冻融时间对早期混凝土抗压性能的影响试验

汪青杰,张延年,刘旭峰,徐 驰

冻融时间对早期混凝土抗压性能的影响试验

汪青杰a,张延年b,刘旭峰b,徐 驰b

(沈阳建筑大学a.理学院,b.土木工程学院,辽宁沈阳 110168)

为研究冻融前养护时间和冻融时间对早期混凝土抗压性能的影响,采用混凝土冻融试验机冻融循环和冬季室内外自然冻融循环,对不同冻融前养护时间和冷冻时间的混凝土立方体试块进行抗压性能试验.冻融循环后混凝土表面不再光滑,表面剥落情况越严重,混凝土疏松、起皮,甚至脱皮,空洞现象也随之增多.龄期越早、冻融时间越长表面破坏越严重.混凝土冻融试验机和室内外自然冻融受冻试块的冻融时间与质量损失率的关系曲线大致相同,受冻时间为6 h的试块均比受冻时间为12 h的质量损失大,且冻融前养护3 d和7 d的质量损失较大,7 d后质量损失较小,斜率趋于平缓.混凝土冻融试验机和冬季室内外自然冻融受冻12 h的试块比受冻6 h的抗压强度低,抗压强度损失率要大.

混凝土;冻害;冻融循环;立方体试块;龄期;质量损失;抗压强度

混凝土常温施工季节较短,大多数工程在初冬时期还未完工,有些在采用简单保护措施的情况下可以施工,而有些则需要在第二年的春天才能继续施工.由于施工条件和气候的影响,使还处于施工期的混凝土构件常会出现受冻的问题.若不及时发现,不仅会影响工程质量,严重的还会造成不可挽回的巨大损失.

近些年来,有许多围绕混凝土的冻融破坏的试验研究,主要集中于冻融机理、混凝土的材料及外加剂等方面[14].国内外大量的试验研究主要是针对混凝土的材料组成对其抗冻性的影响[59].由于试验设备缺乏和试验难度大等原因,对冻融循环后混凝土力学性能的研究资料很少[10].而在实际应用中,混凝土的力学性能是最需要关心的,因为强度的损失直接关系到建筑物的使用性能及安全.全面了解经受设计冻融循环次数后的剩余强度,十分必要.

在初冬施工,冻融前养护时间和冻融时间往往影响混凝土的力学性能,本文采用混凝土冻融试验机冻融循环和冬季室内外自然冻融循环,对不同冻融前养护时间和冷冻时间的混凝土立方体试块进行抗压性能试验研究.

1 试验概况

设计100 mm×100 mm×100 mm的混凝土立方体试块,试验采用混凝土冻融试验机冻融循环和冬季室内外自然冻融循环.混凝土冻融试验机冻融循环试验的受冻温度定为-20℃,融化温度为室温20℃,分组见表1;冬季室内外自然冻融循环试验为冬季室外平均温度低于-10℃开始,分组见表2.经20次冻融循环后,计算质量损失平均值、质量损失率、抗压强度平均值和抗压强度损失率.

试验所用水泥采用辽宁山水工源水泥有限公司制造的矿渣硅酸盐水泥,标号为P·O32.5级;天然碎石粒径5～25 mm;普通河砂,细度模数2.9;水采用自来水;坍落度为70～90 mm.

表1 混凝土冻融试验机分组Table1 Grouping of concrete freeze-thaw test machine

表2 冬季室内外自然冻融分组Table 2 Grouping of the indoor and outdoor natural freeze-thaw in winter

2 试验结果

2.1 试验现象分析

图1为试块冻融循环前后外部现象对比照片,冻融循环后,试块表面出现不同程度的裂缝,在混凝土表面的砂浆与粗骨料交界处均可看见产生轻微的裂缝,并出现裂纹,开始疏松、起皮,甚至脱皮,空洞增多.部分骨料和砂浆也随冻融次数的增加而发生脱落.试块两端棱角处冻融破坏较为严重.

