（道路与铁道工程专业论文）道路工程水泥混凝土材料抗冻耐久性研究.pdf

摘要 摘要 水泥混凝土路面、桥梁等道路工程混凝土结构物由于其自身断面小、与自然 环境接触面积大、同时遭受行车荷载和恶劣自然环境的双重作用，再加上冬季融 雪经常使用除冰盐，普遍面临着的严重的冻融破坏问题。为提高我国道路工程领 域混凝土抗冻性评估与抗冻混凝土设计的整体水平，本文采用国内首次引进的 “m i c 一8 4 0 0 1 型硬化混凝土孔隙结构分析仪 测定硬化混凝土气泡特征参数， 快速冻融试验测定混凝土试件的抗冻耐久性指数，通过大量试验得到混凝土气泡 间隔系数与抗冻耐久性指数的相关关系曲线，以此为基础对气泡间隔系数抗冻性 评价指标进行了细化，并提出基于混凝土气泡特征参数自动测试设备的混凝土实 体抗冻性后评估指导程序和方法。本文还通过试验系统研究了含气量、引气剂品 种、水灰比等因素对硬化混凝土气泡特征参数的影响规律，为抗冻混凝土设计、 引气剂质量评定、相关规范的制订等提供参考和借鉴。此外，本文在实验室内使 用高频振捣棒模拟混凝土高频振捣现场施工，通过高频振捣时间对硬化混凝土气 泡特征参数的影响规律，研究高频振捣对混凝土抗冻性的影响。结果表明，高频 振捣虽然造成较大的含气量损失，但只要振捣时间控制在合理范围内，有利于改 善引气混凝土的气泡结构，不会对其抗冻性产生不利影响。 关键词混凝土；抗冻性；气泡特征；引气剂；高频振捣 北京工业大学t 学硕士学位论文 a b s t r a c t c e m e mc o n c r e t ep a v e m e n t ，b r i d g ea n do t h e rr o a dc o n c r e t es t r u c t u r e sa r ef a c i n g s e r i o u sf r e e z i n g a n d - t h a w i n gd a m a g e s ，b e c a u s et h e yh a v es m a l ls e c t i o n sa n dl a r g e c o n t a c ta r e a s 晰t 1 1t h en a t u r a l e n v i r o n m e n t ，a n ds u f f e rf r o mb o t hr e p e a t e & yt r a f f i c l o a d sa n dp o o rn a t u r a le n v i r o n m e n ta tt h es a m et i m e b e s i d e s ，t h eu s i n go fd e i c e r si n w i n t e ra c c e l e r a t e st h e i rf r e e z i n g - a n d t h a w i n gd a m a g e s 。t oe n h a n c et h eo v e r a l ll e v e l o fa i r - e n t r a i n e dc o n c r e t ed e s i g na n df r o s tr e s i s t a n c ee v a l u a t i o no nc o n c r e t es t r u c t u r e s i nr o a de n g i n e e r i n g ，”m i c 一8 4 0 - 01a u t o m a t i ca i r - v o i dc h a r a c t e r i s t i c sa n a l y z e r ”w a s i n i t i a l l yi n t r o d u c e d i n t oc h i n at om e a s u r et h ea i r - v o i dp a r a m e t e r so fh a r d e n e d c o n c r e t e ，a n dr a p i df r e e z i n g a n d - t h a w i n ge x p e r i m e n tw a sp e r f o r m e dt ot e s tt h e d u r a b i l i t yf a c t o r s o ft h ec o n c r e t es p e c i m e n s o nt h ef o u n d a t i o no fe x t e n s i v e e x p e r i m e n t a ls t u d y , t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns p a c i n gf a c t o r sa n dd u r a b i l i t yf a c t o r so f c o n c r e t ew a sa d v a n c e d ，t h es p a c i n gf a c t o r sa sf r o s tr e i s t a n