关于混凝土抗冻性试验方法的讨论_杨英姿

冻标号以同时满足 强度 损失 率不 超过 25%, 重 量损 失率 不 超过 5 %时的最 大循环 次数 来表示 。 冷冻 箱(室)装 有试 件 后能 使箱(室)内 温度保持 在 -15 ～ -20℃的范围以 内 。 融 解水槽装有试件后能使水温保持在 15～ 20°的范围 以内 。 每 次循环 中 试 件 的 冻 结 时 间 应 按 其 尺 寸 而 定 , 对 100mm × 100mm ×100mm 及 150mm×150mm ×150mm 试 件的冻结 时间 与融化时间 不应小于 4h, 对 200mm ×200mm ×200mm 试 件不 应小于 6h。
区 , 当混凝土表面有足够的自由水存在时 , 渗透压就会形成 ,
由此导致水泥石的破坏 。
到目前为止 , 混凝土 的受冻 破坏机 理还不 是完 全清楚 ,
它可以是由于静水压或者是渗透压 , 或者是冻融过程中 水分
迁移的不连 续性 , 混凝 土内部 的临界 饱和度 , 或者 微冰 晶透
镜的长大 , 或者上述一个或者几个作用机理的 结合 。
ASTM C 671 是受冻的混凝土临 界膨胀量 的标准 实验方 法(Standard Test Method for Critical Dilation of Concrete Specimens Subjected to Freezing)。 混凝 土在 慢速冻 融过 程中 , 通 过测定 混凝土达到临界膨胀 量所需要 的时间 来评价 混凝土 的抗冻 性 。 冻融 循 环 制 度 是 :试 件 完 全 浸 在 煤 油 里 , 以 2 .8 ± 0.5 ℃ h降温速度使 试件由 1 .7℃ 降到 -9 .4℃ , 随后 返回到 1.7 ℃的恒温水 浴 中直 至下 一 个循 环 。 每 两周 执 行一 次循 环 。 在冻结过程中 , 试件长度的变化一直被监测直至临界膨 胀量的出现 。 达到临界 膨胀量的 试验时 间被用 作评 价混凝 土抗冻性的指标 。
渗透压理论 :含有未冻水的孔与含冰和离子溶液的大孔 之间的渗透压(毛细孔与凝胶孔内溶液之间的浓度差会引起 凝胶孔向毛细孔中的扩散 , 从而形成了渗透压), 趋于平衡使 孔壁的压力增加 。 即使水中没有离子溶解时 , 水分子从小孔 到含冰孔扩散时也有类似渗透压作用 。
密封的干燥混凝土在冻融循环过程中是几乎不受 影响 , 这表明混凝土的受冻 破坏取决 于硬化 的水泥 浆体是 否含有
Key words:frost resistance ;concrete ;test method
0 前 言 含水分的多孔材料经过反复的冻融循环后会发生破坏 。 硬化后的水泥石 、砂浆和混凝土都属于这样的 多孔材料 。 在 寒冷地区 , 混凝土经历一个冬天就可以被毁坏 。一系列 实验 方法被用来评价混凝土 的长期 抗冻性 。 这 些方法 包括 使混 凝土经受不 同的冻融循 环 , 通 过测量 重量的 变化 、长度 的变 化 、强度和动弹 性模 量的 降低 来监 测混 凝土 内 部结 构的 损 伤 。实验中所用冻融 循环制 度不同 于自然 界中的 冻融 循环 制度 , 实验中样品的尺 寸 、大 小及位 置关系 也不同 于实 际结 构中的混凝土 。 实际上 , 混凝土 的抗冻 性与许 多因 素相关 , 如冻结速度 、水灰比 、湿养护的时间以及混凝土的饱水程度 , 而这些影响因素在实际服 役结构 中的混 凝土存 在着较 大的 差异 。 由抗冻性试验 方法中 获得的 混凝土 的预期 性能 并不 总是与实际 情况相符合 , 因此 , 希望 混凝土 抗冻性 试验 方法 更能贴近自然界中混凝土在冻融循环的真实情况 , 且不 需要 花费巨大的人力物力 , 其相关的检验指标真正能预示实 际工 程中的混凝土的抗冻融能力 。 1 混凝土的冻融破坏机理 关于混凝土受冻破坏机理各国学者进行了很多研究 , 并 提出众多 学说如 静水压理 论 、渗透压 理论 、Fagerlund 的 临界 饱水程度理论 、Cady 的双机制理论以及 Setzer 的微冰晶 透镜 模型理论 。 其中以美国的 T .C.Powers 提出的 静水压理论 、 Powers 和 Helmuth 的渗透压理论较受 重视 。
