冻融对混凝土强度的影响_程红强

收稿日期:2002-12-06

作者简介:程红强(1975-),男,湖北应城人,郑州大学环境与水利学院硕士研究生。

文章编号:1004-3918(2003)02-0214-03冻融对混凝土强度的影响

程红强, 张雷顺, 李平先

(郑州大学环境与水利学院,河南郑州 450002)

摘 要:通过试验分析了冻融循环对混凝土抗压、抗折、劈拉强度的影响,并从微观结构探讨了混凝土冻融破坏机

理。结果表明普通低标号混凝土抗冻性能较差,冻融循环对混凝土强度影响较大。

关键词:混凝土;强度;冻融;耐久性

中图分类号:T U 528.01 文献标识码:A

对混凝土耐久性,尤其是混凝土抗冻性的研究,国内外已进行了部分的试验研究工作。但研究主要集中在高强混凝土和高性能混凝土的抗冻性能上以及使用各种外加剂提高混凝土的抗冻性能。对一些普通混凝土的抗冻性能的研究,相关报道还很少见,尤其是一些已建工程,设计之初没有考虑混凝土抗冻要求,混凝土强度偏低,而这些建筑物在实际使用过程中,由于环境气候的影响,或多或少存在混凝土冻融破坏,混凝土强度在冻融循环反复作用下已发生变化。因此,研究普通混凝土特别是低标号混凝土在冻融作用下的性能有着非常重要的现实意义。混凝土抗冻性的标准,目前国内外大致可分为两种模式,一种是以美国为代表的基本统一制模式,一种是以原苏联为代表的等级制模式。这两种模式中,确定混凝土抗冻性的试验方法有快冻法和慢冻法。由于慢冻法费时费力,结果准确性差,因此水工、港工从设计规程到试验规程均采用了快冻法,慢冻法已被淘汰,国内各有关部门已正在积极推行快冻法。快冻法中以相对动弹模下降至60%或重量损失达5%的标准冻融循环次数来评价混凝土的抗冻性,即抗冻标号。显然相对动弹模下降或重量损失与混凝土强度变化有密切关系。本文主要通过试验分析二者之间的关系及冻融循环对混凝土抗压、抗折、劈拉强度的影响。

1 试验简介

1.1 试验方法

本试验采用快速冻融法,即混凝土中心的冻融温度为-17e ?2e ~8e ?2e ,一个冻融循环时间3小时左右。试件在冻融试验过程中处于全浸泡水状态(饱水状态)。试件共分6组,每组3个400@100@100的棱柱体、6个100@100@100的立方体。冻融循环次数分别为0,25,50,75,100,125次。试验结果采用混凝土相对动弹性模量和重量损失来衡量,并测量冻融混凝土的抗压、抗折、劈拉强度。试验过程严格按照5水工混凝土试验规程6操作进行。

1.2 试验的原材料

试验用水泥为郑州某水泥厂生产的525#普通硅酸盐水泥,粗骨料为人工碎石,最大粒径20mm,细骨料为天然河砂,细度模数3.1。混凝土设计标号C30,水灰比0.42。试件于2001年11月浇制,2002年10月进行冻融试验。

2 试验结果及分析

2.1 试验结果及破坏形态

由试验过程可以看出,冻融循环次数较少时,混凝土外观变化不明显,试件表面基本完好,重量损失很小甚至不损失,这些混凝土表现为破坏较轻。随着冻融的进一步深入,混凝土水泥浆表皮开始剥落,内部有微裂缝出现,个别试件部分已经断裂,混凝土破坏较严重。至循环到一定次数时,混凝土掉渣较多,表面呈麻面状,剥落相当严重,骨料几乎全部暴露,不能被水泥浆体包裹,多数混凝土开裂,一些混凝土表面呈纵向开裂,部分混凝土冻碎,水泥水化产物丧失凝结力,粗细骨料分离,这些混凝土属破坏严重类。试验结果见表1。

