受冻条件对混凝土抗冻性的影响

李　静

(沈阳兴禹水利建设工程质量检测有限公司， 辽宁 沈阳　110006)



受冻条件对混凝土抗冻性的影响

李静

(沈阳兴禹水利建设工程质量检测有限公司， 辽宁 沈阳110006)

【摘要】本文分别以气冻、干湿冻融、饱和冻融为条件，经过125次冻融循环，每25次冻融循环结束后对混凝土强度、质量进行对比，研究水工混凝土在冻融循环条件下的性能，得出在不同受冻条件下，混凝土经冻融循环后，在干湿冻融状态下的冻融破坏最为严重，其次是饱和冻融的结论。

【关键词】气冻；干湿冻融；饱和冻融；水工混凝土

随着我国对水电资源的重视，开发兴建了许多重要的水利水电枢纽工程，这些工程对国家建设、经济增长、居民生活等起到了重大作用。在水利工程中，水工建筑物中的混凝土长期处于水浸或干湿状态，混凝土内部有足量的可冻水，在冻结温度下，产生巨大压力，当超过混凝土抗拉强度时则产生局部裂缝。在多次冻融循环作用下，这种破坏作用反复进行，裂缝不断扩展，相互贯通，使混凝土性能不断劣化，最终导致破坏。许多混凝土建筑物因抗冻性能差，在建成后短时间内就出现了不同程度的冻融破坏，从而影响建筑物的使用性能及寿命，对工程的安全构成威胁，并且造成巨大的经济损失，因此水工混凝土抗冻性能成为混凝土耐久性的重点。本文主要研究了不同受冻环境及条件对混凝土的破坏程度。

1原材料及配合比

水泥：本试验使用P.O42.5普通硅酸盐水泥。

骨料：粗骨料(5～40mm),卵石。

细骨料：中砂，河砂。

减水剂：聚羧酸减水剂。

表1为混凝土配合比。

表1　C30混凝土配合比

2试验方法

2.1试验步骤

a.根据配合比制备混凝土，调节混凝土和易性，使混凝土的坍落度在50～70mm之间。

b.制样成型24h后拆模，在温度(20±2)℃、相对湿度95%以上条件下标养28d；

c. 28d龄期结束后，试验得出强度，每组取三块进行标号。

d.进行不同受冻条件冻融循环。

2.2受冻条件

根据水工混凝土所处水位变化区的实际情况，确定如下受冻条件：

a.试件在无水大气状态下。

b.试件在干—湿状态下。

c.试件在饱和状态下。

2.3冻融制度

冻融时，试件中心的最高温度和最低温度控制在5℃和-16℃，每次冻融循环约在4h内完成，其中融化时间约1.5h，冻结时间约2.5h。冻结与融化结束后，试件中心温度应控制在(-18±2)℃和(5±2)℃。冻融循环共125次。

2.4干湿循环制度

为营造干湿效果，制造干湿条件，本试验使用烘箱进行干燥，干燥温度为60℃。28d后，在清水中浸泡混凝土使其湿润，时间为18h，然后放入烘箱中干燥，时间为6h；一次干湿循环为24h。自然冷却后进行冻融循环。冻融循环25次，干湿循环6次为一次大循环，共进行5次大循环。

2.5测试指标

每次冻融循环结束后测量混凝土的质量损失与强度损失。

3结果分析

3.1混凝土强度损失率变化

表2为混凝土经历不同冻融循环次数后抗压强度损失率，图1为混凝土抗压强度损失率随冻融次数的变化规律。

表2　混凝土强度损失率　单位：%

图1　混凝土强度损失随循环周期变化情况

由图1可见，干—湿冻融与饱和冻融相比破坏性更强。循环结束后，两种混凝土强度均有明显下降，干—湿冻融混凝土强度下降50.31%，饱和冻融混凝土强度下降37.01%，空气中受冻混凝土强度下降3.68%。干—湿冻融与饱和冻融作用加速了混凝土受冻破坏。本试验中混凝土冻融次数总和仅为125次，但强度下降明显，说明干湿循环对混凝土受冻破坏的加速作用十分明显。

3.2冻融循环过程中混凝土的质量损失

混凝土的质量损失反映出混凝土的表面破坏程度，本试验在每次不同受冻条件下冻融循环结束后将浸泡后的混凝土表面水分擦干，测量相同三块混凝土的质量，表3为混凝土在各次循环结束后的质量损失，并绘制质量损失随循环次数变化折线图(见图2)。