Leabharlann Baidu
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低 温 建 筑 技 术
2006 年第 5 期(总第 113 期)
的产生 。在 这种情况下 , 冻结形 成了半 透膜固 体(不是 冰晶
体)阻挡了未冻水的 回迁 , 冻融过 程中水 分迁移的 不连 续性
使内部应力不断增加 , 这 样静水 压理 论和冰 晶的 生长 继续
导致混凝土 内部结构破坏 的产生 。 Cady 双机制 理论认 为由 于冷却过程中吸附水体 积增加 而大大 加强了 Powers 提 出的 未冻水的静水压 , 吸附机制强化了静水压机制但吸附作 用要
2 混凝土抗冻性的试验方法 2.1 我国冻融循环试验标准
目前 , 我国抗冻性的 实验方 法主要依 据“ 普通 混凝 土长
期性能和耐久性能试验方法 GBJ82 —85” 的规定 分为慢 冻法 和快冻法 , 慢冻法 简称为“ 气冻水融” , 并以 N 次冻 融循环后 混凝土强度损失率和重量损失率作为评判标准 , 混凝土 的抗
循环次数 ;P 为经 N 次冻融循环后试件的相对动弹性模量 。
每次冻融循环应在 2～ 4h 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 -17 ±2℃和 8 ±2℃, 每块 试 件从 6℃降至 -15℃所用的时间不得 少于冻结时间 的 1 2, 每块试 件从 -15℃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 28 ℃, 冻和融之间的转换时 间不宜超过 10min。 2.2 美国材料 试验协会标准(ASTM)
静水压理论 :①冰首 先在混 凝土的 冻表面 上形 成 , 把试 件内部封闭起来 ;②由于结冰膨胀所造成的压力迫使水 分向
内进入饱和度较小的 区域 ;③混凝 土渗透 性较大 时 , 形成水 压梯度 , 对孔壁产生压力 ;④随着冷却速度的加快 , 水饱和度 的提高和气孔间隔的增大以及渗透性和气孔尺寸的减 小 , 水 压将会增高 ;⑤当水压超过了混凝土抗拉极限强度时孔壁就 会破裂 , 混凝土受到 损害 ;⑥如果 在气温 上升结 冰融 解之后 又发生冻结 , 这种反 复出现 的冻融 交替具 有累积 的作用 , 使 混凝土的裂缝扩张 , 表面剥落直至完全瓦解 。
快速法抗冻性能指标可 用经受 快速冻 融循环 次数 或耐
久性系数来 表示 。混 凝土耐 快速冻 融循环 次数应 以同 时满
足相对动弹性量值不小 于 60 %和 重量 损失率 不超 过 5%的 最大循环次数来表示 。 混凝土耐久性系数应按下式计算 :
K n =P ×N 300
(1)
式中 , Kn 为混凝土耐久性系数;N 为混凝土耐快速冻融的
水 , 含水量以及水 在冻 结过程 中是 否能产 生足 够的 应力破 坏水泥石的内部结构 。 这 就是 Fagerlund 的临 界饱水 程度理 论 , Fagerlund 在 1977 年指出混凝土临 界饱和度的值为 80%。 但是在他随后的研究中 , 他又分析证明了低渗透性高强混凝 土含有非常少量的可冻结水 , 就可足以导致引起基体裂纹的 非常大的拉应力 , 且气孔的存在可以释放该应力 。
盐的侵蚀 , 导致混凝 土表面粗 糙 、凹坑及 剥落 。 盐 类剥 蚀机
理通常解释为除冰盐的融 化导致 混凝土 表面的 温度快 速降
低 , 引起混凝土表面快 速冻结 及温度 应力 , 表面上 的自 由水
为混凝土表 层内的宏观 、微观 的冰晶 长大提 供了必 要条件 。
另一方面 , 除冰盐累积在混凝土的表层里形成比较高的 浓度
转化成水及湿胀过程几乎被停止 , 外部的水将以更快的 速度
进入混凝土内部 , 冻融循环过程好像产生一个亚微观结 构的
泵导致了饱和作用的发生 远远超 过等温 条件下 的毛细 饱和
作用 , 如果临界饱和程 度被达 到 , 混 凝土的 冻融破 坏作 用很