第21卷 第2期2003年4月

河 南 科 学H ENAN SCIENCE

Vol 121 No.2Apr.2003

表1 混凝土冻融试验结果T able 1 Result of concrete freeze-thaw testing

循环次数

0255075100125相对动弹模

088%83%74%64%53%重量损失率

0-1.8%0.33%0.94% 1.81% 3.74%抗压强度M Pa

38.8/100%35.2/91%33.8/87%32.9/85%24.7/64%15.1/39%抗折强度M Pa

8.40/100%7.24/86% 4.84/58% 4.11/49% 2.83/34% 1.66/20%劈拉强度M PA 2.96/100% 2.76/93% 2.58/87% 2.37/80% 1.99/72% 1.65/56%

2.2 试验分析

由试验结果可以看出,设计标号混凝土冻融循环至125次时,相对动弹模突然下降,低于60%,表明混凝土已冻坏。冻融循环25次结束时,混凝土重量没有损失,而是略有增加,初步分析可能是由于试件在正负温度交替变化中产生微裂缝,正是这些微裂缝的存在导致混凝土吸水率增加,从而使混凝土重量略有增加。随着冻融次数的增加,微裂缝进一步扩展,混凝土重量开始损失,重量损失率逐渐增加,但在相对动弹模下降至60%时,重量损失率不超过5%。冻融对混凝土重量损失的影响见图2。图2表明,在混凝土冻融初期,重量损失不甚明显,

在达到一定次数后重量损失增加较快。

图1 冻融对混凝土强度的影响

Fig.1 The influence of freeze -thaw to concrete strength 图2 冻融对混凝土重量损失的影响Fig.2 T he i n fluence of freeze -thaw to concrete w eight -loss

图1为冻融循环对混凝土强度的影响。图中可以看出,冻融循环对混凝土强度的影响较为明显,随着冻融次数的增加,混凝土强度特性均呈下降趋势。冻融循环100次以后尤为明显,强度近似直线下降。在三种强度中,抗折强度反应较为敏感,变化最快,下降幅度也最大。抗压强度与劈拉强度下降较抗折强度少,变化趋势也较为缓慢。因此,在以抗折为主的构件中,对混凝土的抗冻性应提出更高要求。混凝土强度变化较之相对动弹模的下降更为敏感,如以目前抗冻指标中相对动弹模下降至60%作为衡量标准,冻融循环75次时,相对动弹模下降至74%,大于60%,而抗折强度下降至49%,说明抗冻指标满足时,混凝土抗折强度偏低,不一定满足工程使用要求。在冻融125次循环结束时,相对动弹模下降至53%,表明已经冻坏,但此时混凝土强度早已不能满足要求。经线性内插,混凝土冻融循环达110次时,相对动弹模下降至60%,此时强度百分比抗折为28%,抗压为54%,劈拉为63%。同样失重率也是混凝土抗冻性的一个评价指标,但从试验结果可以看出,随着冻融次数的增加,重量损失虽有增加,但混凝土已明显破坏时,失重率仍不超过5%。因此,对普通混凝土,仅以相对动弹模下降至60%或以重量损失率达5%来作为冻融破坏的评价指标就不一定合适,有时还需要参考强度指标。

3 冻融破坏机理探讨

迄今为止,对混凝土冻融破坏机理国内外尚未得到统一的认识和结论。一般认为主要是因为在某一冻结温度下,存在结冰的水和过冷的水,结冰的水产生体积膨胀,过冷的水发生迁移,从而引起各种压力,当压力超过混凝土强度时,使混凝土内部孔隙及微裂缝逐渐增大、扩展,并互相连通,混凝土强度逐渐降低,混凝土表面开始剥落,直至破坏。有关研究表明,当水饱和的混凝土温度降低时,吸附于水泥浆中毛细管内的水结冰,形成一种膨胀压力源。水结成冰,体积增加10%,使混凝土发生膨胀。融化后的混凝土重新吸水饱和,温度再次降低时,水结冰将产生进一步的膨胀。可见,冻融反复循环具有累积的效果,当混凝土凝胶体、)

215)2003年4月 冻融对混凝土强度的影响