混凝土的抗冻性试验

文献[2]采用快速冻融方法，对普通混凝土、引 气混凝土和高强混凝土的力学性能和微观结构进 行了分析，得出如下结论:(1)随冻融循环次数的 增加，三种混凝土的强度特性均呈下降趋势，其
中抗拉强度和抗折强度下降幅度最大，而抗压强
度下降趋势较缓，如以目前抗冻标准中动弹模下 降40%作为一个临界值，普通混凝土的抗拉强度 只剩51.6%，抗折强度剩30.9%，抗压强度还有 84.8%；(2)失重率这一指标对普通混凝土不一定 合适，而对引起混凝土抗冻性的安全评估有一定 意义；(3)混凝土冻融破坏过程中微观现象与宏观 测试结果是互为印证的，由于混凝土微裂缝的增
影响混凝土抗冻性的主要因素
含气量是影响混凝土抗冻性的主要因素。50年代 引气剂的应用，使混凝土抵抗冻融能力大大提高， 成为20世纪里混凝土技术取得进展的三个里程碑 之一。掺加引气剂主要是在混凝土拌和过程中引 进大量分布均匀的、微小且不连通的气泡，虽增 加了总孔隙率，但微细气泡隔断了渗水的毛细管 通道，对混凝土的抗渗有明显的改善;同时，这些 气泡在硬化后的混凝土中可以缓解冻融过程中产 生的冰胀压力和毛细孔水的渗透压力，从而提高 混凝土的抗冻融能力。研究结果表明:气泡间距因 数越小，混凝土的抗冻性越高。国内外规范相关 混凝土抗冻性方面，均提出了对混凝土含气量的 要求。
根据我国水工建筑物耐久性调查资料，在 32座大型混凝土坝工程、40余座中小型工 程中，22%的大坝和21%的中小型水工建 筑物存在冻融破坏问题，大坝混凝土的冻 融破坏主要集中在东北、华北、西北地区。 尤其在东北严寒地区，兴建的水工混凝土 建筑物，几乎100%的工程局部或大面积地 遭受不同程度的冻融破坏。除三北地区普 遍发现混凝土的冻融破坏现象外，地处较 为温和的华东地区的混凝土建筑物也发现 有冻融现象。
可见，冻融循环作用对混凝土强度的影响 比对相对动弹性模量或质量损失的影响要 大，在相对动弹性模重和质量损失满足要 求时，混凝土强度不一定满足要求。在实 际应用中，我们最关心的是混凝土的力学 性能，因强度损失直接关系到建筑物使用 性能及安全。因此，在混凝土抗冻指标设 计时还应参考强度指标，把抗冻等级与混 凝土强度联系起来，才能保证结构的安全。
引气剂的使用对混凝土强度的影响
对于引气剂的使用，我国“水工混凝土结 构设计规范”，“水工混凝土施工规 范”“港工混凝土和钢筋混凝土施工规 范”，“水运工程混凝土质量控制标准”， “铁路用混凝土及砌石工程施工规范”， “普通混凝土配合比设计规程”，均要求 有抗冻要求的混凝土，必须或应掺用引气 剂。
掺用引气剂使混凝土含气量增加，在提高
(10)用手轻敲表盘外侧，使指针稳定在初压点上；
(11)平稳地按下平衡阀约5秒后松开，用手轻敲 表盘外侧，再按下平衡阀，指针稳定下来所指的 就是混凝土的含气。
冻融试验过程
按照混凝土快速冻融试验方法的要求，冻融试验具体过 程如下； (1)冻融试验前四天将试件从养护室取出，进行外观检 查，然后放在温度为15℃-20℃的水中浸泡(包括对比试件 和测温试件)，浸泡时水面高出试件顶面20mm； (2)试件浸泡四天后取出，用湿布擦除表面水分，称重； (3)将试件放入试件盒内注水，且在整个试验过程中，水 位保持高出试件顶面20mm左右； (4)将试件盒放入冻融箱后(其中装有测温试件的试件盒放 在冻融箱的中心位置)； (5)按标准要求调整冻融试验设备的操作系统，主要包括: 设定冻融循环时间为2.5~3.0h(其中用于融化的时间不得 小于整个冻融循环时间的1 /4);控制冻结和融化终了时， 试件中心温度分别控制在-17±2℃和8±2℃每块试件从 15℃升至6℃所用时间不低于整个融化时间的1 /2，试件 内外温差不超过28℃；冻融转换时间不超过10min；
因此，混凝土的冻融破坏是我国建筑物老 化病害的主要问题之一，严重影响了建筑 物的长期使用与安全运行，为使这些工程 继续发挥作用和效益，各部门每年都耗费 巨额的维修费用，而这些维修费用为建设 费用的1～3倍。因此，混凝土抗冻耐久性 研究在我国乃至世界均具有重大的社会意 义和经济意义。