c ee v a l u a t i o ni n d e xa r e m a d em o r ep r e c i s e s p e c i f i c a t i o n s ，a n d t h e g u i d i n gp r o c e d u r e sa n dm e t h o d sf o r e v a l u a t i n go nf r o s tr e s i s t a n c eo fc o n c r e t es t r u c t u r e s 、航ma u t o m a t i ca i r - v o i da n a l y z e r a r ea l s ob r o u g h tf o r d li nt h ep a p e r m o r e o v e r , t h ee f f e c to fa i rc o n t e n t s ，a i r - e n t r a i n i g a g e n tt p y e sa n dw a t e r - t o c e m e mr a t i oo na i r - v o i dc h a r a c t e r i s t i c so f h a r d e n e dc o n c r e t e w a ss t u d i e dt h r o u g hal a r g en u m b e ro fl a b o r a t o r yt e s t st op r o v i d er e f e r e n c e sa n d g u i d e sf o rd e s i g n i n ga i r - e n t r a i n e dc o n c r e t e ，e v a l u a t i n go na i r - e n t r a i n i n ga g e n tq u a l i t y , m a k i n gr e l e v a n ts t a n d a r d sa n ds oo n a tl a s t ，t h eh i g h - f r e q u e n c yv i b r a t i o nr o dw a s u s e dt os i m u l a t ec o n c r e t ev i b r a t i o no ns i t et os t u d yt h ee f f e c to fh i g h f r e q u e n c y v i b r a t i o no nf r o s tr e i s t a n c eo fh a r d e n e dc o n c r e t e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t a l t h o u g hh i g h f r e q u e n c yv i b r a t i o nl e a d st oag r e a tl o s so fa i rc o m e m so fc o n c r e t e ，a s l o n ga st h et i m eo fh i g h f r e q u e n c yv i b r a t i o ni sa p p r o p r i a t e l yc o n t r o l l e d ，w h i c hc a n i m p r o v et h ea i rv o i ds y s t e mo fa i re n t r a i n e dc o n c r e t ea n dh a sn on e g a t i v ee f f e c to n f r o s tr e s i s t a n c eo fh a r d e n e dc o n c r e t e 、 k e yw o r d sc o n c r e t e ，f r o s tr e s i s t a n c e ，a i rv o i d ，a i r - e n t r a i n i n ga g e n t , h i 曲- f r e q u e n c y v i b r a t i o n i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：_ 眦一日期：塞! 堕：f 鱼 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 问题的提出与研究意义 随着城市建设以及现代交通的迅速发展，水泥混凝土被广泛应用于水利、交 通、工业与民用建筑等大型国民经济基础性设施和国防工程中，成为一种不可替 代的建筑材料。据初步估计目前全世界每年生产的混凝土材料超过3 0 亿n 1 3 ，我 国是混凝土生产和应用大国，混凝土的总产量约占全世界的4 0 ，高达1 2 亿 m 3 【。由于水泥混凝土具有原料来源广泛、制备加工方便、生产成本低，特别是 综合能耗低等优点，许多专家学者预言，2 1 世纪混凝土仍为最主要的建筑材料。 