不同冻融循环后混凝土损伤特性的研究

（青岛理工大学土木工程学院，青岛266033）

摘要：混凝土的冻融破坏是当今混凝土耐久性问题的一个重要方面，在混凝土中掺加适量的引气剂能显著提高混凝土的抗冻性，从而增加混凝土的服役寿命。本文对混凝土不同冻融循环次数后的相对动弹性模量做了具体分析，并且对试件从外及里各部分进行了毛细吸水试验，结果表明：引气混凝土经过300次冻融循环后仍保持良好的抗冻性；未掺和掺加引气剂的混凝土试件经不同冻融循环后外部毛细吸收系数A值均大于其内部的毛细吸收系数，试件内外损伤程度不同。

关键词：相对动弹性模量，毛细吸收系数，孔隙率

中图分类号：TU528文献标识码：A

Study on Characteristics Damage of Concrete under Different Freeze-

Thaw Cycles

Z HANG Lian-shui,Z HANG Peng,Z HAO Tie-jun,BA Guang-z hong,WANG Fei

(Civil Engineering Institut e of Qing Dao Technological Univ ersity,Qing Dao266033)

Abstract:Freez e-thaw damage of concrete is an important aspect of the concrete durability.Mixing an appropriate amount of air-entraining agent can improve the frost resistance of concrete significantly and consequently increase the service life of concrete.In this paper,the relative dynamic elastic modulus after different freez e-thaw cycles was studied.And capillary suction test for all specimens from external to internal were carried out.Results show that concrete with addition of air-entraining agent had better frost resistance after 300freez e-thaw cycles.However the frost resistance of common concrete is bad.The external coefficient of capillary suction is larger than internal’s after different freez e-thaw cycles no matter the concrete was with addition of air-entraining agent or not.That means the damage degree is different between external surface layer and the internal parts.

Key words:relative dynamic elastic modulus,coefficient of capillary suction,porosity

1引言

某些工程过早的破坏，并不是因为在设计上有缺陷，而是由于建筑物的耐久性没有达到要求。其中，冻融破坏就是影响混凝土耐久性的一个主要原因，我国出现冻融破坏的结构主要集中在东北，华北和西北地区，尤其在东北地区的结构，几乎100%的存在局部或大面积的冻融破坏[1]。混凝土经过冻融循环，内部空隙逐渐增大，裂纹增多，混凝土越来越疏松，导致强度降低结构破坏[2]，这得到了大量试验的证实。但是实验室中对于混凝土内外冻融损伤特性的研究做的却很少，混凝土由于不同循环的冻融作用，其内外的损伤程度明显不同，因此也影响着混凝土的各项工作性能，比如说钢筋的锈蚀情况[3]，防水剂的使用[4]等。所以研究混凝土内外的冻融损伤特性显得尤为重要。

本文采用普通混凝土和加气混凝土进行试验，以便形成更好的对比。通过对两种类型的混凝土在不同冻融循环过程中宏观特性以及混凝土各部分毛细吸水试验的研究，来具体分析混凝土内外的损伤过程。

2试验流程

2.1混凝土原材料及其配合比

本试验所用水泥采用山水集团生产的42.5级普通硅酸盐水泥；砂为大沽河砂，中砂；碎石为花岗岩，

*国家自然科学基金重点项目（50739001）；教育部博士点基金（20070429001）

收稿日期：2009-10-10

25mm ；自来水；引气剂为浙江常山生产的三萜系SJ-3型粉末状引气剂，掺量为水泥质量的

0.17‰。未掺引气剂的混凝土含气量为2%，试件编号C ；掺引气剂后混凝土的含气量达到5.2%，试件编号CA 。表1为混凝土的详细配合比，试件28天抗压强度C 为32.4MPa ，CA 为28.9MPa 。

表1混凝土的配合比及引气剂掺量

试件尺寸为

100mm ×

100mm

×400mm 的棱柱体，成型24h 后拆模，移至环境温度为20±3℃，相对湿度≥95%的养护室养护23天，然后置于20±3℃水中浸泡4d 充分饱水，28天龄期时进行冻融试验。2.2冻融试验

