混凝土凍融循環(huán)試驗的研究

杜巍

摘要：我國北方冬季氣候寒冷，混凝土結(jié)構(gòu)長期暴露在自然環(huán)境中，使得混凝土遭受著較為嚴(yán)重的凍融循環(huán)破壞，凍融循環(huán)引起的耐久性損傷問題已經(jīng)不容忽視，試驗將研究凍融作用下混凝土性能的變化規(guī)律。

關(guān)鍵詞：混凝土；循環(huán)；試驗

試驗?zāi)康模禾接懺谙嗤浜媳炔煌瑑鋈谘h(huán)次數(shù)條件下混凝土性能的變化情況；探討在相同凍融循環(huán)次數(shù)不同配合比條件下混凝土性能的變化情況；

試驗材料：1.水泥：采用太行山牌42.5級普通硅酸鹽水泥。2.骨料：（1）粗骨料：試驗采用5～20mm連續(xù)級配石子，石子顆粒均勻，針狀、片狀顆粒分布少，級配良好，堆積密度和表觀密度分別為1500kg/m3和2740kg/m3；（2）細骨料：試驗采用干燥的河沙，細度模數(shù)為2.4，級配Ⅱ區(qū)，堆積密度和表觀密度分別為1550kg/m3和2590kg/m3；3外加劑：（1）減水劑：保定慕湖恒源新型建材公司生產(chǎn)的聚羧酸系高效減水劑，固含量為40%。

配合比設(shè)計：根據(jù)混凝土相關(guān)配制規(guī)范及經(jīng)驗結(jié)論確定水灰比、單位用水量、及膠凝材料用量。

一、混凝土的配合比設(shè)計

按照強度/水灰比/砂率/水泥（kg/m3）/砂子（kg/m3）/石子（kg/m3）/水（kg/m3）

組一：C30/0.54/38%/370/695/1134/200

組二：C40/0.42/36%452/633/112/190

組三：C50/0.35/34%/514/588/1140/180

根據(jù)配合比設(shè)計指標(biāo)，試驗測試試配混凝土的塌落度、和易性。根據(jù)3d、7d、28d強度等指標(biāo)優(yōu)化確定該工程實際應(yīng)該采用的（C30、C40、C50）混凝土試驗室配合比。

二、試塊制作明細及材料用量

1.試驗計劃

混凝土攪拌、成型依照GBJ107一87方法進行，試件24h后拆模，隨后將試件置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室養(yǎng)護至規(guī)定齡期進行相關(guān)性能試驗。論文通過試驗對混凝土的力學(xué)性能進行研究。

（1）混凝土抗壓強度

混凝土抗壓強度測定按GB/T50081-2002標(biāo)準(zhǔn)試驗規(guī)范進行試驗。采用100mm×100mm×100mm試塊，共3個配比，每組3個，分別測定3d，7d，28d各齡期強度值。

（2）凍融循環(huán)作用下混凝土抗壓強度的變化

試驗采用GB/T50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》。采用Φ100mm×200mm圓柱型試塊，共3個配比，每組9塊，然后將試塊切制成Φ100mm×50mm進行凍融試驗，測其達到循環(huán)次數(shù)為50、100、150后的抗壓強度。

2.具體試驗步驟

通過對三種不同的強度等級（C30、C40、C50）的混凝土試件，采用快凍法對Φ100mm×50mm圓柱型試塊進行凍融循環(huán)，在達到循環(huán)次數(shù)為50、100、150后測量其抗壓強度，分析該試塊抗壓強度及質(zhì)量的變化規(guī)律。

3.預(yù)期成果

探討混凝土在凍融作用下力學(xué)性能的變化。分析相同配合比不同凍融次數(shù)下混凝土性能的變化情況以及相同凍融循環(huán)次數(shù)不同配合比下混凝土質(zhì)量及強度的變化情況。

4.試驗設(shè)備

本凍融試驗采用的為NJW-HDK-9型微機全自動混凝土快速凍融試驗設(shè)備，該試驗設(shè)備是由控制系統(tǒng)、制冷機組、凍融箱三部分組成。抗壓試驗及劈裂抗拉試驗采用的是YAW-2000型微機控制電液伺服壓力試驗機。該試驗機集現(xiàn)代機、電、液為一體的高科技通用型自動壓力試驗機。YAW系列微機控制電液伺服壓力試驗機（YAW-300B除外），采用油缸下置式主機，帶有進口油泵電機組和電液伺服閥伺服油源，試金PC機控制器，全數(shù)字程控放大器插裝在PC機內(nèi)，具有控制模式智能專家系統(tǒng)，可實現(xiàn)各種模式的閉環(huán)控制，能夠按照要求進行數(shù)據(jù)處理和試驗結(jié)果的網(wǎng)絡(luò)操作。