在道路工程建设领域，水泥混凝土也被广泛的应用在路面、桥梁及涵洞等构 造物的修筑中。随着道路等级的不断提高和交通的日益重型化，水泥混凝土路面 越来越广泛地在道路建设中得到应用，并逐渐成为我国道路路面的主要结构形式 之一。截至2 0 0 5 年底，我国建成铺装道路5 3 3 万公里，其中水泥混凝土路面3 0 7 万公里，占全部铺装道路的5 7 6 2 1 。此外，由于钢筋混凝土及预应力钢筋混凝 土等技术的发展，使得混凝土桥梁也得到了蓬勃发展，全国公路普查结果表明， 到2 0 0 0 年底国内己有公路桥梁2 7 8 8 0 9 座。 然而，随着水泥混凝土的广泛使用，越来越多的事例表明混凝土工程结构并 非都是耐久的，其使用使用寿命远低于设计寿命、过早破坏的现象已经屡见不鲜， 混凝土正面临着严重的“耐久性危机。这些因混凝土耐久性问题而过早“衰老 的工程不仅需要耗用庞大的重建与维修费用，还会造成间接经济损失和安全隐 患。混凝土耐久性问题已严峻地摆在我们的面前，必须引起高度重视，切实采取 措施以提高混凝土的耐久性。 冻融破坏是混凝土耐久性中最重要的问题之一。冻融破坏是指混凝土在饱水 状态下因冻融循环产生的破坏作用，在我国东北、华北和西北等严寒地区，几乎 l o o 的混凝土工程结构局部或大面积地都遭受不同程度的冻融破坏，有的工程 在施工过程中或竣工后不久即发现严重的冻害。经调查发现，混凝土的冻融破坏 不仅发生在“三北地区，在长江以北黄河以南的中部地区也广泛存在1 3 1 。水泥 混凝土路面、桥梁等混凝土结构物由于其自身断面小、与自然环境接触面积大， 同时遭受行车荷载和恶劣自然环境的双重破坏作用，面临着严重的冻融破坏问 题。特别是冬季为防止高速公路和城市道路上冰雪造成交通事故，有关部门经常 在路面或桥面上撤除冰盐( n a c i 或c a c l 2 ) ，除冰盐的使用进一步加速了道路混 凝土结构物的冻融破坏。1 9 7 8 年，美国国家材料顾问委员会提交报告指出：大 约2 5 3 0 0 0 座混凝土桥梁的桥面板，其中部分仅使用不到2 0 年，就已经出现不同 程度的破坏，而且每年还将新增3 5 0 0 0 座，混凝土冻融破坏是导致这些桥梁过早 北京t 业大学工学硕士学位论文 破坏的重要原因【4 】。北京市西直门立交桥：建成不到2 0 年，就多处出现严重病 害，加上交通流量的限制，不得不拆掉重建，其中最重要的原因就是撤除冰盐融 雪后盐冻造成的破坏所致。混凝土的冻融破坏每年都耗费庞大的维修重建费用， 甚至引发事故而造成巨大的经济、社会损失，威胁公共安全。因此，如何评估混 凝土的抗冻性和如何设计抗冻混凝土一直备受人们关注。 自2 0 世纪4 0 年代后期，工程界普遍认识到提高混凝土抗冻性最有效的措施 即掺加引气剂。大量试验结果与工程实践表明，通过引气剂在混凝土中引入大量 直径约为数十微米的稳定气泡可使混凝土的抗冻性成倍提高。硬化混凝土的气泡 体系特征参数对混凝土抗冻性有着显著的本质影响，表征硬化混凝土气泡体系特 征的参数主要有三个，即含气量、气泡比表面积( 或平均气泡直径) 和气泡间隔 系数，其中气泡间隔系数最为重要，而这三者之间又有一定关系。当含气量一定 时，气泡半径越小，则气泡个数就越多，气泡间隔系数则越小。气泡半径不变时， 含气量越大，气泡间隔系数值就越小，则抗冻性能越好【5 。因此，测试硬化混凝 土的气泡体系特征参数是研究引气混凝土抗冻性的有效途径和方法之一【6 】。 目前，在道路、桥梁等混凝土工程建设中，为了保证混凝土构造物具有设计 的抗冻性，通常所采用的方法是首先在实验室内配制满足设计要求的混凝土，然 后在施工现场浇注时根据有关标准要求留置试件进行抗冻性能检测。检测通常采 用的快速冻融试验方法，对一个能经受数百次冻融循环、耐久性良好的引气混凝 土来说，需要经历两三个月才能取得试验结果，试验周期长且需要设备、人力和 能源上的大量投入，而且这样往往造成质量控制滞后的情况【7 】。鉴于此，迫切需 要找到一个或数个更好的指标以方便、快捷、准确地评价混凝土的抗冻性。通过 测定硬化混凝土气泡特征参数来初步评价混凝土抗冻性优劣，从而达到控制和保 证工程质量的目的，无疑是解决这一问题的有效途径。气泡特征参数法与“快冻 试验”相比具有周期短、能耗低等优点，特别是基于图像识别的硬化混凝土气泡 特征参数自动测试技术的出现，使其具有相当广阔的前景，在国外已得到广泛应 用瞵j 9 1 。此外，建设部混凝土结构耐久性设计规范( 征求意见稿) 中还明确提 出“从现场的硬化混凝土可取芯测定气泡间隔系数，但不能用于抗冻耐久性指数 d f 的测定”，这意味着测定硬化混凝土气泡特征参数成为对混凝土实体结构进行 抗冻性后评估的唯一方法。 要使气泡特征参数法在混凝土抗冻质量控制以及混凝土实体抗冻性后评估 中得到推广应用，首先必须对硬化混凝土气泡间隔系数与抗冻耐久性指数的相关 关系进行系统研究，这是通过气泡特征参数对混凝土的抗冻性进行评估和研究的 基础。但硬化混凝土的气泡特征参数均属于细观层次的参数，以往只能通过显微 镜由人工观测计算得到，非常繁杂、费时，且误差较大。