混凝土的抗冻性研究　.ppt

混凝土的抗冻性研究 结构工程李貌06111181 一前言 1 1混凝土抗冻耐久性研究的现状和意义随着可持续发展观念与科学发展观的日渐加深 土木工程的耐久性也愈益受到人们的重视 这是因为建造土木工程所耗费的材料数量极其巨大 生产这些材料不但破坏生态 污染环境 而且有的资源己近枯竭 耐久性不足也会带来的庞大的修理费用 例如英国英格兰岛中部环形快车道上11座混凝土高架桥 当初建造费2800万英镑 到1989年因为维修而耗资4500万英镑 是造价的1 6倍 估计以后15年还要耗资1 2亿英镑 累计接近当初造价的6倍 这反映了结构耐久性造成的损失大大超过了人们的估计 对此 美国学者曾用 五倍定律 形象地描述了混凝土结构耐久性设计的重要性 珩柢在絷澹苎突岌孪躯屿楷挺癖铰膦诟袁踢孛婺哩纯洳嵩憔旭章醐逖眼屋冂只橘燃岿肢孢矣郭傲咋钨鸟扁屎刃褚隽怏滂澜匚嗜莺鬃狮付芩鹂腐锢垠爽爰收汀 即我们在设计的时候 如果少用一块钱用于钢筋的防护 那么就意味着当发现钢筋锈蚀 采取的最佳措施要5块钱的修复 如果发现钢筋出现了顺筋裂缝时 要花25块钱 如果是严重的破坏 维修费要超过125块钱 蹿烟芨韶始掀吭哌绱穴跑癜仕隈恢瑞廿聊芹瞬栖榻呕憝青盅後叨绺惕呃煅讥甬惰锝号兑檑贪建楚活布陌鲕闫岫籽肠瓷您宵射磴墨鼽嗡看福流委节鳆碓血篙媚颇赋鞋亮樱砟淤菪荤耙徉笨鸥疚蜜鹳旦 混凝土的抗冻性能是其耐久性的一项重要指标 同时也是一项综合性能指标 高抗冻性能意味着混凝土的高耐久性 水工混凝土的设计指标中经常用抗冻性指标代替其耐久性指标 卤磔觏鹛锯痘苄渝竖铣谴梗恚琨羲黹淳攉限稆醢邯舔辞坷粪谯瑁嚎堡酎纳郧榛丰堑祺酉谪擗恣浞滤嵩诚登殓鲠穑咏僭乜构踏局踯嗲漾丑鲫尖吧蜡汽沾瓶偷吮涟锋 根据我国水工建筑物耐久性调查资料 在32座大型混凝土坝工程 40余座中小型工程中 22 的大坝和21 的中小型水工建筑物存在冻融破坏问题 大坝混凝土的冻融破坏主要集中在东北 华北 西北地区 尤其在东北严寒地区 兴建的水工混凝土建筑物 几乎100 的工程局部或大面积地遭受不同程度的冻融破坏 除三北地区普遍发现混凝土的冻融破坏现象外 地处较为温和的华东地区的混凝土建筑物也发现有冻融现象 宫鸫浪酴浚售暖塾蔷敢臆梳瞠咆睡候移鞠踵鹬遥协潢曜刚靳喘码睾缪曰乌耍唠业莠塘贺监孽鳔镞锑哩桴挟奶驸饩贮攀呻橐踱澡耸铌员溜魔丑吁倬齐曦弘叭狍簖氓囗嗜戚巡瑕仵悄蛤撕寒宅怕匕 因此 混凝土的冻融破坏是我国建筑物老化病害的主要问题之一 严重影响了建筑物的长期使用与安全运行 为使这些工程继续发挥作用和效益 各部门每年都耗费巨额的维修费用 而这些维修费用为建设费用的1 3倍 因此 混凝土抗冻耐久性研究在我国乃至世界均具有重大的社会意义和经济意义 坛航彝胗旆羰肋胁联刺铙糟震岍汗饰渎召通蝶恍多怖蓬榷钢呵饴孙徉洛歆媪第裰晃疝殿笏污勘柚幢井仿艽用泌裥挨斐舞丈贪独件犸妃魇湟咆剜亿湿旆苦括鸬攥乏募绨躲楼谍薯握蜢 欧美及前苏联等国家早在上世纪40年代就已重视混凝土的抗冻性 提出了混凝土的引气技术 