冻融试验方法按照GB J 82-85《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法》进行。每次冻融循环控制在2.5-3h 内完成，每块试块从6℃降至-15℃所用时间不少于冻结时间的1／2，同时每块试块从-15℃升至6℃所用的时间不少于整个融化时间的1／2，试件中心温度应分别控制在-17℃±2℃和8℃±2℃之间。在0、25、50、75、100、150、200、250、300次冻融循环时，测定混凝土试件的相对动弹性模量[5]。

因为混凝土的抗冻性很大方面取决于混凝土孔隙的大小分布情况，因此，为了能够更好的了解加气混凝土从内到外的孔隙的分布情况，冻融后对试件做了如下处理：(1)试块两端切去100mm ×100mm ×100mm,消除端部冻融不均的影响；(2)然后分别等量切去试块的成型面及其底面使其剩余试块尺寸为200mm ×100mm ×50mm ，以便消除成型面与底面砂石分布不均的影响；（3）在宽100mm 方向上平均切成五块，以试块中心尺寸为零点，从两侧向中心依次标记为30-50mm 、10-30mm 和0mm ，尺寸约为200mm ×18mm ×50mm 如图1所示：

图1

试件制作示意图

2.3毛细吸水试验

随后，将切割好的试件放入烘箱中(50±1℃)烘4d 至恒重，然后移至试验室冷却到室温后封蜡，放入图2所示的平底容器中进行毛细吸水试验。在容器底部放置支撑试块的三角形塑料块，将试块外表面朝下，并慢慢向容器中注入水，直到液面高出混凝土底面4±1mm 。随后，分别在0、0.5、1、2、4、8、24小时内测定试件质量，从而测定不同试件的毛细吸水量。

图2毛细吸水试验示意图

类型

水泥/(kg /m 3)砂子/(kg /m 3)石子/(kg /m 3)水/(kg /m 3)引气剂/(g /m 3)水灰比

CA 3006991191180510.6C

300

699

1191

180

—

0.6

结果分析与讨论

3.1整体相对动弹性模量

未掺和掺加引气剂试件的相对动弹性模量变化如图3所示。由图3可知，C 在0—50次动融循环时相对动弹性模量下降速度很快，50次循环后相对平缓，但在经过20次循环后混凝土的相对动弹性模量已降到60%以下，混凝土内部破坏明显，但在表面上未出现大面积剥落；CA 表现出了良好的抗冻性，在0-25次循环时，相对动弹性模量有所下降，而25次循环后却出现了缓慢的上升，这可能是因为加气混凝土由于具有很好的抗冻性，冻融循环都其影响很小，又因为混凝土内部继续有少量水化，使得内部更密实，相对动弹性模量有所上升。经过300循环时，混凝土仍保持良好的抗冻性，表面只有少量的砂浆层剥落。

00.20.40.60.811.20

100

200

300

400

相对弹性模量E r d

CA C

3：循环次数与相对动弹性模量的关系

3.2混凝土损伤后内外部位的吸水性能

掺引气剂CA 试块经过0、10、100、200、300次循环后切割分别测其毛细吸水，所得ΔW 见图4所示，未掺引气剂试件的结果如图5所示。由公式(1)对其前2个小时数据进行线性拟合，得出试件毛细吸收系数A 值，如图6所示。

(混凝土毛细吸水量

,g /m 2)

CA0

吸水时

间,h

1/2

(混凝土毛细

吸水量,g /m 2)吸水时

间,h 1/2

吸水时间,h

1/2

(混凝土毛细吸水量,g /m 2)

(混凝土毛细吸水量,g /m 2)

吸水时

间,h 1/2

吸水时间,h

1/2

(混凝土毛细吸水量,g /m 2)

图4由毛细吸水试验得出加气混凝土各部分ΔW

值

(混凝土毛细吸水量,g /m 2)

吸水时间,h

1/2

吸水时

间,h 1/2

(混凝土毛细吸水量,g /m 2)

(混凝土毛细吸水量,g /m 2)