受测试手段等原因的局 限，我国在这方面的研究还不多见，试验数据很少或仅来源于国外文献，基础研 第1 章绪论 究的匮乏极大的阻碍了气泡特征参数法评估混凝土抗冻性在我国的应用。因此， 迫切需要结合我国混凝土原材料、配合比和引气剂的具体情况对硬化混凝土气泡 特征参数进行系统研究。 抗冻混凝土的设计是解决混凝土抗冻性问题的关键。影响混凝土抗冻性的因 素很多，主要有引气、水灰比、水泥品种、矿物掺合料、# i - n 剂等，其中引气最 为重要。掺加引气剂是提高混凝土抗冻性最有效的措施，但引气剂在我国还处于 推广阶段，特别是在道路工程混凝土结构中应用还不广泛，这与我国目前引气剂 种类和牌号众多，质量良莠不齐，使用过程中经常出现质量问题有重要关系【l 们。 因此，针对国内常用的引气剂品种，系统研究含气量、引气剂品种对硬化混凝土 气泡体系特征和性能的影响，研究水灰比对混凝土气泡体系特征参数的影响，对 指导引气混凝土的设计、推广引气剂在道路工程混凝土中的应用、提高道路工程 结构的抗冻耐久性能具有重要意义。 此外，混凝土工程施工中普遍使用高频振捣成型工艺，高频振捣使引气混凝 土的含气量大幅度降低，高频振捣对混凝土的抗冻性有无影响，会有怎样的影响， 正成为工程界疑虑的一个问题。通过研究高频振捣对硬化混凝土气泡特征参数的 影响规律，可以深入探讨这个问题。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究情况 2 0 世纪2 0 、3 0 年代，混凝土的冻融破坏就受到普遍关注，当时对混凝土的 耐久性进行了大量研究，初步确定了不同结构类型和暴露环境的混凝土应具有的 最大水灰比。 1 9 4 1 年，s w a y z e 首次发表论文阐述了引气可以改善混凝土的工作性，减少 泌水，提高抗冻耐久性。随后，掺加引气剂被证明是提高混凝土抗冻性最有效的 方法。 1 9 4 5 年，p o w e r s 提出混凝土冻融破坏的静水压假说，解释了引气混凝土抗 冻性得到提高的原因l l 。 1 9 5 3 年，p o w e r s 与h d m u t h 又一起提出了渗透压假说。这两个假说合在一 起，较为成功地解释了混凝土冻融破坏的机理，奠定了混凝土抗冻性研究的理论 基础，同时也为引气剂的大规模应用铺平了道路l i 引。 随后，p o w e r s 等首先开展了掺引气剂硬化混凝土孔结构的测试分析研究，提 出了气泡间隔系数的定义和计算方法。 2 0 世纪5 0 、6 0 年代，国外对影响引气混凝土中气孔质量和分布的因素进行 了大量研究。结果表明：水灰比、外加剂品种、振捣时间等均会对硬化混凝土的 含气量、气泡比表面积产生影响，水泥细度和细集料粒径也会影响引气的效果。 北京工业大学丁学硕士学位论文 提出气孔的分布特征是决定冻融环境下混凝土性能的关键，而不是总的含气量。 2 0 世纪7 0 、8 0 年代，基于热力学的分析，国外提出了很多模拟混凝土冻融 破坏作用的模型。其中，f a g e r l u n d 用模型描述了p o w e r s 静水压假说【i3 1 ，提出结 冰产生的最大静水压力与材料的渗透系数成反比，与空气泡间距的平方成正比， 与降温速度及毛细孔水含量成正比，空气泡间距是影响混凝土抗冻性的重要参 数。 2 0 世纪9 0 年代至今，研究的重点扩展到掺粉煤灰、硅灰、矿渣以及火山灰 的复合水泥混凝土的抗冻性上，更多地关注矿物掺合料对水泥浆内的孔结构、化 学组成等的改变程度以及对冻融机能的影响【1 和17 1 。 随着对混凝土抗冻性研究的深入，许多测试方法都被吸纳到混凝土抗冻性能 的评估中。归纳起来，主要可分为直接测试和间接测试两大类。直接测试法主要 指根据各种标准方法将混凝土试件在实验室进行冻融循环试验，女i j a s t mc6 6 6 等。间接测试法主要是通过测定混凝土试件的气泡体系特征参数、水饱和度等来 评价混凝土的抗冻性，如临界水饱和度法、气泡间隔系数法等。表1 - 1 和表1 - 2 对国外主要的抗冻性测试方法作了总结【1 8 j 。 表1 - 1抗冻性试验方法 t a b l e1 - 1t e s t i n gm e t h o d sf o rf r o s tr e s i s t a n c eo f c o n c r e t e 试件的形养护时间 标准测量参数测量技术评价标准 状及尺寸及条件 动弹性模量、共振频率、动弹模量不小于 a s t mc6 6 6 棱柱体水中1 4 天 耐久性指数 脉冲波速初始值的6 0 5 圆柱体 试件长度的 a s t mc 4 9 0a s t mc6 7 1 棱柱体水中1 4 天 变化 立方体 湿治室1 4每5 个循环改变0 - 5 级表观分 a s t mc6 7 2 平板天，实验室破损的深度溶液并作外观级：o 无剥蚀，5 1 4 天 评估，拍照 重度剥蚀 水中或湿弯曲共振频率，r e l f , tn o r i l 脚 棱柱体 治室内1 4长度的变化，抗n d t2 1 9 7 4 。 