表3　混凝土质量损失率　单位：%

图2　混凝土质量损失情况

由表3以及图2可见，在不同的受冻条件下，水工混凝土受冻后质量损失存在显著差异：气冻125次后混凝土的质量损失率仅为0.42%，干—湿冻融125次后混凝土的质量损失率达到了4.15%，是气冻质量损失率的10倍，饱和冻融后混凝土的质量损失也很大，远大于气冻条件下混凝土的质量损失，略低于干—湿冻融条件下的混凝土的质量损失。在125次冻融循环次数内，受冻混凝土的质量损失率均近似呈直线增加，但在不同受冻条件下，直线的斜率不同，质量损失率增加的幅度不同，随着冻融次数的增加，干—湿冻融造成的混凝土质量损失率更大。

3.3受冻条件对混凝土抗冻性能影响的理论分析

a.干—湿受冻条件下冻融对混凝土变形的影响。混凝土在干—湿循环条件下受冻的过程中，因吸水而产生湿胀，失水产生收缩[1]。干—湿冻融导致混凝土内部相对湿度的周期性变化，从而导致膨胀-收缩的交替应力，在结构上产生“疲劳效应”，在造成混凝土的变形胀缩周期性变化的同时，使混凝土内部湿度呈梯度变化，内部结构产生一定的内应力，有可能导致混凝土内部产生一定的裂纹，当混凝土结构尺寸较大时，甚至会因为干—湿循环作用产生较大的开裂而退出工作，这样一种作用产生的结构损伤，将会大大降低混凝土的抗冻性能[2]。这些因素可能是导致本试验研究中的混凝土试样经过干—湿冻融后的抗压强度损失及质量损失明显大于气冻及饱和受冻的强度损失和质量损失的直接诱因。

图3　混凝土不同受冻条件下冻融循环前后表面状态对比

b.不同受冻条件下混凝土的内应力。干—湿循环条件为：在60℃烘箱中烘干6h，随后放入15℃左右的水中让混凝土冷却与润湿。这种冷热交替作用，导致混凝土内部产生一定的内应力，使混凝土表面产生较大的拉应力，这种拉应力会使混凝土表面形成较多的细小微裂纹。这些裂纹的产生，会使混凝土在下一次循环时，产生更严重的应力不均，加速表面裂纹产生，使裂纹扩展，甚至产生表面脱落，增加质量损失，抗压强度快速降低。而在气冻和饱和冻融下，这种应力明显降低，表面和内部的应力梯度也减小，表面裂纹少，脱落也少。图3为混凝土不同受冻条件下冻融循环前后表面状态对比情况，表面状态的变化反映了混凝土表面破损情况。

4结语

本次试验通过对混凝土在不同受冻冻融循环条件下的强度损失与质量损失的测量，直观地反映出了不同受冻条件下混凝土的破坏程度与表面侵蚀程度。试验得出以下结论：干—湿冻融循环对于混凝土的破坏程度明显高于混凝土饱和冻融循环破坏与气冻，干—湿循环引起了混凝土变形、表面开裂，结构发展减慢，与冻融循环共同作用增大了受冻损伤。因此，对于处于不同受冻冻融循环条件下的混凝土，在施工过程中应根据混凝土所处位置条件，注重增加其抗冻性，并提供合理的对应方法，保障工程质量安全，减少不必要的损失。

参考文献

[1]高原，张君，孙伟.干湿循环下混凝土湿度与变形的测量[J]．清华大学学报(自然科学版)，2012(2):144-149.

[2]黄瑜，祁锟，张君．早龄期混凝土内部湿度发展特征[J]．清华大学学报(自然科学版)，2007(3):309-312．

Influence of freezing conditions on concrete anti-frost resistance

LI Jing

(ShenyangXingyuWaterResourcesConstructionEngineeringQualityTestCo.,Ltd.,Shenyang110006,China)

Abstract:In the paper, air freezing, dry-humidity freeze thawing, and saturated freeze thawing are regarded as conditions respectively. Concrete strength and quality are compared after each 25 times freeze-thaw cycle after freeze-thaw cycle for 125 times. The performance of hydraulic concrete under the freeze-thaw cycle condition is studied. It is concluded that the concrete freeze-thaw damage is the most serious and saturated freez-thaw damage is the second most serious under dry-humidity freeze thawing state after freeze-thaw cycle under different freezing conditions.

Key words:air freezing; dry-humidity freeze thawing; saturated freeze thawing; hydraulic concrete

DOI:10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.05.009

中图分类号：TV431

文献标识码：A

文章编号：1673-8241(2016)05- 0026- 04