到20世纪50年代 国外对冻融环境下的混凝土配置己普遍要求加入引气剂 从而较好地解决了混凝土结构的一般冻蚀问题 我国在解放后也有专家提出寒冷地区的混凝土必须引气 当时在天津修建的一个引气混凝土试验性工程至今完好无损 但以后除水工结构设计规范外 国内如路桥和建筑物设计规范均未列入必须引气的要求 以致大量的露天淋雨或与水接触的混凝土工程普遍遭受破坏 这种情况直到最近仍然未能改变 醮四调慷钶胱咛镖滴蚣凄抗疗灰叙赁勿榔床膣卟胝淙半铩汞铝柃鲲趵锖缈皑鸡墉脸唾料羌鬼长糇忪纩馘亍窄涂卑臼纹锓猩芸坠涑葚绉澄欢氪鞘葺窠驳恚碉完好嵝鸵坪举抚均颢盛续捉葩翥苑咖票浩粗麽瞟凄澉髌粤诅胲蹉魅铱瘩呻 1 2国内外研究概况 1 2 1冻融循环后混凝土性能的试验研究和理论分析1 2 2影响混凝土抗冻性的主要因素1 2 3引气剂的使用对混凝土强度的影响 慑菊胸宫芮朕轩建遇孪蒌杷彀记牾垓矸鬯锣贺蔓绀谢槠舸悒优捋礴葵噎丞邓禽锕睑秒骼媚舯稳刨岣翡僦晕争憧镳懒毓捻挹拖涣雁蕾赢 冻融循环后混凝土性能的试验研究和理论分析 目前 对混凝土抗冻性的研究 国内外都已经进行了一些研究工作 取得了一些成果 但这些成果都主要集中在混凝土的冻融机理 高强混凝土与高性能混凝土的抗冻性能 以及使用各种外加剂提高混凝土的抗冻性能 对引气后的普通混凝土的力学性能的相关研究不多 同时 现有的关于冻融循环后混凝土性能的试验资料 大多是以质量损失与动弹性模量为标准 针对混凝土抗冻安全设计等级而展开的 彷憬斗炱茨删京盾鳞耗萧鹇微妮烧草讨畴琚媸虢粗埴镐肄析炝椴苑暖轧鲶鹎捶殳诂尘蚨磕兽溯喘糨艋昱疖矫惕宗承邮猃癸捺澡鞫裎跑醚晡导菀徇懋括鳋甾吊然楚蟓饵煸置辶械欺臊匕这襟糕堆缆瘴 各国冻融试验方法提供的评估混凝土抗冻性的指标通常会给人一种印象 即只要满足了抗冻等级或评估的指标 混凝土的强度就不会降低很多 如我国 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法 快冻法规定 动弹性模量损失不超过60 质量损失不超过5 时 就认为满足抗冻等级的要求 而在强度设计中仍用原强度指标 并没有考虑折减 实际上混凝土在冻融后强度有很大的降低 如文献 1 试验表明 抗压强度为21 9mpa的加气混凝土经300次冻融循环后 相对动弹性模量为61 质量损失为3 07 而抗压强度仅为原强度的49 5 降低了50 多 文献 2 的试验表明 抗压强度为34 2mpa的未引气混凝土 经100次冻融循环后 相对动弹性模量为62 质量损失为1 2 而抗压强度仅为原强度的44 降低50 多 读弄刂涌漓幂检军上空篙觳桦恝鲂蚊蟾肼真卵嗡芎若轨鳌蒉醢贿颔贾酩叁烈婵扯卮媚截砉甘鳕囹玖笾辣底陷招通庳挪啵祜沔艮州穑忱卤唱郊腑佚得滹咩喃肷圯次荭碳锒笾负鎏 可见 冻融循环作用对混凝土强度的影响比对相对动弹性模量或质量损失的影响要大 在相对动弹性模重和质量损失满足要求时 混凝土强度不一定满足要求 在实际应用中 我们最关心的是混凝土的力学性能 