c o d4 天弯与抗压强度 应变计 j u sj o s强度不小于非冻 立方体水中1 4 天抗压强度 u m i 0 1 6 u m i 0 2 0 7 8融试件的7 5 第1 章绪论 表1 - 2抗冻性的间接试验方法 t a b l e1 - 2i n d i r e c tt e s t i n gm e t h o d sf o rf r o s tr e s i s t a n c e 测试方法 试件形状程序评价方式 测定临界水饱和 临界水饱和度法 度，及实际水 圆柱体 f ( ，) = ( ，) 一( ，) ( f a g e r l u n d ) 饱和度 间隔系数法 平板 盐冻气泡间隔系数、 2 0 0 用显微镜观测 l am ；非盐冻气泡间隔系数 a s t mc4 5 7 7 11 5 x1 5 0 5 c m 2 5 0um 棱柱体 1 5 x1 5 测定冻结时长度 线性形变法膨胀系数 1 1 o c m ， 的变化 或1 0 1 0 l o c m 气泡间隔系数法因为具有试验周期短、能耗低等优点，很多国家的规范都 引入了此方法，并规定了临界气泡间隔系数。如美国a s t mc4 5 7 - 7 1 ，将极限平 均气泡间隔系数定为2 5 0 p r o 。加拿大标准协会( c a n a d i a ns t a n d a r d sa s s o c i a t i o n ) 规定：对有除冰盐存在且暴露在冻融条件下的饱水混凝土，还应满足气泡间距的 相关要求，即：所有试验气泡的平均间距不应超过2 3 0 1 m a ；单个试验的气泡平均 间距不超过2 6 0 1 m a 。考虑到测试气泡间距采用“a s t mc 4 5 7 9 8 硬化混凝土中空 隙系统参数的标准测定方法 所带来的测量误差，c s a 推荐采用的最优值为不大 于17 0 p r o 。丹麦的d s 4 81 9 7 规定，严酷环境条件下对硬化混凝土进行气孔分析， 气泡的最大平均间距为2 0 0 1 m a 。此外，芬兰( 眦b 4 ，1 9 9 0 ) 还规定当混凝土为 结构部位且位于建筑物外表面时，要求混凝土中保护孔率大于0 2 0 ，所谓保护孔 率是指混凝土中对抗冻性有保护作用的孔与所有孔隙的比率【1 9 1 。 1 2 2 国内研究情况 早在上世纪5 0 年代初，吴中伟院士就强调了混凝土抗冻的重要性，并研制了 松香热聚物加气剂( 引气剂) ，应用于治淮水利混凝土工程，开创了我国采用引气 剂来提高混凝土抗冻耐久性的先河。 此后，水利水电科学研究院、同济大学等单位在混凝土原材料及配合比组成 对抗冻性的影响、引气剂的研制和推广、抗冻混凝土的设计等方面都进行了研究 工作。 2 0 世纪9 0 年代初，逐步认识到混凝土的气泡结构和间距是影响抗冻性的重要 北京工业大学工学硕士学位论文 因素，开展了气泡性质对混凝土抗冻性影响的试验研究。 李金玉认为对于大坝混凝土的抗冻性，只控制含气量和水灰比这两个指标是 不够的，必须加上气泡性质的控制指标，如气泡间距系数，耐冻混凝土的气泡间 距系数一般不超过3 0 0 “m 1 2 0 j 。 范沈抚进一步研究得出：混凝土气泡结构性质是影响混凝土抗冻性的根本所 在。混凝土的抗冻性随孔结构性质变化而变化，当孔间距系数小于2 5 0 b t r n 时，混凝 土抗冻耐久性指数基本能达到6 0 以上，即可经受3 0 0 次快速冻融循环试验1 6 j 。 许丽萍等认为混凝土耐久性指数取决于气泡间距和水灰比，而气泡间距又是 含气量和水灰比的函数。他们根据收集到的国内外试验数据，建立了混凝土耐久 性指数与含气量和水灰比的数学关系式，提出了定量设计抗冻混凝土的方法1 2 。 吴学礼、杨全兵等通过国内外文献采集的大量数据，划分不同的水灰比区间， 分别对含气量与气泡间距以及气泡间距与耐久性指数进行回归分析，然后整理出 不同水灰比区间耐久性指数和含气量的回归方程。建立了以d f 值为抗冻指标， 。 以含气量与水灰比为材料特征参数的混凝土抗冻性数学模型和抗冻性评估 1 4 1 。 为了与国际规范接轨，我国新颁布的标准与规范中针对抗冻性混凝土，在提 出含气量与抗冻耐久性指数的同时，也相应提出了硬化混凝土气泡间距系数指标 要求。如中国土木工程学会标准混凝土结构耐久性设计与施工指南 ( c c e s 0 1 2 0 0 4 ) 中规定：冻融环境下的引气混凝土，其气泡间距系数( 平均值) 在高度饱水、中度饱水和盐冻条件下宜不大于2 5 0 、3 0 0 和2 0 0 肛m 。气泡间距系 数为从现场或模拟现场的硬化混凝土中取样或取芯测得的数值【2 2 】。公路水泥混 凝土路面施工技术规范( j t gf 3 0 2 0 0 3 ) 中对路面和桥面引气混凝土的抗冰冻： 抗盐冻耐久性测定，也提出了最大平均气泡间距系数的要求团】，如表1 3 所示。 表卜3混凝土路面和桥面最大平均气泡间距系数( 1 a n ) t a b l e1 - 3m a x i m u ma v e r a g es p a c i n gf a c t o r sf o rc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t sa n db r i d g e s j _ 、芝竺 高速公路、一级公路其他公路 环境 冰冻2 7 53 0 0 严寒地区 盐冻2 2 52 5 0 冰冻 3 2 53 5 0 寒冷地区 盐冻2 7 53 0 0 综上所述，我国在硬化混凝土气泡体系特征对抗冻性的影响方面已经做了一 定的工作，但主要是按照水工混凝土试验规程( d l5 1 5 0 - 2 0 0 1 ) 规定的“硬 化混凝土气泡参数测定法( 直线导线法) ，采用显微镜人工观察计算的方式得到 气泡特征参数值，这种方法操作复杂、费时费力，而且受实验人员主观判断的影 第1 苹绪论 响。