混凝土的抗冻性研究　.ppt

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1、 即我们在设计的时候，如果少用一块钱用于钢筋的防护，那么就意味着当发现钢筋锈蚀，采取的最佳措施要5块钱的修复，如果发现钢筋出现了顺筋裂缝时，要花25块钱，如果是严重的破坏，维修费要超过125块钱。混凝土的抗冻性能是其耐久性的一项重要指标，同时也是一项综合性能指标，高抗冻性能意味着混凝土的高耐久性。水工混凝土的设计指标中经常用抗冻性指标代替其耐久性指标。根据我国水工建筑物耐久性调查资料，在32座大型混凝土坝工程、40余座中小型工程中，22%的大坝和21%的中小型水工建筑物存在冻融破坏问题，大坝混凝土的冻融破坏主要集中在东北、华北、西北地区。尤其在东北严寒地区，兴建的水工混凝土建筑物，几乎100%

2、的工程局部或大面积地遭受不同程度的冻融破坏。除三北地区普遍发现混凝土的冻融破坏现象外，地处较为温和的华东地区的混凝土建筑物也发现有冻融现象。因此，混凝土的冻融破坏是我国建筑物老化病害的主要问题之一，严重影响了建筑物的长期使用与安全运行，为使这些工程继续发挥作用和效益，各部门每年都耗费巨额的维修费用，而这些维修费用为建设费用的13倍。因此，混凝土抗冻耐久性研究在我国乃至世界均具有重大的社会意义和经济意义。欧美及前苏联等国家早在上世纪40年代就已重视混凝土的抗冻性，提出了混凝土的引气技术。到20世纪50年代，国外对冻融环境下的混凝土配置己普遍要求加入引气剂，从而较好地解决了混凝土结构的一般冻蚀问题

3、。我国在解放后也有专家提出寒冷地区的混凝土必须引气(当时在天津修建的一个引气混凝土试验性工程至今完好无损)，但以后除水工结构设计规范外，国内如路桥和建筑物设计规范均未列入必须引气的要求，以致大量的露天淋雨或与水接触的混凝土工程普遍遭受破坏，这种情况直到最近仍然未能改变。目前，对混凝土抗冻性的研究，国内外都已经进行了一些研究工作，取得了一些成果。但这些成果都主要集中在混凝土的冻融机理、高强混凝土与高性能混凝土的抗冻性能、以及使用各种外加剂提高混凝土的抗冻性能，对引气后的普通混凝土的力学性能的相关研究不多。同时，现有的关于冻融循环后混凝土性能的试验资料，大多是以质量损失与动弹性模量为标准，针对混凝

4、土抗冻安全设计等级而展开的。各国冻融试验方法提供的评估混凝土抗冻性的指标通常会给人一种印象，即只要满足了抗冻等级或评估的指标，混凝土的强度就不会降低很多。如我国“普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法”快冻法规定:动弹性模量损失不超过60%，质量损失不超过5%时，就认为满足抗冻等级的要求，而在强度设计中仍用原强度指标，并没有考虑折减。实际上混凝土在冻融后强度有很大的降低，如文献1试验表明，抗压强度为21.9MPa的加气混凝土经300次冻融循环后，相对动弹性模量为61%，质量损失为3.07%，而抗压强度仅为原强度的49.5%，降低了50%多。文献2的试验表明：抗压强度为34.2MPa的未引气混凝土

5、，经100次冻融循环后，相对动弹性模量为62%，质量损失为1.2%，而抗压强度仅为原强度的44%，降低50%多。可见，冻融循环作用对混凝土强度的影响比对相对动弹性模量或质量损失的影响要大，在相对动弹性模重和质量损失满足要求时，混凝土强度不一定满足要求。在实际应用中，我们最关心的是混凝土的力学性能，因强度损失直接关系到建筑物使用性能及安全。因此，在混凝土抗冻指标设计时还应参考强度指标，把抗冻等级与混凝土强度联系起来，才能保证结构的安全。含气量是影响混凝土抗冻性的主要因素。50年代引气剂的应用，使混凝土抵抗冻融能力大大提高，成为20世纪里混凝土技术取得进展的三个里程碑之一。掺加引气剂主要是在混凝土