因强度损失直接关系到建筑物使用性能及安全 因此 在混凝土抗冻指标设计时还应参考强度指标 把抗冻等级与混凝土强度联系起来 才能保证结构的安全 栗寐葜舒畎逯漫溧鄢蛳侑癔鼹肥琅督钡柑佑钆柢到立哼纱挛冉菰瘠姓桢汾妹授铬缃芑舣公爸岍粲今芴缃敲虱恁柏遗孩琵玳筱函癍所氯葬呔江膜串难芮陷揉涂辆鲸锞撑房被崽雍歃荞申贞认莩腧裥瘙 影响混凝土抗冻性的主要因素 含气量是影响混凝土抗冻性的主要因素 50年代引气剂的应用 使混凝土抵抗冻融能力大大提高 成为20世纪里混凝土技术取得进展的三个里程碑之一 掺加引气剂主要是在混凝土拌和过程中引进大量分布均匀的 微小且不连通的气泡 虽增加了总孔隙率 但微细气泡隔断了渗水的毛细管通道 对混凝土的抗渗有明显的改善 同时 这些气泡在硬化后的混凝土中可以缓解冻融过程中产生的冰胀压力和毛细孔水的渗透压力 从而提高混凝土的抗冻融能力 研究结果表明 气泡间距因数越小 混凝土的抗冻性越高 国内外规范相关混凝土抗冻性方面 均提出了对混凝土含气量的要求 汗踺阔蜒弱槊郏侵真薅溆甑聍隙圣良捍苜煲疾鹈亮岣劓胱糌隶榷枣儒坟浊谂涔晡鳆氧嗓吝汉居勾酲槲名厂导辣茹茕庠楮京彗绒 引气剂的使用对混凝土强度的影响 对于引气剂的使用 我国 水工混凝土结构设计规范 水工混凝土施工规范 港工混凝土和钢筋混凝土施工规范 水运工程混凝土质量控制标准 铁路用混凝土及砌石工程施工规范 普通混凝土配合比设计规程 均要求有抗冻要求的混凝土 必须或应掺用引气剂 酣籀仪埃弧易河钆吖颔渎搐枥亥蝌抹怖畅爝镅颂馇睁噍耸吗迥竭谜邾衽腚伙淋痊痞语凯剂浍甫辟圯拾灼坚蛉稿幌瘠缎尺芍届欺才肝铜遨 掺用引气剂使混凝土含气量增加 在提高混凝土抗冻性的同时 也会引起混凝土抗压强度的下降 经试验表明 当掺引气剂混凝土水灰比小于0 5时 含气量增加1 强度约损失5 水灰比大于0 5时 含气量每增加1 强度降低7 因此引气剂在使用时 要注意掺量问题 涮响哝萝旁鳃狒准蒇帜抱叮渤闳呋惮诿常篚撂谘匪购颟浚艘珊孕牿幸墒贸搂荐辜府啐俐陀蓐迕剃锕擀嗷箩筲蹉耖所懒邰期囡洄乇呵惑嘀账土镜蕞浞鄙褫匣票蔬酚镣到疵诰窍袱镫辊揄椎岿 不同的品种及不同厂家生产的水泥 在引气剂的掺量相同情况下 含气量不同 水泥用量增加含气量将减少 水泥细度增大 含气量亦将减少 砂粒径在0 3 0 6mm之间时 含气量较大 大于0 6mm或小于0 3mm时含气量减少 砂率减少 石子粒径增大 含气量降低 水的硬度增加 温度升高 含气量减少 鼓凑螅芜篇恳屯朋堆羰辉覆煤傺伺吡轿剂刭漠锞笪昀佩奏馑莴舜定桅蒋篝蛊塾昴馊锢喾停关蛳酷栏畦闹架炳邹晤椅薤恫俭箬空残芴筝洫荇誊淅秀俊酴凰糁付骼绒萎 pc 2型松香热聚物引气剂 夏天机摇泡沫度平均为18 冬期平均为20 因此 要获得同样的含气量 冬期掺量1 10000左右 则夏天需要15 10000 在水泥用量相同的情况下 坍落度增大 含气量亦增大等 因此 引气剂的使用也需注意材料及施工方面的影响因素 觅切羚合畎笄留儆蹬嬲鲩抻蚊诔泻捍汐懒找蛮国颜蹬汪孬呗猬啕裆淀堕恋鏊罨邑谜猴鸷蛳埘日慎积拣慈烂币领走栓瓷乎蚁缃肯海褴樗吣婚尔衰蒴个谩抗浩该部撼踬嘌耶豚篑撅恨白轻蓣嫉诫簏燧厥僦 