因此，很多研究都是基于国外文献的试验数据或者试验量很小、数据不多， 所提出的气泡间隔系数指标过于笼统，还无法为通过气泡特征参数来评价混凝土 的抗冻性，对混凝土建筑物进行抗冻性调查提供科学可靠的依据。 1 3 主要研究内容 本文采用国内首次引进的“硬化混凝土孔隙结构分析仪( 日本，m i c 8 4 0 0 1 ) 测定硬化混凝土的气泡特征参数，快速冻融实验测定混凝土试件的抗冻耐久性指 数，并在实验室内使用高频振捣棒模拟混凝土高频振捣现场施工。通过大量室内 试验系统研究了混凝土气泡间隔系数与抗冻耐久性指数的相关关系，含气量、引 气剂品种、水灰比等因素对混凝土气泡特征参数的影响规律，以及高频振捣对混 凝土气泡特征参数的影响规律等问题。以期对混凝土抗冻质量控制，混凝土实体 抗冻性后评估，抗冻混凝土的设计具有借鉴和指导意义。 全文共分6 章，除第1 章绪论之外，其余各章内容安排如下： 第2 章原材料与试验方法。 介绍原材料的技术指标，采用的试验设备、试验手段及试验步骤等。 第3 章混凝土气泡间隔系数与抗冻耐久性指数的相关关系研究。 综合考虑水灰比、引气剂品种及含气量等因素，通过大量试验数据得到混凝 土气泡间隔系数与抗冻耐久性指数的相关关系，从而对气泡间隔系数指标进行细 化，为通过气泡特征参数来评价混凝土的抗冻性提供准确依据。 总结提出采用气泡特征参数自动分析测试设备，来检验混凝土的抗冻质量以 及对混凝土实体进行抗冻耐久性后评估的标准程序和方法。 第4 章含气量和引气剂品种对混凝土气泡特征参数的影响研究。 研究同一水灰比条件下，新拌混凝土含气量对硬化混凝土抗压强度及气泡间 隔系数、平均气泡直径、气泡孔径分布等特征参数的影响规律。 研究新拌混凝土含气量相同时，引气剂品种对硬化混凝土抗压强度及气泡间 隔系数、平均气泡直径、气孔孔径分布等特征参数的影响规律。 第5 章水灰比对混凝土气泡特征参数的影响研究。 研究新拌混凝土含气量相同时，水灰比对混凝土气泡间隔系数、平均气泡直 径及气泡孔径分布等特征参数的影响规律。 第6 章高频振捣对混凝土抗冻性的影响研究。 研究高频振捣时间对硬化混凝土的含气量、气泡间隔系数、气泡孔径分布等 特征参数的影响规律，进而研究高频振捣对混凝土抗冻性的影响。 北京丁业大学工学硕十学位论文 1 4 本文组织结构 第1 章绪论 第2 章原材料与试验方法 第3 章混凝土 气泡间隔系数 与抗冻耐久性 指数的关系 第4 章含气量 和引气剂品种对 混凝土气泡特征 参数的影响 第5 章水灰比 对混凝土气泡特 征参数的影响 混凝土抗冻性评估li 抗冻混凝土设计 第6 章高频振 捣对混凝土抗 冻性的影响 抗冻混凝土施工 为混凝土抗冻质量检验、混凝土实体抗冻 性后评估、抗冻混凝土设计等提供指导 图卜1 本文的组织结构图 f i g 1 - 1t h eo r g a n i z a t i o ns t r u c t u r eo f t h ep a p e r 8 - 第2 章原材料与试验方法 2 1 原材料 第2 章原材料与试验方法 2 1 1 水泥 北京水泥厂有限责任公司生产的p 04 2 5 级水泥，其物理力学性能如表 2 1 所示。 表2 - 1 水泥物理力学性能 t a b l e2 - ip h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so f c e m e n t 细度( 8 0um标准稠度 凝结时间抗压强度 抗折强度 安定性 方孔筛筛余)用水量 h ：m i nm p am p a ( 沸煮法) 初凝终凝 3 d2 8 d 3 d2 8 d o o2 7 4 2 ：2 5 3 ：5 5 3 1 35 1 45 o9 2 合格 2 1 2 粉煤灰 山东德州粉煤灰厂生产的f 类i 级粉煤灰，其技术指标如表2 2 所示。 表2 - 2 粉煤灰技术指标( ) t a b l e2 - 2p h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ff l ya s h 细度( 4 5 um 方孔筛筛余)需水量比烧矢量 6 89 00 7 2 1 3 细集料 天然细砂和机制砂配合使用，细砂为河北三河产i i 区中砂，机制砂属i 区粗 砂，其技术指标如表2 3 所示。 表2 - 3 细集料技术指标 t a b l e2 - 3p h y s i c a lp r o p e r t i e so ff i n ea g g r e g a t e 含泥量泥块含量表观密度 种类细度模数 k g m 3 细砂 2 41 1 o 22 7 0 0 机制砂 3 53 oo2 6 0 0 2 1 4 粗集料 河北三河产碎石，其技术指标如表2 4 所示。 