快就会发生 。
除了受冻融破坏以外 , 寒冷地区的混凝土还会受到 除冰
杨英姿等 :关于混凝土抗冻性试验方法的讨论
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关于混凝土抗冻性试验方法的讨论
杨英姿 , 赵亚丁 , 巴恒静
(哈尔滨工业大学土木工程学院 , 黑龙江 哈尔滨 150090)
【摘要】 简 要评 述 了混 凝土 冻 融破 坏机 理 及我 国 混凝 土抗 冻 性的 实验 方 法 、ASTM 标 准试 验 方法 和 欧洲 RILEM 推荐的试验方法 , 从单面试验与多面试验 、降温速度 、检验抗剥落能力等方面对比分析上述试验方法 。 分析 结果指出欧洲 RILEM 推荐的 CIF 试验方法可以 比较好地评价混凝土的抗冻性 。
比静水压作用持续时间长 。
Setzer 的微冰晶透镜 模型理 论指出 , 冻融 作用 主要 是一 个饱和作用 发生的过程 , 只有 混凝土 达到一 定的饱 和程度 ,
内部破坏才可能发生 。 冻结 过程中 的冷缩 和融化 过程 的湿
胀导致了饱和作用的发 生 。 冻结过 程中的 冷缩使 孔内 部的
水向微冰晶透镜发生了几乎不可逆转的迁移 , 融化过程 中冰
ASTM C666 (Standard Test Method for Resistance of Concrete to Rapid Freezing and Thawing)是混凝土快速冻融的试验方法 , 分为 A 和 B 两种方法 。 冻融循环的温度是在 4.4 ～ -17 .8℃ 范围内变化 , 降温速度为 12.2 ～ 14 .4 ℃ h 。 方法 A 是指冻和 融均在水中 , B 指冻在空气中而 融在水 中 ;试 验连续 进行直 到 300 次或 者动弹 性模量 达到初 始值的 60%, 耐久 性系数 按照公式(1)计算 。
Dun ,Hndec 认为孔 壁吸 附水 分子 和阳 离子 将 直接 导致 混凝土结构的破坏 。 Litvan 认为在冻结过程中未冻结的水分 子由于蒸汽压迁移到 可渗透 部位(外表 面 、大 孔), 在 融解过 程中 , 迁移出去的水 要重新 回到原 来的位 置却不 能发生 , 这 样静水压理论和冰晶 的生长继 续导致 混凝土 内部结 构破坏
【关键词】 抗冻性 ;混凝土 ;试验方法 【中图分类号】 TU528.0 【文献标识码】 A 【文章 编号】 1001-6864(2006)05-0001-04
DISCUSSION ON TEST METHODS OF FROST RESISTANCE OF CONCRETE
YANG Ying -zi , ZHAO Ya -ding , BA Heng -jing (School of Civil Engineering ,Harbin Institute of Technology ,Harbin 150090 , China)
Abstract :Mechanism of frost attack and test methods for frost resistance of concrete in China and ASTM standard test methods as well as RILEM recommended test methods were reviewed in this paper .Comparations and analysis were conducted in single -surface test or multiple -surface test , freezing rate , scaling resistance and air content for these test methods .The result shows that CIF test methods recommended by RILEM is comparatively good way to evaluate frost resistance of concrete .