6、拌和过程中引进大量分布均匀的、微小且不连通的气泡，虽增加了总孔隙率，但微细气泡隔断了渗水的毛细管通道，对混凝土的抗渗有明显的改善;同时，这些气泡在硬化后的混凝土中可以缓解冻融过程中产生的冰胀压力和毛细孔水的渗透压力，从而提高混凝土的抗冻融能力。研究结果表明:气泡间距因数越小，混凝土的抗冻性越高。国内外规范相关混凝土抗冻性方面，均提出了对混凝土含气量的要求。对于引气剂的使用，我国“水工混凝土结构设计规范”，“水工混凝土施工规范”“港工混凝土和钢筋混凝土施工规范”，“水运工程混凝土质量控制标准”，“铁路用混凝土及砌石工程施工规范”，“普通混凝土配合比设计规程”，均要求有抗冻要求的混凝土，必须或应掺

7、用引气剂。掺用引气剂使混凝土含气量增加，在提高混凝土抗冻性的同时，也会引起混凝土抗压强度的下降。经试验表明:当掺引气剂混凝土水灰比小于0.5时，含气量增加1%，强度约损失5%;水灰比大于0.5时，含气量每增加1%，强度降低7%。因此引气剂在使用时，要注意掺量问题。不同的品种及不同厂家生产的水泥，在引气剂的掺量相同情况下，含气量不同:水泥用量增加含气量将减少，水泥细度增大，含气量亦将减少;砂粒径在0.30.6mm之间时，含气量较大，大于0.6mm或小于0.3mm时含气量减少，砂率减少，石子粒径增大，含气量降低;水的硬度增加，温度升高，含气量减少；。PC-2型松香热聚物引气剂，夏天机摇泡沫度平均为

8、18%，冬期平均为20%，因此，要获得同样的含气量，冬期掺量1/10000左右，则夏天需要15/10000；在水泥用量相同的情况下，坍落度增大，含气量亦增大等。因此，引气剂的使用也需注意材料及施工方面的影响因素。文献1采用慢速冻融方法对高强混凝土和普通混凝土在冻融循环后的力学性能进行了研究，包括抗压、劈裂抗拉及抗剪强度、弹性模量、泊松比和剪切模量等。其结论为:高强混凝土的试件经过90次(慢冻)冻融循环后，其力学性能的损减，除了剪切模量外，均在10%以内;普通混凝土经过90次(慢冻)冻融循环后的试件，所有力学性能的损减均在10%以上，剪切模量超过20%。文献2采用快速冻融方法，对普通混凝土、引气

9、混凝土和高强混凝土的力学性能和微观结构进行了分析，得出如下结论:(1)随冻融循环次数的增加，三种混凝土的强度特性均呈下降趋势，其中抗拉强度和抗折强度下降幅度最大，而抗压强度下降趋势较缓，如以目前抗冻标准中动弹模下降40%作为一个临界值，普通混凝土的抗拉强度只剩51.6%，抗折强度剩30.9%，抗压强度还有84.8%；(2)失重率这一指标对普通混凝土不一定合适，而对引起混凝土抗冻性的安全评估有一定意义；(3)混凝土冻融破坏过程中微观现象与宏观测试结果是互为印证的，由于混凝土微裂缝的增长和发展，导致了混凝土宏观强度的下降和密实度的降低。对普通混凝土和引气混凝土经不同冻融循环程度后的试件，分析其冻融

10、后的形态，并对引气混凝土试件进行单向抗压状态的强度试验，并将试验结果同常态混凝土在常温下的试验数据进行比较分析 按照混凝土拌合物含气量测定方法，引气混凝土含气量测定的操作过程如下:(1)清理量钵，将量钵放置平稳；(2)将混凝土装入1/3容器高度后，用捣棒由边缘向中心均匀插捣25次，捣棒应插透本层高度，再用橡皮锤沿量钵外壁击打10-15次(注装料避免过满)；(3)依上述步骤，将容器的其余2/3高度分两次填充混凝土；(4)用刮尺平刮掉混凝土表面多余的拌和物直至光滑无气泡；(5)用湿布擦净量钵边缘及沿口；(6)盖好上盖，对称拧紧；(7)关闭微调阀，打开排气(水)阀；(8)用注水器从注水口注水，至水从