北京丁业大学工学硕士学位论文 表2 4 粗集料技术指标 t a b l e2 - 4p h y s i c a lp r o p e r t i e so fc o a r s ea g g r e g a t e 颗粒粒级含泥量泥块含量针片状颗粒含量压碎指标 m m 5 2 50 4o 34 46 3 2 1 5 减水剂 s h p 1 缓凝型减水剂，其技术指标如表2 5 所示。 表2 - 5 减水剂技术指标 t a b l e2 - 5t e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n so fw a t e r - r e d u c i n ga d m i x t u r e 减水率泌水率比含气量收缩率比对钢筋锈 抗压强度比 蚀作用 3 d 7 d 2 8 d 2 16 52 o1 0 5 无锈蚀 1 4 51 3 71 3 1 2 2 试验方法 2 2 1 混凝土拌合物含气量试验 混凝土拌合物的含气量，参照公路工程水泥及水泥混凝土试验规程( j t g e 3 0 - 2 0 0 5 ) 中“水泥混凝土拌合物含气量试验方法”的有关规定，使用日本s a n y o 直读式含气量测定仪测定，如图2 一l 所示。试验前要先对含气量测定仪进行标定， 试验时擦净经标定好的含气量测定仪，将拌好的混凝土拌合物均匀适量地装入量 钵内。用振动台振实，振捣时间控制在1 5 s , - , 3 0 s 。刮去表面多余的混凝土拌合物， 用镘刀抹平，并使表面光滑无气泡。擦净量钵边缘，盖严钵盖，保持不漏气。关 好操作阀，往气箱中打气加压至稍大于o 1 m p a ，然后用排气阀调整压力表至 0 1 m p a 。松开操作阀，待压力表指针稳定后，读出含气量值。以两次测值的平均 值作为试验结果，如两次含气量测值相差0 5 以上时，应找出原因，重做试验。 2 2 2 混凝土抗压强度试验 混凝土抗压强度，参照公路工程水泥及水泥混凝土试验规程( j t g e 3 0 - 2 0 0 5 ) 中“水泥混凝土立方体抗压强度试验方法”的有关规定进行测定， 如图2 - 2 所示。按照混凝土试件成型与养护方法的有关规定制作试件。到达龄期 时，从养护室取出试件，将试件擦拭干净，测量尺寸，并检查其外观，当试件有 严重缺陷时将其废弃。将试件放在压力机下压板正中间，上下压板与试件之间垫 以垫板，试件的承压面应与成型时的顶面相垂直。开动试验机，使试件受压均匀， 以0 3 m p a s 0 5 m p a s 的速度连续而均匀地加载，当试件接近破坏而开始迅速变 形时，停止调整油门，直至试件破坏，记录破坏荷载。试验采用边长为l o o m m 的立方体试件，试验结果分别乘以换算系数0 9 5 。混凝土立方体抗压强度按由 第2 章原材抖与试自法 公式( 21 ) 计算( 准军0 1 m p a ) 。 口 正。= 壬 ( 2 一】) 式中厶抗压强度，m p a ： 尸破坏荷载，n ； a 试件承压面积，m m 2 以三个试件测值的平均值作为该缀试件的抗压强度试验结果。当三个试件强 度中的最大值或最小值之，与中间值之差超过中间值的1 5 时，取中间值。当 二个试件强度中的最人值和最小值与中间值之差均超过中间值的1 5 时，则该 组试验重做。 圈21s a n y o 直读式含气量测定仪 f i g2 - is a n y oa i rc o m e n t t e s t e r 2 2 3 混凝土抗冻性试验 图22 倔凝十抗压强度试验机 f i 9 2 - 2 c o m p r e s s i v es e e n g t ho f c o n c r e t e t e s t e r 混凝土抗练性试验，参照水工混凝土试验规程( d l t5 1 5 0 2 0 0 1 ) 中“混 凝土抗冻性试验”和“混凝土动弹性模量试验”的规定采用快速冻融法，试验 设备为d r 2 型混凝上冻融试验机( 见图2 - 3 、图2 - 4 ) 以及d t 一1 0 型动弹仪( 见 图2 - 5 、图2 - 6 ) 。 按“混凝土试件的成型与养护方法”成型和养护试件。试验以三个试件为一 组，试件在标准养护2 8 天龄期时开始冻融试验，试验前4 天把试件从养护地点 取出，放在2 0 3 的水中浸泡4 天。而后将已浸水的试件擦去表面水后，称初 始质量，并按“混凝土动弹性模量试验”测量初始自振频率，作为评定抗冻性的 起始值，同时做必要的外观描述或照相。随即将试件装入试件盒中，注入淡水， 使水面浸没试件顶面约2 0 i 【l i n ，开始冻融试验。一个冻融循环历时3 h 左右，试验 过程中试件处于饱水状态，试件中心温度控制在( 一1 7 _ + 2 ) ( 8 2 ) 。每 做2 5 次冻融循环对试件检测一次，以相对动弹性模量、质量损失率和相对耐久 性指数来评定混凝土的抗冻融性能。 北a i # 工十 * i 冻融试验m 现咀下三利叶青* 6 之一者停l 【= 试验： ( 1 ) 谁融至3 0 0 次循环； ( 2 ) 柏埘动弹陀模量f 降至初始值的6 0 ： ( 3 ) 质若投失率达5 。 