欧美及前苏联等国家早在上世纪40年代就 已重视混凝土的抗冻性，提出了混凝土的 引气技术。到20世纪50年代，国外对冻融 环境下的混凝土配置己普遍要求加入引气
即我们在设计的时候，如果少用一
块钱用于钢筋的防护，那么就意味着 当发现钢筋锈蚀，采取的最佳措施要5 块钱的修复，如果发现钢筋出现了顺 筋裂缝时，要花25块钱，如果是严重 的破坏，维修费要超过125块钱。
混凝土的抗冻性能是其耐久性 的一项重要指标，同时也是一 项综合性能指标，高抗冻性能 意味着混凝土的高耐久性。水 工混凝土的设计指标中经常用 抗冻性指标代替其耐久性指标。
满试件。
试验结论
通过对不同冻融循环次数下的普通混凝土和引气混凝土的 宏观形态及微观形态分析，得出以下结论：
(1)普通混凝土和引气混凝土在冻融循环后，表面破坏形态 基本相似:都随冻融次数的增加表面剥离情况加重；
长和发展，导致了混凝土宏观强度的下降和密实 度的降低。
二、实验 1 含气量测定试验 2 冻融试验 3 单向抗压状态的强度试验
试验目的
对普通混凝土和引气混凝土经不同冻融循环 程度后的试件，分析其冻融后的形态，并 对引气混凝土试件进行单向抗压状态的强 度试验，并将试验结果同常态混凝土在常 温下的试验数据进行比较分析
0.89
C30
42.5 0.40
5. 5-6. 5%
412.67 586.83 1186.00
164.30
1.03
C40
42.5 0.36
5. 5-6. 5%
412.60 568.20 1148.00
166.00
1.07
C50
42.5 0.32
5. 5-6. 5%
526.00 520.00 1154.00
(6)开始冻融循环；
(7)试件每隔50次冻融循环检查一次外部损伤及重 量损失，检查测温试件的破损情况以便及时更换测 温试件，调换试件盒在冻融箱内的摆放位置，对于 同一试件盒内的四个100mm X100mm X 100mm， 也需调换其在试件盒内的摆放次序
(8)为保证试件在冻融液中冻结的温度稳定均衡， 当有部分试件退出冻融循环后，须另用试件补充空 位，保证冻融循环中冻融箱内28个试件盒内一直摆
各国冻融试验方法提供的评估混凝土抗冻性的 指标通常会给人一种印象，即只要满足了抗冻等 级或评估的指标，混凝土的强度就不会降低很多。 如我国“普通混凝土长期性能和耐久性能试验方 法”快冻法规定:动弹性模量损失不超过60%，质 量损失不超过5%时，就认为满足抗冻等级的要求， 而在强度设计中仍用原强度指标，并没有考虑折 减。实际上混凝土在冻融后强度有很大的降低， 如文献[1]试验表明，抗压强度为21.9MPa的加气 混凝土经300次冻融循环后，相对动弹性模量为 61%，质量损失为3.07%，而抗压强度仅为原强 度的49.5%，降低了50%多。文献[2]的试验表明： 抗压强度为34.2MPa的未引气混凝土，经100次冻 融循环后，相对动弹性模量为62%，质量损失为 1.2%，而抗压强度仅为原强度的44%，降低50% 多。
试件参数
表2.1 试件设计列表
试件规格 单位 （mm）
试件数量
试件用途
100×100×100
515
试验用的主系列试件
150×150×150
41
测定混凝土立方体强度
150×150×300
37
测定棱柱体抗压强度和弹性模 量
100×100×400
649
常态 冻融循环试验及温度控制
表2.2 混凝土试验用配合比表（每m3用量）
混凝土抗冻性的同时，也会引起混凝土抗 压强度的下降。经试验表明:当掺引气剂混 凝土水灰比小于0.5时，含气量增加1%，强 度约损失5%;水灰比大于0.5时，含气量每 增加1%，强度降低7%。因此引气剂在使 用时，要注意掺量问题。
不同的品种及不同厂家生产的水泥，在引
气剂的掺量相同情况下，含气量不同:水泥 用量增加含气量将减少，水泥细度增大， 含气量亦将减少;砂粒径在0.3～0.6mm之间 时，含气量较大，大于0.6mm或小于 0.3mm时含气量减少，砂率减少，石子粒 径增大，含气量降低;水的硬度增加，温度 升高，含气量减少；。
