引气混凝土在海水中冻融循环后单轴强度试验研究

覃丽坤，宋宏伟，王秀伟

(大连民族学院 土木建筑工程学院，辽宁 大连，116605)

中国北方寒冷地区水利工程和海洋工程中的混凝土结构物，在冬季会遭受不同程度地冻融破坏。其中海工混凝土结构还承受冻融循环与腐蚀介质双因素的共同作用，这是导致北方海工混凝土结构发生破坏的主要原因［1-2］。混凝土的抗冻性能是其耐久性的一项重要指标［3-13］。目前，从国内外的研究成果来看，对冻融循环及腐蚀介质共同作用下混凝土的抗冻性能的研究，大多是针对质量损失和动弹性模量的研究，对材料强度损失的研究成果不多，导致对寒冷地区海水中混凝土结构力学性能的了解不够充分，即没有把结构的耐久性和结构的承载能力极限状态结合起来，理论研究满足不了工程实际的发展变化。因此，开展海水中引气混凝土冻融循环后力学性能的试验研究，对于准确分析北方寒冷地区水利工程和海洋工程混凝土构筑物的受力性能，不仅有理论上的意义，同时具有实际应用价值。

1 试验设计

对引气混凝土冻融试件，分别在海水中进行100、200、300、400 次冻融试验，测量相对动弹性模量、质量损失率，检验试件经受不同冻融循环后的宏观形态。冻融试验结束后，进行单轴抗压强度试验。

1.1 试件设计

混凝土试件尺寸分别为100 ×100 ×100 mm、100×100×400 mm、150 ×150 ×150 mm。其中100×100 ×400 mm 和100 ×100 ×100 mm 的试件各分为五组，两组用于冻融试验，另三组分别用于冻融前及冻融后的强度对比试验;150×150×150 mm 分为两组，分别用于冻融前后的强度对比试验。

水泥采用大连小野田水泥厂生产的PO42.5R普通硅酸盐水泥，细骨料为中砂，粗骨料为碎石，最大粒径为20 mm。引气剂选用松香皂类引气剂，该引气剂减水率≥6%，试配时采用8%，减水剂采用大连西卡建筑材料有限公司生产的聚羧酸盐系1210 型减水剂。混凝土引气剂掺量为水泥质量的0.01%。

试配混凝土塌落度选择50 -70 mm，含气量4-6%，最大水灰比≤0.5。试件按照试配后的配合比浇筑，搅拌3 min 后出料，在铁板上翻拌2 -3次后测量含气量及塌落度。表1 为混凝土每立方米的配合比及性能指标。由于试验周期长，引气剂掺量随浇筑的的条件进行微调。表中除含气量以外，其余数据为各批试件的平均值。

试件用钢模成型，振动台振捣密实，棱柱体试件采用卧式成型。成型后覆盖表面，防止水分蒸发，在室温为20 ±5℃情况下静置一至二昼夜，然后编号拆模。脱模后混凝土试件在20 ±3℃的不流动水中养护，水的PH 值不小于7，养护90 天以后开始进行试验。同批次冻融试件和对比试件同时浇注。

表1 引气混凝土配合比表(每m3 用量)

1.2 试验方法

冻融试验是利用TDRF -1 型混凝土自动快速冻融试验机上进行的。冻融试验:在海水中进行冻融循环试验，采用“快冻法”进行。试件在标准养护90 天后开始试验，提前4 d 将试件浸泡在温度为15 -20 ℃的海水中，设定冻融循环时间为2.5 h，(其中用于融化的时间不小于整个冻融循环时间的1/4);控制冻结和融化终了时的试件中心温度分别为-17 ±2 ℃和82 ℃。每50 次冻融循环测一次动弹性模量及试件质量。

力学性能试验:试验前将试件表面的残留水份擦干，按照普通混凝土力学性能试验方法，在电液伺服压力试验机上进行混凝土立方体单轴抗压试验。

1.3 试验现象

引气混凝土在海水中经过100 次、400 次冻融循环后的照片如图1。经冻融循环后，试件表面出现层状破损，开始疏松并逐渐剥落，表面剥落程度随着冻融次数的增加逐渐加重。如经过100 次冻融循环后，引气混凝土表面砂浆稍有剥离，但当冻融循环达到400 次时，混凝土表面粗骨料处的砂浆开始脱落，并与砂浆产生明显的分离，在部分表面，可见砂浆与粗骨料交界处有细裂缝产生。

图1 经受不同冻融循环次数后引气混凝土试件的宏观形态

2 试验结果与分析

2.1 相对动弹性模量与质量损失

按照前述冻融试验方法，量测海水中冻融循环后引气混凝土试件的动弹性模量及质量损失。测得的引气混凝土在不同冻融循环次数后的相对动弹性模量平均值见表2。

表2 不同冻融循环次数后引气混凝土的相对动弹性模量平均值

由表2 可见，随冻融循环次数的增加，引气混凝土的动弹性模量降低。在400 次冻融循环后，混凝土试件尚有抵抗更多次冻融循环的能力，其中，第二组动弹性模量下降很少。引气混凝土相对动弹性模量随冻融循环次数的变化趋势如图2，N 为冻融次数。

图2 引气混凝土的相对动弹性模量与冻融循环次数的关系

试验测得的引气混凝土在海水中经不同冻融循环次数后的质量见表3。由表可见，随冻融循环次数的增加，引气混凝土的质量降低。在400次冻融循环后，两组引气混凝土试件的质量损失分别为3.52%和3.64%;引气混凝土试件的质量损失随冻融次数的变化趋势如图3，N 为冻融次数。

表3 不同冻融循环次数后引气混凝土的质量

图3 引气混凝土试件的质量损失随冻融次数的变化

2.2 立方体抗压强度与冻融次数的关系

按照前述试验方法对在海水中冻融后的混凝土进行单轴压的力学性能试验研究，冻融循环次数分别为0、100、200、300、400 次，试件为100 ×100 ×100 mm 的立方体，试验结果见表4。

表4 不同冻融循环次数后混凝土的立方体抗压强度

由表4 可见，引气混凝土在满足抗冻等级的条件下，立方体抗压强度有非常明显的下降。如引气混凝土经受400 次冻融循环后，相对动弹模平均降为94.80 %，质量损失为3.58 %，而抗压强度平均值已降为21.50 MPa，为冻融循环前的48.20 %。

对试验数据进行统计分析，发现海水中引气混凝土立方体抗压强度随冻融循环次数的增加而降低，且下降的趋势近似为线性关系，以线性回归方程表达立方体抗压强度与冻融循环次数的关系:

冻融循环后100 ×100 ×100 mm 混凝土立方体抗压强度的实测值与按式(1)的计算值拟合曲线对比情况如图4。与式(1)的计算值与实测值的拟合较好。

图4 实测值式(1)计算值与的对比

3 结论

对海水中的引气混凝土进行了冻融循环后的性能试验。对冻融循环后的混凝土试件进行宏观分析，并进行了立方体抗压强度试验，得出以下结论:

(1)在满足抗冻等级的前提下，混凝土的立方体抗压强度随冻融循环次数的增加有较大程度的下降，在工程中应引起足够的重视。

(2)经400 次冻融循环后，海水中引气混凝土的动弹性模量和质量均有不同程度降低。总结了海水中引气混凝土的动弹性模量和质量损失随冻融循环次数的增加而降低的规律。

(3)随冻融循环次数的增加，海水中引气混凝土的立方体抗压强度下降的规律近似呈线性关系。

(4)建立了海水中引气混凝土冻融循环后立方体抗压强度的计算公式，便于工程应用。

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