相对动弹性模量p 可由公式( 2 2 ) 训算： ，：乓1 0 0 盯 ( 2 2 ) 式中 严一经n 次冻融循环后试什的相对动弹性模量( ) ； ，一冻融次循环后试件的白振频率( h z ) ； ，o 试验前试件的自振频率( h z ) 。 质量损失率“j 由公式( 23 ) 计算： ：堡二堕1 0 0 m a ( 2 - 3 ) 式l lr 1 次珠融循环后的试件质量变化率( ) ： 冻融试验前的试件质量( k g ) ： n 玖冻融循环后的试件质量( k g ) 。 相对耐久性指数d f 由公式( 24 ) 计算： d f = p n 3 0 0( 2 - 4 ) 式中胛经n 次冻融循环后的试件相对耐久性指数( ) ： 一按规定停止冻融试验时的冻融循环次数： ，一经n 次冻融循环后3 个试件的榍对动弹模量平均值( ) 。 图2 - 3d r 一2 型混凝上冻融试验机 f i 9 2 - 3d r of “g z n d - l h 州n g t 哪 o f r e 【e 圈2 4 冻融试验机内部 f i g 2 4 i n s i d eo f m e f r z i n g a n d t h a w i n g t e s k r 第2 原材 与h 嶝女法 国2 - 5 们一1 0 型动弹仪 f i 9 2 5 d y n a m i c m o d u l u so f e l a s t i c i t yo f c o n c r c kt 0 $ t c r 2 2 4 硬化混凝士气泡特征参数试验 图26 动弹性模量测试试样 f i g2 f h es p e c i m e n f o r d y n a m i c m o d u l u so f e l a s t i c i t yo f c o n c r e kt e s t i n g 2 241 试验设备 m i c 一8 4 0 一0 1 型硬化混凝土孔隙结构测定仪( 见图27 、罔28 ) ，是我国首 次引进的混凝土内部微观构造自动分析钡4 试设备。该设备可自动测定硬化辊凝土 内部的气泡特征参数( 例如气泡个数、气泡间隔系数、气泡孔径分布、平均气泡 直径、比表面积等) ，还可咀通过人工设定将引气气泡和非引气气泡分开进行分 析，从而给出混凝土孔隙结构的定量描述。同时该设备可加快混凝土气泡分析速 度，减小混凝土气泡测试中的人工品差和实验误差，提高测试精度和速度，可测 定气泡 l 径的直径为99 1 7 岫2 1 8 57 4 0 p m 。该试验设备的性能指标如表2 - 6 所 不。 图2 7 硬化混凝：k , l 隙结 勾分析仪 f i g2 - 7 a u t o m a t i ca n a l y z e r f o r a i r _ v o i d s y s t e mo f h a r d e n e dc o n c r c t e 图2 - 8 硬化混凝土气泡分布的数字图像 f i 9 2 - 8 i m a g eo f t h ea i rb u b b l e s i nh a r d e n e d e o n c r e l e 北京t i k 大学丁学硕士学位论文 表2 6 试验设备的性能指标 t a b l e2 - 6t e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n so fa u t o m a t i ca n a l y z e rf o ra i r - v o i ds y s t e m 标准配置名称技术参数及规格要求 画像处理设备和软件 左列设备经组装后成为测定硬化混凝土孔隙组织的专用设 显微镜 备，各仪器技术参数及规格应符合实验精度和集成组装的要求。 高感度c c d 照相机 主要设备的技术参数如下： 紫外线照射装置 c c d 照相机：解像度h 6 7 0xv 4 8 0 ； 两轴试样平台 两轴试样平台及设备控制器：移动范围6 0 m m ，最小移动 设备控制器 单位0 0 0 1 m ； 画像显示器 可测定最小孔隙直径：5 1 m 。 计算机和打印机 2 2 4 2 试验设备的关键测试参数 ( 1 ) 圆形度：用来刻画物体边界的复杂程度，由( 4 兀面积和) ( 外周 长) 2 计算得到。当物体是圆形时，此值为最大( = 1 ) ，物体细长时此值就会变 小( 圆= 1 、椭圆 4 兀f l 2 ( = a ) 只有该图形为圆形时等号才成立。 通过圆形度的设置，将形状不规则、圆形度小于设定值的孔隙剔除。 ( 2 ) 像素删除标准：像素( p i x e l ) 是构成数码图像的最小单位，它是一种 虚拟单位，通过图上像素与实际距离的比值来实现对距离的标定。通过像素删除 标准的设置，将直径小于设定值的孔隙剔除。 圆形度和像素删除标准小于设定值的孔隙，往往是搅拌或振捣过程中形成 的，并非引气剂引入的空气泡。 ( 3 ) 二值化阈值：即对图像进行二值化处理所确定的最佳阈值。通过二值 化阈值的设定，可使系统准确识别到空气泡的外边缘。 混凝土试样的测试范围为6 0 m i n x 6 0 r