吸水时

间,h

1/2图5由毛细吸水试验得出普通混凝土各部分ΔW 值

之

间呈近似线性关系[6]，如式(1)所示：

(1)

ΔW = A 式中，ΔW ——单位面积混凝土的毛细吸水量[g/m 2]；

A ——混凝土的毛细吸收系数[kg/m 2h 1/2]；

t——吸水时间，单位：h ，分别取0、0.5、1、2、4、8、24。

混凝土的毛细吸收系数A 的大小，能反映混凝土的吸水性能，从而可以评价混凝土的耐久性[7]。

(毛细吸收系数,k g

/m 2h 1/2)

切割后试件距中心零点的相对位置 mm

800

100012001400160018002000(毛细吸收系数,k g /m 2h 1/2)

切割后试件距中心零点的相对位置 mm

图6不同冻融循环后混凝土从外到内部的A 值变化曲线（注：未引气的混凝土在100次循环时已经破坏，未画出。）

由图6可知，0次循环时无论是引气混凝土还是普通混凝土从外及内的A 值变化较小，曲线较为平缓，

CA 经过10、100、200、300次冻融循环后，混凝土试块30-50mm A 值大于10-30mm 及0mm ，这是由于引气混凝土经冻融循环后，混凝土表层浮浆遭到破坏，孔隙率增加从而导致吸水量增大，而混凝土内部由于引气剂的存在使得混凝土孔隙分布较为均匀，且抗冻性良好，因此10-30mm 及0mm 的A 值变化幅度较小；另外，CA 经过100、200、300次循环后混凝土各个部分A 值变化较小，说明混凝土在冻融过程中损伤变化很小，但经过100次以上冻融循环时也略有增加，这是因为由于冻融过程中强烈温度变化导致的物理损伤在混凝土内部造成微裂缝，使得混凝土的孔隙率增加，毛细吸水增大，但是增幅并不大，表现了引气剂良好的抗冻性能。C 由于水灰比较大，抗冻性很差，混凝土经过10、25次循环后A 值变化较大，说明10次循环后混凝土内部孔隙率急剧增加，导致混凝土吸水速率大幅加快。同样，混凝土经过10、25次冻融循环后，混凝土试块混凝土试块30-50mm A 值大于10-30mm 及0mm ，原理同CA 类似。由此可见，无论引气混凝土还是普通混凝土，经冻融循环后外部孔隙率明显大于其内部孔隙率。

4结论

(1)由于引气剂的掺入，CA 在一定地冻融循环过程中，相对动弹性模量呈现出缓慢增长的趋势，这是由于混凝土内部有少量的水泥不断水化，导致内部趋于密实，所以相对弹性模量有所上升。

(2)由毛细吸收系数A 可以看出，引气混凝土经冻融循环后混凝土其孔隙变化较小，但略有增加，即使有少量的微观裂缝产生，但对其抗冻性影响不大，而且无论引气混凝土还是普通混凝土，经冻融循环后外部孔隙率明显大于其内部孔隙率，因此混凝土在冻融环境下一定要注意表层的保护，防止外部孔隙率增大，导致有害离子的侵入引起钢筋的锈蚀。

参考文献：

[1]李金玉，曹建国，等.混凝土冻融破坏机理的研究[J].水利学报，1999，1(1)：41-49

[2]商怀帅,宋玉普,覃丽坤.普通混凝土冻融循环后性能的试验研究.混凝土与水泥制品，2005，(2)：9-11[3]赵铁军.混凝土渗透性.北京：科学出版社，2006：130-139

[5]罗骐先，Bungey H.用纵超声波换能器测量混凝土表面波速和动弹模量.水利水运科学研究，1996，69(3)：2-270

[6]S.A.Kelham.A water absorption test for concrete[J],Magaz ine of Concrete Research,1988,(40):106-110

[7]L.Atz eni,Massidda,and U.Sanna.Capillary absorption of water in hardened cement pastes treated with silicic esters or alkylalkoxysiloxane[J],Magaz ine of Concrete Research,1993,45(162):11-15