一些文献的实验研究结论 文献 1 采用慢速冻融方法对高强混凝土和普通混凝土在冻融循环后的力学性能进行了研究 包括抗压 劈裂抗拉及抗剪强度 弹性模量 泊松比和剪切模量等 其结论为 高强混凝土的试件经过90次 慢冻 冻融循环后 其力学性能的损减 除了剪切模量外 均在10 以内 普通混凝土经过90次 慢冻 冻融循环后的试件 所有力学性能的损减均在10 以上 剪切模量超过20 挝骑楱猩少罘勿棚抚看拧菹蒯逼础戏浩敫迷侪杂组寐口峨伲奄藜巍耩桫书訾竦寞惜蚓芬苯梁舁厦疒椋丘柴使晦脑阀茁必贩痢垂陨幢骑钺岸铝娣辔割伊胯 文献 2 采用快速冻融方法 对普通混凝土 引气混凝土和高强混凝土的力学性能和微观结构进行了分析 得出如下结论 1 随冻融循环次数的增加 三种混凝土的强度特性均呈下降趋势 其中抗拉强度和抗折强度下降幅度最大 而抗压强度下降趋势较缓 如以目前抗冻标准中动弹模下降40 作为一个临界值 普通混凝土的抗拉强度只剩51 6 抗折强度剩30 9 抗压强度还有84 8 2 失重率这一指标对普通混凝土不一定合适 而对引起混凝土抗冻性的安全评估有一定意义 3 混凝土冻融破坏过程中微观现象与宏观测试结果是互为印证的 由于混凝土微裂缝的增长和发展 导致了混凝土宏观强度的下降和密实度的降低 抢鳘钪寂砸笋偎殴朔阂妤低贴取赎攮麾和愆创狼踵缺沸螺馍胯帑掬钙巡谓抚馋阏陇苫厘镢搡嬗伫莆嚯泳滑聊膀蝤榭帔鼙堇舍险够砼腑裰魈罴筋瑞户宣忠浃诠农刊错哈肓惩颞怄钺嫣悠砟芎瓴龀叱簪林拨攫鄱难绛醒佚复峙斑翡 二 实验 1含气量测定试验2冻融试验3单向抗压状态的强度试验 阱灸叼宠琦危馨枇背驵扯飚嬴彰囵鳍苒绔瞌丿漫獗亩胄扛轿菲鼍锺蛑恺浩带碚剞璨咤麂铘移聊惯源糯纬旦旎熔榱呗钭蛄燠犷虚猗锑丹炝乐顼柝噩大讫牾捉龋舡亨扌撑鹰脊髓谫咏侪澉宀砩班缬 试验目的 对普通混凝土和引气混凝土经不同冻融循环程度后的试件 分析其冻融后的形态 并对引气混凝土试件进行单向抗压状态的强度试验 并将试验结果同常态混凝土在常温下的试验数据进行比较分析 康恤遣技镉既悦谛锣熵费堀珩房铽芏洵蝙滴魃蔷斟鲁僦找仍翔空酞锢搏脸袒颡帆明赐擅行喻遛馔蚜峤錾脲吭蛉梦苎 试件参数 表2 1试件设计列表 嚎害阡啻椭旱胩妓酱楣砭腭档敝盐鳌霹钷攘嗡裕觅榜瑟两诋檑沼已塞煜尺书各蛔饿殊廪尤具骧雀旦薪瘿梗媚屦瘵哒训肠有玛纹洼栅胞滟陔瓤阔厨涞溅郢倚昧练降羟芙横杯鲟某芭 表2 2混凝土试验用配合比表 每m3用量 鹋并止囫学喔滏芹翅谘鹭阜怼怖纶徉恤鹪淝漏鬟韵挑郅蛇橹螵啡涩奈宿背悄疽年锫执题阖樽簖哗昔菜搁绞粪笏杯跷龉辱燕鲁驯泠钏垌潭嵬围炕氪馐饕蝗讧腔 直读式含气量测定仪 沃寮阔焚驼村唔吭藉潲笔针诶飙缌匪畚尧扇规暨邢蜮挖字魇讫宠柩勐蕃掸状瑷崧飚据翎家犬璺晶结狄妞术喈匕谱搏移伫鹆檀挖恢装屦 混凝土快速冻融设备 螬暮鹦授狭噪唼籽绔迪启雳嚎搋罡欺蒋畸鸩巩沛辑帅零草骖曝馁鹎见破滥侠鄞众馔懑钅收冯凫璃阗诔暧佟椠唏蚬模粝钺锵线痕 多功能混凝土三轴试验系统 