图1 试块冻融循环前后外部现象对比Fig.1 External phenomena contrast of test block before and after freeze-thaw cycle

2.2 试验结果分析

表3为混凝土冻融试验机试验结果,受冻时间为6 h的混凝土试块,质量损失均大于受冻12 h的试块,但抗压强度损失均比12 h的小,受冻时间越短,对混凝土抗压强度损失越小.表4为冬季室内外自然冻融试验结果,受冻时间为6 h的混凝土试块质量损失均大于受冻12 h的试块;由于自然环境温度波动造成影响,总体上看抗压强度损失均比12 h的小,受冻时间越短,对混凝土抗压强度损失越小.

表3 混凝土冻融试验机试验结果Table 3 Test results of concrete freeze-thaw test machine

表4 冬季室内外自然冻融试验结果Table 4 The experimental results of the indoor and outdoor natural freeze-thaw in winter

2.2.1 冻融时间对质量的影响

图2为冻融时间与质量损失率的关系,无论是混凝土冻融试验机还是室内外自然冻融受冻试块,曲线大致相同,受冻时间为6 h的试块均比受冻时间为12 h的质量损失大,且龄期在3 d、7 d质量损失较大,斜率较大;7 d后质量损失较小,斜率趋于平缓.这是因为受冻6 h、融化18 h的试块和受冻融时间12 h的试块,温度回升时间不同.根据P.C.Powers的水压破坏理论,混凝土就是在冻结产生水压、融解吸水使饱和度不断提高的反复冻融作用下遭受破坏的.当温度回升时,首先应该是混凝土内部的融解,因为混凝土内部融点要比外部的冰层融点低.如果温度回升过程较慢,则混凝土内部的大多数冰都融解后,外部的冰层才刚刚开始融化,此时毛细管就会被内部融水所回填而饱和,融解过程中从外界吸水作用就很微小.但是,如果温度回升很快,在混凝土内部的大多数冰都未融解之前,外部的冰层已经融化或者开始融化,这样就会在混凝土内部产生负压,就会有充分的外界水可供吸收,从而使混凝土的饱和度有较显著提高,为下一次冻结产生更剧烈的破坏提供了条件[78].在反复冻融循环后,受冻6 h 的,在室温(20士2)℃融化时间为18 h,即相当于温度回升较快,就会使混凝土质量大大减小.说明受冻时间的长短与质量损失成反比,受冻时间越短,混凝土试块质量损失的影响越大.

图2 冻融时间与质量损失率的关系Fig.2 The relationship between freeze-thaw time and mass loss rate

2.2.2 冻融时间对抗压强度的影响

图3为冻融时间与抗压强度损失的关系,混凝土冻融试验机受冻12 h的试块比受冻6 h的抗压强度小,强度损失率高;由于冬季室外温度波动影响,使冻融前养护7 d的试块出现波动,但总体上受冻12 h的试块比受冻6 h的抗压强度要小,强度损失率高.严格的冻融温度控制的变化规律明显,而自然环境冻融的试块变化规律虽然存在小的波动,但二者总体规律是一致的:受冻时间越长,抗压强度越小,而强度并没有随着质量的降低而减小,反而增大.

图3 冻融时间与抗压强度损失的关系Fig.3 The relationship between freeze-thaw time and compressive strength loss

3 结 论

通过混凝土立方体受冻的试验研究,主要得出以下结论:

(1)冻融循环后混凝土表面不再光滑,剥落情况严重,混凝土疏松、起皮,甚至脱皮,空洞现象也随之增多.龄期越早、冻融时间越长表面破坏越严重.

(2)混凝土冻融试验机和室内外自然冻融受冻试块的冻融时间与质量损失率的关系曲线大致相同,受冻时间为6 h的试块均比受冻时间为12 h的质量损失大,且冻融前养护3～7 d的质量损失较大;7 d后质量损失较小,斜率趋于平缓.

(3)混凝土冻融试验机冻融的混凝土强度变化规律明显,而自然环境冻融的试块变化规律虽然存在小的波动,但二者总体规律是一致的:受冻时间越长,抗压强度越小,而强度并没有随着质量的降低而减小,反而增大.

[1]Bournazel J P,Moranville M.Durability of Concrete the Crossroad between Chemistry and Mechanics[J].Cement and Concrete Research,1997,27(10):1543 1552.