三、混凝土的凍融循環(huán)試驗

快凍法：快凍法是以經(jīng)受的快速凍融循環(huán)次數(shù)來表示的混凝土抗凍性能。適用于相對動彈性模量、質(zhì)量損失和抗凍耐久性系數(shù)作為評定指標(biāo)的混凝土凍融試驗，特別適合抗凍性能較高的混凝土。

四、凍融試驗的操作過程

1.將100mm×100mm×100mm的混凝土立方體試件及Φ100mm×50混凝土圓柱型試件在試驗前四天前從養(yǎng)護室取出，然后放在水中充分浸泡，水溫為（20±2）℃，為了使試塊充分浸泡，水面至少要高出試塊表面20mm。

2.測定初始值：取出三塊未浸泡的立方體試塊測得其抗壓強度，三者取平均值，然后將浸泡在水中的試塊拿出來，擦去表面積水，用風(fēng)扇吹一段時間表面沒有明顯水分，然后將其依次稱重。

3.將試驗盒放入凍融箱內(nèi)的試件架中。中心試驗盒應(yīng)放在凍融的中心位置，并在試驗盒內(nèi)注水。

4.凍融循環(huán)過程還應(yīng)滿足以下要求：

（1）每次凍融循環(huán)應(yīng)在2～4h內(nèi)完成，其中用于融化的時間不得小于整個凍融過程的四分之一；

（2）在凍結(jié)盒融化終結(jié)時，試件中心溫度應(yīng)該分別控制在（-17±2）℃和（8±2）℃；

（3）每塊試塊從3℃降至1～6℃所用的時間不得少于凍結(jié)時間的二分之一，試件的內(nèi)外溫差不宜超過28℃；

（4）當(dāng)達到50次、100次、150次時將試塊從凍融機內(nèi)取出來，將試塊表面洗凈擦干，然后測其質(zhì)量，并取出三塊試塊用YAW-2000型微機控制電液伺服壓力試驗機測其抗壓強度。

五、試驗結(jié)果與分析

論文通過兩方面對實驗結(jié)果進行對比分析：1.探討不同凍融循環(huán)次數(shù)對混凝土各方面的影響；2.探討不同強度等級的混凝土的抗凍性能的差別。以下將進行詳細的介紹。

不同受凍次數(shù)下混凝土各性能的對比

六、混凝土外觀的對比

根據(jù)試驗結(jié)果可以得出，C30混凝土試塊經(jīng)過50次凍融循環(huán)后破壞的不太明顯，局部有極微小裂紋，混凝土的表面依舊平整，但略顯粗糙；經(jīng)過100次凍融循環(huán)后龜裂較為明顯，混凝土表面已經(jīng)不再光滑；經(jīng)過150次凍融循環(huán)后，混凝土出現(xiàn)明顯的大裂紋，骨料外漏，四周剝落嚴(yán)重，甚至有的都出現(xiàn)嚴(yán)重破壞，失去原本的形狀。觀察C40混凝土試塊可以得，經(jīng)過50次凍融循環(huán)后C40混凝土試塊無明顯變化，表面光滑，沒有看到裂紋；經(jīng)過100凍融循環(huán)后C40混凝土試塊出現(xiàn)細微的裂紋，表面略顯粗糙；經(jīng)過150次凍融循環(huán)后，C40混凝土試塊出現(xiàn)較大的龜裂，略顯骨料外漏，表面粗糙。觀察C50混凝土試塊受凍后狀態(tài)可知，經(jīng)過50次凍融循環(huán)后C50混凝土試塊無明顯破壞現(xiàn)象，表面依舊光滑平整；受凍融循環(huán)100次后C50混凝土試塊表面略顯粗糙有細微裂紋；受凍融循環(huán)作用150次后C50混凝土試塊表面出現(xiàn)龜裂，表面粗糙，骨料外漏程度小。

本文對配合比為C30、C40、C50的混凝土進行了飽水狀態(tài)下的凍融循環(huán)試驗，每次凍融循環(huán)的溫度變化范圍為-20～20℃，詳細的對混凝土的凍融破壞過程進行了描述。對凍融前及經(jīng)過不同凍融循環(huán)次數(shù)的混凝土分別進行了抗壓試驗及質(zhì)量的稱量，分析了凍融循環(huán)作用對混凝土強度損失及質(zhì)量損失的影響。發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：相同水灰比的混凝土在不同的凍融循環(huán)次數(shù)作用下，混凝土的外觀破壞程度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大；強度損失率會隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大；平均質(zhì)量損失率會隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大。在相同凍融循環(huán)次數(shù)的作用下，隨著水灰比的降低，混凝土外觀的破損程度逐漸減??；混凝土受凍后的強度損失率及平均質(zhì)量損失率均隨著混凝土強度等級的提高而減小。（作者單位：內(nèi)蒙古自治區(qū)建材產(chǎn)品質(zhì)量檢驗院）