凍融循環對混凝土質量損失及相對動彈模量影響的試驗研究

曹秀麗，曹志翔，喻 驍

(1.河海大學土木與交通學院，江蘇 南京 210098;2.南京工程學院建筑工程學院，江蘇南京 211167;3.西藏農牧學院，西藏林芝 860000)

我國東北、西北、華北以及西藏等地區存在嚴重的混凝土凍融破壞問題，惡劣的環境對混凝土的耐久性指標提出了很高要求。增強混凝土的抗凍性能指標是提高混凝土耐久性能的關鍵。目前國內外的研究主要集中在混凝土抗凍機理的試驗研究，而對于混凝土凍融后強度的試驗研究較少。本文通過10種混凝土強度等級、8種抗凍等級的標準試件，研究凍融循環次數與混凝土質量損失及相對動彈性模量的定量關系，進而為系統研究并建立凍融循環次數與抗壓強度的關系模型提供數據。

1 試驗設計與實施

1.1 試件制作

試驗方案中10種強度等級的混凝土試件尺寸有150mm ×150mm×150mm和150mm ×150mm×250mm兩種。試件采用鋼模成型，并用振動棒振搗密實，棱柱試件采用臥式成型，在室溫下靜置不少于3晝夜后拆模編號，拆模后的試件進行水中養護。水泥采用32.5和42.5兩種型號的普通硅酸鹽水泥，細骨料采用全級配中砂，粗骨料采用≤25mm的碎石，引氣劑采用松香皂類引氣劑。試配混凝土的塌落度為22～70mm，最大水灰比≤0.55。混凝土試件的配合比及抗壓強度見表1。

1.2 試驗設備

凍融試驗在TDR型混凝土自動快速凍融試驗機上進行，該設備包括控制柜、凍融箱及冷卻裝置三部分，最低溫度為 -21℃，最高溫度為22℃。凍融箱內注入防凍液并將試件放置于28個標準尺寸的橡膠長筒試件盒內進行試驗。凍融后混凝土單軸試驗采用的主要設備包括直讀式含氣量測定儀和計算機控制電液伺服壓力試驗機。

1.3 試驗方法

設定凍融循環時間為2.5h，并控制用于融化的時間不少于整個凍融循環時間的30%，而控制融化與凍結終了時的試件中心溫度分別為(9±1)℃和(-16±1)℃。每50次凍融循環測量1次動彈性模量及試件質量。為保證試件均勻經受凍融循環，需要將試件上下倒置且調換試件在凍融箱內的位置。共進行了350次凍融循環。

2 試驗結果及分析

2.1 混凝土宏觀形態及破壞機理

混凝土凍融試驗過程經歷了表面層狀破壞、表面骨料與砂漿分離、粗骨料處部分砂漿的脫落和細裂縫的產生與發展4個明顯的宏觀破壞過程，即:試件經過凍融循環后，表面發生層狀破損并開始出現疏松、剝落，且隨著凍融次數的增加，試件表面剝落的情況逐漸加重。經過約150次循環后，C25混凝土表面砂漿稍有剝離，而凍融次數達到300次時，混凝土表面粗骨料與砂漿產生明顯的分離且粗骨料處出現砂漿脫落現象，之后隨著凍融次數的增加，在混凝土表面的砂漿與粗骨料交接處出現可見的細微裂縫并不斷發展，不同強度混凝土的宏觀破壞形態和發展過程均類似。混凝土破壞形態見圖1。

表1 凍融試驗混凝土試件的配合比

圖1 混凝土試件凍融試驗的4個宏觀破壞發展過程

根據凍融破壞機理的試驗研究，由于凍融混凝土內存在過冷的水和結冰的水，在結冰的水體積膨脹的情況下，過冷的水發生遷移，在正負溫度交替作用下形成靜水壓力和滲透壓力聯合作用下的疲勞應力，當壓力超過混凝土所能承受的壓力時，混凝土內部孔隙率及微裂紋逐漸增大、擴展并相互連通，最終導致混凝土破壞。

2.2 平均質量損失

試驗中混凝土引氣劑的摻入量是影響不同強度等級混凝土試件凍融破壞的決定性因素，而在凍融混凝土單軸試驗過程中主要通過測量不同循環次數條件下相對動彈性模量和質量損失兩項關鍵參數來反映混凝土的凍融破壞過程及機理。凍融混凝土平均質量損失的試驗結果如表2所示。

表2 混凝土不同凍融循環次數后質量損失平均值×10-2kg

由表2可得出，在經歷300次凍融循環后，兩組C15混凝土試件的質量損失分別為4.07%和4.00%，兩組C20混凝土試件的質量損失分別為4.42%和4.52%，兩組 C25混凝土試件的質量損失分別為4.91%和3.90%，均滿足混凝土抗凍等級的質量損失不大于5%的要求。表明C15、C20及C25均可承受300次凍融循環。在經歷350次凍融循環后，兩組C30混凝土試件的質量損失分別為2.67%和4.56%，兩組C35混凝土試件的質量損失分別為2.87%和2.46%，兩組C40混凝土試件的質量損失分別為2.85%和2.55%，兩組 C45混凝土試件的質量損失分別為2.61%和2.52%，兩組C50混凝土試件的質量損失分別為3.40%和4.41%，兩組C55混凝土試件的質量損失分別為2.40%和2.01%，兩組C60混凝土試件的質量損失分別為2.90%和2.60%。

試驗結果表明，設計的不同強度等級混凝土均可滿足質量損失要求，可達到相應的抗凍等級。

2.3 相對動彈性模量損失

凍融混凝土相對動彈性模量平均值的試驗結果如表3所示。

表3 混凝土不同凍融循環次數后相對動彈性模量平均值與初始值之比

由表3可知，C15、C20及C25引氣混凝土試件均可承受300次凍融循環，在300次凍融循環后，兩組C15混凝土試件的平均相對動彈性模量分別下降至64.6%和63.9%，兩組C20混凝土試件的平均相對動彈性模量分別下降至65.2%和64.7%，兩組C25混凝土試件的平均相對動彈性模量分別下降至62.7%和62.9%，滿足抗凍等級混凝土的動彈性模量不低于60%的要求。而在凍融循環350次后，C30，C35，C40，C45，C50，C55以及C60混凝土試件尚具備抵抗更多次凍融循環的能力。

綜上可見，在含氣量基本不變的前提下，混凝土的強度等級越高，其抗凍融破壞能力越強。C60混凝土第二組試件再經歷350次凍融循環后其平均相對動彈性模量仍達83.8%，但C50第一組混凝土試件的相對動彈性模量下降較快，經歷350次凍融循環后下降至72.3%，其原因可能是混凝土試件制作過程中攪拌或振搗時間比較長以致含氣量下降。

3 結論

1)混凝土的抗凍融能力與混凝土的強度等級及引氣劑的含量密切相關。

2)C25及以下強度等級混凝土經歷300次凍融循環質量損失可滿足要求，C30及以上強度等級混凝土經歷350次甚至更多的凍融循環質量損失可滿足要求。

3)C25及以下強度等級混凝土經歷300次凍融循環相對動彈性模量損失可滿足要求，而C30及以上強度等級混凝土經歷350次凍融循環相對動彈性模量損失可滿足要求。

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