11、排气(水)口平 稳流出，关闭注水阀后再闭排气阀；(9)用手泵打气加压，使指针指到初压点的位置，打气超过初压点时用微调阀调节指针，(注表盘右下方0点以下“约一1”的位置)；(10)用手轻敲表盘外侧，使指针稳定在初压点上；(11)平稳地按下平衡阀约5秒后松开，用手轻敲表盘外侧，再按下平衡阀，指针稳定下来所指的就是混凝土的含气。按照混凝土快速冻融试验方法的要求，冻融试验具体过程如下；(1)冻融试验前四天将试件从养护室取出，进行外观检 查，然后放在温度为15-20的水中浸泡(包括对比试件和测温试件)，浸泡时水面高出试件顶面20mm；(2)试件浸泡四天后取出，用湿布擦除表面水分，称重；(3)将试件放入试

12、件盒内注水，且在整个试验过程中，水 位保持高出试件顶面20mm左右；(4)将试件盒放入冻融箱后(其中装有测温试件的试件盒放在冻融箱的中心位置)；(5)按标准要求调整冻融试验设备的操作系统，主要包括:设定冻融循环时间为2.53.0h(其中用于融化的时间不得小于整个冻融循环时间的1/4);控制冻结和融化终了时，试件中心温度分别控制在-172和82每块试件从15升至6所用时间不低于整个融化时间的1/2，试件内外温差不超过28；冻融转换时间不超过10min；(6)开始冻融循环；(7)试件每隔50次冻融循环检查一次外部损伤及重量损失，检查测温试件的破损情况以便及时更换测温试件，调换试件盒在冻融箱内的摆放

13、位置，对于同一试件盒内的四个100mm X100mm X 100mm，也需调换其在试件盒内的摆放次序 (8)为保证试件在冻融液中冻结的温度稳定均衡，当有部分试件退出冻融循环后，须另用试件补充空位，保证冻融循环中冻融箱内28个试件盒内一直摆满试件。通过对不同冻融循环次数下的普通混凝土和引气混凝土的宏观形态及微观形态分析，得出以下结论：(1)普通混凝土和引气混凝土在冻融循环后，表面破坏形态基本相似:都随冻融次数的增加表面剥离情况加重；(2)在水灰比相同的情况下的，普通混凝土的设计强度越低，经相同冻融循环后的表面剥落情况越严重，相同水灰比和含气量的引气混凝土，也有此特征；(3)混凝土引气提高了混凝土

14、的抗冻融循环能力；(4)冻融循环后，引气混凝土的微观结构发生变化，主要表现有:水泥浆体变得疏松;空隙率增大:骨料与水泥砂浆的粘结裂缝变大，裂纹增多，且逐渐贯通;引气产生的气泡逐渐破裂，逐渐丧失抵抗膨胀压力与渗透压力的能力。图2.1 立方体极限抗压强度降低幅度与冻融循环次数的关系 图2.2棱柱体极限抗压强度降低幅度与 冻融循环次数的关系 (1)随着冻融循环次数的增加，引气混凝土的单向抗压强度逐渐降低，且降低幅度也逐渐增大 (2)在冻融循环次数少于150次左右时，冻融循环次数对混凝土的强度影响较小，而在冻融循环次数超过150次左右时，冻融循环次数对引气混凝土强度的影响迅速增大。这一点在混凝土的棱柱

15、体抗压试验中表现尤为明显:如设计强度为C25的混凝土试件在冻融循环为100次时，棱柱体抗压强度降低仅为3.98%，而冻融循环达到200次时，强度降低了达到了20.81%；(3)总体来看，在水灰比和含气量相同条件下的引气混凝土试件，由于设计强度大的试件中骨料含量相对较少，冻融循环对其抗压强度的影响相对来说较小。1李金玉，曹建国.混凝土冻融破坏机理的研究J.水利学报，1999,(1)1:41-49 2覃丽坤。高温及冻融循环后混凝土多轴强度和变形试验研究D 大连:大连理工大学博士论文，2004.2 3施士升.冻融循环对混凝土力学性能的影响J.土木工程学报，1997,(30)8:35-42 4曹建国，李金玉.高强混凝土抗冻性的研究J.建筑材料学报，1999,(2)4:292-297 5杨正宏，史美伦.混凝土冻融循环的交流阻抗研究J.建筑材料学报，1999,(2)4:365-368 6潘钢华，秦鸿根.粉煤灰混凝土冻融破坏机理研究J.建筑材料学报，2002,(5)1:37-41 7方壕，武世翔.混凝土在试验室条件F冻融破坏的特点J.混凝土与水泥制品，2003，(8)4：18-20 8宋玉普.多种混凝土材料的本构关系和破坏准则M.北京:中国水利水电出版社，2002