混凝土抗冻性能影响因素探讨

摘　要:水库、水闸、渡槽等水位波动区域的混凝土,在正负温交替变化情况下会因频繁冻融循环而受到剥蚀。现针对这种冻融剥蚀的破坏机理,分析影响混凝土抗冻性能的几种因素,并列举在工程上的应用实例以说明可以正确规避相关因素的影响,防止混凝土因频繁冻融而受到剥蚀。

关键词:混凝土;抗冻性能;冻融;含气量;质量损失;相对动弹性模量

中图分类号: TU528; TU502 + 4　　　文献标识码: B　　　文章编号: 1008 - 3707 (2007) 05 - 0050 - 03

　　近年来,随着人们对混凝土耐久性认识的日益提高,在各种设计规程中,均把耐久性列为混凝土的一项重要指标,尤其在一些大中型工程中,更加重视混凝土的耐久性问题。耐久性指标包括抗冻性、抗渗性、抗碳化、抗氯离子侵蚀、抗硫酸盐侵蚀等,各项指标之间密切相关,本文主要探讨的是抗冻性能。

　　根据现有研究成果,混凝土冻融破坏机理是:在0°C以下时,冻害从温度较低的表层开始,表层毛细管中的水先冻结,伴随这种相变产生膨胀压力;剩余的水分迁移至附近的孔隙和毛细管中,在水的运动过程中,产生液体压力;随温度的进一步降低,内部混凝土与孔径更小孔隙中的水分也开始冻结,混凝土体积持续膨胀。解冻后,有一部分膨胀仍然残留下来,产生冻融劣化,硬化水泥石的组织结构发生破坏,动弹性模量下降,抗拉强度降低,严重的时候产生剥蚀破坏。

1　影响因素分析

　　通过一组试验,我们来分析各种因素对混凝土抗冻性能的影响,找出提高混凝土抗冻性能的有效方法。

1. 1　试验设计原理

　　本次试验以混凝土实体试件进行,采用二级配混凝土。试验设备能达到《水工混凝土试验规程(DL /T 515022001) 》的要求;试验方法也按《水工混凝土试验规程》进行[ 1 ] 。试验采用同品种水泥,当水灰比、骨料、外加剂中的一个发生变化时,来分析上述三种因素对混凝土抗冻性能的影响。

1. 2　试验中的原材料

　　(1)水泥:浙江尖峰42. 5级普通硅酸盐水泥,试验结果见表1。

　　(2)砂石料: 采用碎石与卵石两种,试验结果见表2。

　　(3)外加剂为杭州国力混凝土外加剂厂生产的LN22000高效减水剂, 河北省混凝土外加剂厂的DH9及普通木钙引气剂,试验结果见表3。

1. 4　抗冻性能试验结果

　　经过冻融循环后,上述混凝土配合比的相对动弹性模量与质量损失率有了明显的差异,结果见表5。

1. 5　试验结果探讨

　　表5数据显示,水灰比小于0. 5时质量损失在100个循环内都能达到要求,影响抗冻性能的关键指标为相对动弹性模量。下面仅以相对动弹性模量为依据来分析各因素对混凝土抗冻性能的影响。

　　(1)水灰比是决定混凝土组织结构致密性与孔结构特征的基本因素,水灰比越小,养护越好,混凝土越致密,其中的孔隙与毛细管越少,渗水通道越少。一般情况下,混凝土的抗冻性能随着水灰比的减小而提高。图1中SY3与SY4曲线可证明上述论点。

　　(2)混凝土中加入引气剂后,产生了均匀稳定、互不相通的微小气泡。这些小气泡不仅部分阻断了混凝土内的开口连通孔隙,同时在混凝土孔隙中的自由水冻结膨胀时,小气泡被压缩,从而可以缓冲冰冻给孔隙带来的胀压力,溶解时气泡又可恢复原状。

　　木钙对提高抗冻性能不理想的原因是:混凝土掺加减水剂与DH9后,混凝土内形成的是微小密闭的气泡,气泡间隔系数约为200 μm;而加入木钙的混凝土内产生的气泡直径较大,气泡间隔系数约为430μm。在含气量一定时,气泡、间隔系数越大,则气泡数量就少,因而在阻断开口孔隙与缓冲胀压力方面的效果就越差。

　　图1中SY2与SY3曲线,说明在加入同一种外加剂时,含气量越大,抗冻性能越好。

　　图1中SY1与SY3曲线,尽管SY1的含气量略低,但还是能说明气泡性质是影响混凝土抗冻性的重要因素。

　　(3)骨料内部孔隙过多过大,吸水率偏大,坚固性差,冻融时骨料内存在的胀压力就越大,对骨料自身的破坏性也越大。破坏时,骨料与水化硅酸钙间出现裂缝,严重时骨料自身破裂,表面砂浆严重剥离。因而吸水率较大的骨料对混凝土抗冻性能的影响同样不可忽视。图1中SY3与SY5曲线很清晰的说明了上述观点。

　　综合以上分析可知,影响混凝土抗冻性能的主要因素为: ①混凝土内的气泡情况; ②水灰比; ③骨料情况。

2　工程应用

　　浙江义乌巧溪水库除险加固工程是浙江省重点水利工程之一,大坝为混凝土面板堆石坝。堆石体空隙大,不具备防渗能力,防渗功能主要由面板来承担;同时,混凝土面板又处在水位波动区,存在遭受冻融剥蚀的可能。因此,面板的耐久性将直接影响到整个工程使用年限。

　　面板混凝土设计强度等级为C25W8F100,采用浙江尖峰42. 5级普通硅酸盐水泥,吸水率较小的天然砂和碎石,以及杭州国力混凝土外加剂厂生产的LN22000高效减水剂和河北省混凝土外加剂厂的DH9,原材料试验均能达到相应规范的要求。通过试验,得出的实验室配合比见表6,

28 d后,测得的立方体抗压强度为34. 5 MPa;耐久性试验中,抗渗、抗冻均超过设计等级。

3　结　语

　　混凝土冻融破坏是水工混凝土建筑物在运行过程中产生的主要病害之一,而提高混凝土抗冻性的重要途径是增加混凝土密实性,阻断混凝土中的开口连通孔隙[ 2, 3 ] 。因此,在设计混凝土配合比时,只要适当减小水灰比,掺入适量的减水剂和优质引气剂,就能满足混凝土的抗冻要求。与此同时,选择吸水率较小的坚硬骨料,对提高混凝土抗冻性则有事半功倍的作用。

参考文献

　　[ 1 ] 　李金玉,曹建国. 水工混凝土耐久性的研究和应用[M ]. 北京:机械工业出版社, 2004.

　　[ 2 ] 　冯乃谦. 高性能混凝土结构[M ]. 北京: 中国电力出版社,2004.

　　[ 3 ] 　蒲心诚. 超高强高性能混凝土[M ]. 重庆:重庆大学出版社,2004.