶 、 电位差计。 在 2 0 2 范围内测定试件 中心 温度， 测量精度不低于-+ 0 5 C 。 3 2 3 试验步骤 a 如无特殊规定 ，试件在 2 8天龄期时开始冻融试 验。 冻融试验前 4天应把试件从养护地点取出， 进行外观 检查 ，然后在温度为 1 5 2 0 的水中浸泡 ( 包括测温试 件 ) 。 浸泡时水面至少应高出试件顶面 2 0 m m， 试件浸泡 4 天后进行冻融试验。 b 浸泡完毕后 ， 取 出试件 ， 用湿布擦除表面水分 ， 称 重， 并按规定测定其横 向基频的初始值 。 王 国臣 谈混凝 土耐 久性能 抗冻性 3 3 C 将 试件放人试件盒 内 ， 为了使试件受温均 衡 ， 并 消除试 件周围因水分结冰 引起 的附加压力 ，试 件 的侧 面 与底部 应垫放 适当宽度 与厚度 的橡胶板 ，在 整个试 验 过程 中 ，盒 内水位 高 度应 始终 保 持 高 出试件 顶 面 5 ram左右 。 d 把试件盒放入冻融箱 内。其 中装有测温试件 的试 件盒应放在冻融箱的中心位置 ， 此时即可开始冻融循环 。 e 冻融循环过程应符合下列要求 ： 每次冻融循环应在 2 4 h内完成 ， 其中用于融化的 时间不得小于整个冻融时间的 1 4； 在冻结和融化终了时，试件 中心温度应分别控制 在一 1 7 _+ 2 c C 和 8 + 2 o C； 每块试件从 6 C 降至一 1 5 C 所用的时问不得少于冻 结时间的 1 2 。 每块试件从一 1 5 C 升至 6 所用的时间也不 得少于整个融化时间 的 1 2 ，试件 内外 的温差不宜超过 2 8 c c； 冻和融之间的转换时间不宜超过 1 0 m i n 。 f 试件一般每隔 2 5 次循环做一次横向基频测量 ， 测 量前应将试件表面浮渣清洗干净 ， 擦去表面积水 ， 并检查 其外部损伤及重量损失。横向基频的测量方法及步骤应 按规定执行。 测完后 ， 应即把试件掉一个头重新装入试件 盒内。试件的测量 、 称量及外观检查应尽量迅速 ， 以免水 分损失 。 g 为保证试件在冷液 中冻结时温度稳定均衡 ， 当有 一 部分试件停冻取 出时 ， 应另用试件填充空位 。如冻融 循环 因故 中断 ， 试件应 保持在冻结状态 下 ， 并最好 能将 试件保存在原容器内用 冰块 围住 。如无 这一 可能 ， 则应 将试件在潮湿状态下用 防水材 料包 裹 ， 加 以密封 ， 并存 放在一 1 7 _+ 2 C 的冷冻室或 冰箱中 。 试件处在融解状态下的时间不宜超过两个循环。特 殊情况下， 超过两个循环周期的次数 ， 在整个试验过程 中 只允许 1 2次。 h 冻融到达以下三种情况之一即可停止试验 ： 已 达到 3 0 0 次循环； 相对动弹性模量下降到 6 0 以下； 重量损失率达 5 。 3 2 4 试验结果整理 混凝土试件每做完 2 5 次冻融循环试验 ， 都要测量一 次重量和相对动弹模量 ，当相对动 弹模量下降至初始值 的 6 0 或质量损失率达 5 时 ， 即认 为试件 已破坏 ， 并 以 相应 的冻融循环次数作为混凝土的抗冻等级 。如果试件 冻融至预定 的循环次数 ，而相对动弹模量或质量损失均 未达上述指标 ，可认为试验的混凝土的抗冻性 已满足实 际要求。根据冻融循环次数及相应的动弹性模量可计算 出混凝土耐久性系数 ， 供设计选材时参考 。 混凝土试件的相对动弹性模量可按下式计算： 2 尸= 1 0 0 式中P 一经 次冻融循环后试件的相对动弹性模量 ， 以 3 个试件的平均值计算 ， ； 次冻融循环后试件的横向基频， H Z s ； _一冻融循环试验前测得 的试件横 向基频初始 值 ， H Z s 。 混凝土试件冻融后的质量损失率应按下式计算 ： ，l = l O 0 b 0 式 中 _一次冻融循环后试件的重量损失率 ， 以 3 个试件的平均值计算， ； G _一冻融循环试验前的试件重量 ， k g ； G ， _ 一次冻融循环后 的试件重量， k g 。 4 南水北调 中线一期天津干线西黑山进 口闸至有 压箱涵段工程冻融试验结果 4 1 工程概况 南水北调西黑山进 口闸至有压箱涵段西起河北省保 定市徐水县西黑山村西总干渠 ， 桩号为 0 + 0 0 0 ； 东 至徐水 县丁家庄南， 桩号为 1 5 + 2 0 0 ： 全长 1 5 2 0 8 k m。 设计输水流 量 5 0 m 3 s ， 加大输水流量 6 0 m3 s 。 该 段建筑物 以输水 箱涵为主 ，其 中 ，无 压箱涵长 6 2 9 4 5 0 8 m，有 压 箱 涵 长 4 0 9 3 m。混凝 土 设 计 等级 为 C 3 0 F 1 5 0 W6 、 C 2 5 F 1 5 0 W6 ， 根据该工程 实际情况进行了混 凝土抗冻试验检测。 