剂，从而较好地解决了混凝土结构的一般
冻蚀问题。我国在解放后也有专家提出寒 冷地区的混凝土必须引气(当时在天津修建 的一个引气混凝土试验性工程至今完好无 损)，但以后除水工结构设计规范外，国内 如路桥和建筑物设计规范均未列入必须引
气的要求，以致大量的露天淋雨或与水接
触的混凝土工程普遍遭受破坏，这种情况 直到最近仍然未能改变。
设计 强度
水泥 标号
水灰 比
含气量
水泥 （kg)
砂 （kg)
石子 （kg)
水（kg)
引气剂 （kg)
C20
32.5 0.40
5. 5-6. 5%
339.00 642.00 1185.20
133.80
0.85
5
32.5 0.40
5. 5-6. 5%
356.00 615.00 1188.00
141.00
PC-2型松香热聚物引气剂，夏天机摇泡沫 度平均为18%，冬期平均为20%，因此， 要获得同样的含气量，冬期掺量1/10000左 右，则夏天需要15/10000；在水泥用量相 同的情况下，坍落度增大，含气量亦增大
等。因此，引气剂的使用也需注意材料及 施工方面的影响因素。
一些文献的实验研究结论
文献[1]采用慢速冻融方法对高强混凝土 和普通混凝土在冻融循环后的力学性能进 行了研究，包括抗压、劈裂抗拉及抗剪强 度、弹性模量、泊松比和剪切模量等。其 结论为:高强混凝土的试件经过90次(慢冻) 冻融循环后，其力学性能的损减，除了剪 切模量外，均在10%以内;普通混凝土经过 90次(慢冻)冻融循环后的试件，所有力学性 能的损减均在10%以上，剪切模量超过 20%。
一前言
1.1 混凝土抗冻耐久性研究的现状和意义 随着可持续发展观念与科学发展观的日渐加深，土木工程 的耐久性也愈益受到人们的重视。这是因为建造土木工程 所耗费的材料数量极其巨大，生产这些材料不但破坏生态、 污染环境，而且有的资源己近枯竭。耐久性不足也会带来 的庞大的修理费用，例如英国英格兰岛中部环形快车道上 11座混凝土高架桥，当初建造费2800万英镑，到1989 年因为维修而耗资4500万英镑，是造价的1.6倍，估计以 后15年还要耗资1.2亿英镑，累计接近当初造价的6倍， 这反映了结构耐久性造成的损失大大超过了人们的估计。 对此，美国学者曾用“五倍定律”，形象地描述了混凝土 结构耐久性设计的重要性
(5)用湿布擦净量钵边缘及沿口； (6)盖好上盖，对称拧紧；
(7)关闭微调阀，打开排气(水)阀；
(8)用注水器从注水口注水，至水从排气(水)口平 稳流出，关闭注水阀后再闭排气阀；
(9)用手泵打气加压，使指针指到初压点的位置， 打气超过初压点时用微调阀调节指针，(注表盘右 下方0点以下“约一1”的位置)；
1.2 国内外研究概况
1.2.1 冻融循环后混凝土性能的试验研 究和理论分析
1.2.2 影响混凝土抗冻性的主要因素 1.2.3 引气剂的使用对混凝土强度的影
响
冻融循环后混凝土性能的试验研究和理论分析
目前，对混凝土抗冻性的研究，国内外都已经进 行了一些研究工作，取得了一些成果。但这些成 果都主要集中在混凝土的冻融机理、高强混凝土 与高性能混凝土的抗冻性能、以及使用各种外加 剂提高混凝土的抗冻性能，对引气后的普通混凝 土的力学性能的相关研究不多。同时，现有的关 于冻融循环后混凝土性能的试验资料，大多是以 质量损失与动弹性模量为标准，针对混凝土抗冻 安全设计等级而展开的。
168.30
1.30
直读式含气量测定仪
混凝土快速冻融设备
多功能混凝土三轴试验系统
含气量测定试验过程
按照混凝土拌合物含气量测定方法，引气混凝土含气量测 定的操作过程如下: (1)清理量钵，将量钵放置平稳； (2)将混凝土装入1/3容器高度后，用捣棒由边缘向中心均 匀插捣25次，捣棒应插透本层高度，再用橡皮锤沿量钵外 壁击打10-15次(注装料避免过满)； (3)依上述步骤，将容器的其余2/3高度分两次填充混凝土； (4)用刮尺平刮掉混凝土表面多余的拌和物直至光滑无气 泡；