[2]Penttala V,Al-Neshawy F.Stress and Strain State of Concrete during Freezing and Thawing Cycles[J]. Cement and Concrete Research,2002,32(9):1407 1420.

[3]EnüstüB V,Soo K.S,Bergeson K L.Frost Susceptibility of Concrete in Near-saturated States[J].Journal of Materials in Civil Engineering,1994,6(2):290 306.

[4]Jacobsen S,Marchand J,Homain H.SEM Observations of the Microstructure of Frost Deteriorated and Selfhealed Concrete[J].Cement and Concrete Research, 1995,25(8):1781 1790.

[5] 余红发,孙伟,鄢良慧,等.在盐湖环境中高强与高性能混凝土的抗冻性[J].硅酸盐学报,2004,32(7):842 848. (Yu Hongfa,Sun Wei,Yan Lianghui.Freezing-Thawing Durability of High Strength and High Performance Concrete Exposed to Salt Lakes[J].Journal of the Chinese Ceramic Society,2004,32(7):842 848.)

[6] 余红发,孙伟,张云生,等.膨胀剂和纤维及其复合对混凝土抗冻性的影响[J].南京航空航天大学学报,2006,38 (2):245 250. (Yu Hongfa,Sun Wei,Zhang Yunsheng,et al.Effect of Expansive Agent,Fiber or Their Combination on Freezing-Thawing Durability of High Performance Concrete[J].Journal of Nanjing University of Aeronautics &Astronautics,2006,38(2):245 250.)

[7]Park G G.Analysis on the Freeze-thaw Cycled Polymer Electrolyte Fuel Cells[J].Current Applied Physics,2010, 10(2):63 65.

[8]Okan K.Properties of Steel fiber Reinforced Fly Ash Concrete[J].Construction and Building Materials,2009, 23(1):392 399.

[9]Ghazavi M.The influence of freeze-thaw cycles on the unconfined compressive strength of fiber-reinforced clay [J].Cold Regions Science and Technology,2010,61(3): 125 131.

[10] 覃丽坤,宋玉普,姚家伟.普通混凝土在冻融循环后的力学性能研究[J].大连民族学院学报,2010,12(3):236 238. (Tan Likun,Song Yupu,Yao Jiawei.Study on Mechanical Properties of Plain Concrete after Freezing and Thawing Cycles[J].Journal of Dalian Nationalities University,2010,12(3):236 238.)

【责任编辑:祝 颖】

Experimental Research on Compressive Property of Crumb Rubber Concrete Based on Freezing and Thawing Time

Wang Qingjiea,Zhang Yannianb,Liu Xufengb,Xu Chi b
(a.School of Science,b.School of Civil Engineering,Shenyang Jianzhu University,Shenyang 110168,China)

In order to research compression behavior of concrete cubes based on the time of freezing and thawing,the compression tests of concrete cube test blocks in two kinds of freeze-thaw-cycle condition of concrete freeze-thaw test machine and natural state in winter are made.The results show that after the freeze-thaw cycles,the concrete surface is no longer smooth,the surface flakes seriously,and the concrete is loose,peeling,or even scaling,the number of concrete hollows is also increased.Erosion damage of concrete is more serious with the decrease of concrete maintenance time before freezing and thawing and the increase of the time of freezing and thawing.The relation curves of freeze-thaw time and mass loss of two kinds of freeze-thaw-cycle condition are roughly the same. The loss of quality of the test block which got frozen for 6 h was more than that got frozen for 12 h. And the quality loss of the blocks conserved for 3 d or 7 d before freeze-thaw was larger than after 7 d, the slope was leveling off.The compressive strength of the test block that was frozen in concrete freeze-thaw testing machine and the natural freeze-thaw indoor and outdoor in winter for 12 h is lower than that for 6 h;the loss rate of compressive strength is larger.

concrete;freeze injury;freeze-thaw cycle;cube test blocks;age;quality loss; compressive strength

2095-5456(2014)01-0061-05

TU 528

A

20131025

质检公益性行业科研专项项目(20141012103).

汪青杰(1978),女,辽宁葫芦岛人,沈阳建筑大学讲师,硕士;张延年(1976),男,辽宁葫芦岛人,沈阳建筑大学教授,博士.