4 2 冻融试验结果 慢冻法检测周期长 ，因此采用快冻法进行混凝土抗 冻试验 ， 按 水工混凝 土试验 规程 ) ( D L T 5 1 5 1 -2 0 0 1 ) 进 行检测 ， 试验结果整理见表2 。 5 提高混凝土抗冻性的措施 a 采用加气混凝土， 防止混凝 土冻融破坏 。 混凝土的 组成 、 配合 比、 养护条件和密实度决定 了其在饱水状态下 抵抗冻融破坏的能力 ，目前加气混凝土可以有效提高混 凝土的抗冻性。 在混凝土中掺加优质引气型高效减水剂 ， 一 般引气量为 4 8 ， 既能获得大量均匀分布的微小气 王 国臣 谈混凝土耐久性能抗冻性 表 2 西黑山进口闸至有压箱涵段工程冻融试验结果 混凝土设计 标 准 要 求 冻 融 后 状 态 编 号 混 凝 土 部 位 强度 、 抗冻 、 冻 融 次 数 相对动弹模量 质量损失 相对动弹模量 质量损失 备 注 抗渗等级 ( ) ( ) ( ) ( ) l 西黑 山进 口引渠段 C 2 5 W6 F l 5 O 1 5 O 8 1 6 1 8 符合设计抗 2 9 + 6 0 7 9 + 6 2 2箱涵顶板 C 3 O W6 F 1 5 0 1 5 0 6 0 5 8 5 4 1 6 冻等级要求 3 9 + 8 5 8 9 + 8 7 8箱涵顶板 C 3 0 W6 F1 5 0 1 5 0 8 7 -3 1 4 泡 ， 提高抗冻性 ， 也能大幅度减小 I F C ， 从 而保证混凝土 强度不降低 ， 提高其抗冻性。 b 加强施工管理 ， 严格控制施工配合 比。 昆 凝土搅 拌必须均匀 ， 振捣必须 到位 ， 要严格遵守养护制度 ， 可以 用 表面养 护剂来改善养护条件 ， 提高保水性 ， 加 速表面 硬化。 c 避免或减轻碱集料反应。混凝土碱集料反应危害 很大 ， 一旦发生很难修复 。 当混凝土使用有碱活性反应的 骨料时， 必须从配合 比出发 ， 严格控制混凝土中的总碱含 量以保证混凝土的耐久性 。 6 结语 混凝土结构的耐久性是一个涉及环境 、 材料 、 设计 、 施工等 多种因素 的复杂问题 ， 要解决好这个 问题需要进 行多方面的工作。 钢筋混凝土结构耐久性应 由正确 的结 构设计 、 材料选 择以及严格 的施工质量来保证 ， 同时在 使用 阶段实行必要的管理和维护 。只有这样 ， 才能保证 和提高混凝土结构的耐久性 ， 保证我 国建筑事业的可持 续发展。A ( 上接第 8 6 页) 工结算资料之 日 起 3 0 天 ； 工程竣工结算报 告金额 2 0 0 0万元 5 0 0 0万元 ， 审查 时间从接到竣工结算 报告和完整的竣工结算资料之 日起 4 5天； 工程竣工结算 报告金额 5 0 0 0万元 以上 ， 审查时间从接到竣工结算报告 和完整的竣工结算资料之 日 起 6 0 天。 b 竣工结算时限。财政部 、 建设部 建设工程价款结 算 暂行办法 ( 财建 2 0 0 4 3 6 9号 ) 规定 ： 承包人如未在规 定时间内提供完整 的工程竣工结算资料 ， 经项 目法人( 发 包人 ) 催促后 1 4 天 内， 仍未提供或没有明确答复 ， 项 目法 人 ( 发包人) 有权根据已有资料进行审查。 根据确认的竣工结算报告 ， 承包人 向项 目法人 ( 发包 人 ) 申请支付工程竣工结算款。 项 目法人( 发包人 ) 应在收 到 申请后 1 5 天内支付结算款 ， 到期没有支付的应承担违 约责任 。承包人可以催告项 目法人( 发包人) 支付结算价 款 ， 如达成延期支付协议 ， 承包人应按 同期银行贷款利率 支付拖欠工程价款的利息。 工程竣工结算 以合 同工期为准 ，实际施工工期 比合 同工期提前或延后 ， 发 、 承包双方应按合同约定 的奖惩办 法执行 。 6 3 4 工程竣工价款结算方式 项 目 法人( 发包人 ) 收到承包人递交的竣工结算报告 及完整 的结算资料后， 应按上述规定的期限( 合同约定有 期 限的 ， 从其约定 ) 进行核实 ， 给予确认 或者提出修改意 见。 项 目 法人( 发包人 ) 根据确认 的竣工结算报告 ， 向承包 人支付工程竣工结算价款 ，保 留 5 左右的质量保证金 ， 待工程交付使用一年质保期到期后清算 ( 合同另有约定 的， 从其约定 ) 。 质保期内如有返修 ， 发生的费用应在质量 保证金内扣除。 7 结语 价款结算业务是项 目法人在水利建设项 目财务管理 中最为主要的会计业务 ，价款结算直接关系着水利建设 工程项 目的投资控制结果 ，财务管理人员应严格要求 自 己， 规范财务管理行为 ， 强化会计基础工作 ， 合理 、 规范地 做好财务管理工作。项 目 法人只有规范地做好水利工程 建设项 目 价款结算的每项工作 ，严格控制价款结算的每 道环节 ， 才能确保投资控制达到预期 目的 ， 才能保证水利 工程建设项 目达到设计 目标 ，才能使水利工程真正成为 造福于社会、 服务于人 民的公益性工程。A