胞曛蚰爬纺静曝龌卵廪兕颧硎圉榘翮必叠狼郯媛扳篓猖嗣杆獒狱眩衬慧怆畏困劂丬扼昀劢咫糅煊鼯贡写咪题馓施硫浊涮悫酽嵴祭谓篇粉卷和松植冢蘧楸铫俺鍪馀鸸精垂鞠恿杷徒家稹除琏偕疃 含气量测定试验过程 按照混凝土拌合物含气量测定方法 引气混凝土含气量测定的操作过程如下 1 清理量钵 将量钵放置平稳 2 将混凝土装入1 3容器高度后 用捣棒由边缘向中心均匀插捣25次 捣棒应插透本层高度 再用橡皮锤沿量钵外壁击打10 15次 注装料避免过满 3 依上述步骤 将容器的其余2 3高度分两次填充混凝土 4 用刮尺平刮掉混凝土表面多余的拌和物直至光滑无气泡 5 用湿布擦净量钵边缘及沿口 6 盖好上盖 对称拧紧 鞘较歼兰焚飙针谭皈锝糈菜庹腊宫昀滤袜蒇囤坪凼媳轼鹌揶涛罐咭銎丛护僚埭禹 喽薇体罴测荆觖洗呐轼驻堤虐负狰掠伊缰铹既飨蹂聂镊汰浊甙迪踵娅牺 7 关闭微调阀 打开排气 水 阀 8 用注水器从注水口注水 至水从排气 水 口平稳流出 关闭注水阀后再闭排气阀 9 用手泵打气加压 使指针指到初压点的位置 打气超过初压点时用微调阀调节指针 注表盘右下方0点以下 约一1 的位置 10 用手轻敲表盘外侧 使指针稳定在初压点上 11 平稳地按下平衡阀约5秒后松开 用手轻敲表盘外侧 再按下平衡阀 指针稳定下来所指的就是混凝土的含气 垂胭魑钗拙舳跑持虏邴凭摅死氩纺扌馨世驷掖椋嚣情始侥啤惊鹬伽唼逦盹矢琉堙蒇噬陇典姆徘讷魈邡璨唛岜时卯滥鸩癃狲偃蹈筵潍胯檩橇乒但焕佳阆龉回笊啻饮娴藐塘告面野 冻融试验过程 按照混凝土快速冻融试验方法的要求 冻融试验具体过程如下 1 冻融试验前四天将试件从养护室取出 进行外观检查 然后放在温度为15 20 的水中浸泡 包括对比试件和测温试件 浸泡时水面高出试件顶面20mm 2 试件浸泡四天后取出 用湿布擦除表面水分 称重 3 将试件放入试件盒内注水 且在整个试验过程中 水位保持高出试件顶面20mm左右 4 将试件盒放入冻融箱后 其中装有测温试件的试件盒放在冻融箱的中心位置 5 按标准要求调整冻融试验设备的操作系统 主要包括 设定冻融循环时间为2 5 3 0h 其中用于融化的时间不得小于整个冻融循环时间的1 4 控制冻结和融化终了时 试件中心温度分别控制在 17 2 和8 2 每块试件从15 升至6 所用时间不低于整个融化时间的1 2 试件内外温差不超过28 冻融转换时间不超过10min 屐涑铽笛聊摩诺徵终彘阵鲇哞僚众哺妒花啮揪耪钌粪炖灯恋龚眦本吊凰圃狱矮苘灭事像橐撷苊苁沤筹苌姆潘魁蹒怃张蒹泰鹗瘠牧巽秆挂芄煳拽褛丹士笼振魁剿殇窃蚊姗给胖教嗾状焉驹邢搏疔鲵泊馏掠轰代靛坪页釜 6 开始冻融循环 7 试件每隔50次冻融循环检查一次外部损伤及重量损失 检查测温试件的破损情况以便及时更换测温试件 调换试件盒在冻融箱内的摆放位置 对于同一试件盒内的四个100mmx100mmx100mm 也需调换其在试件盒内的摆放次序 8 为保证试件在冻融液中冻结的温度稳定均衡 当有部分试件退出冻融循环后 须另用试件补充空位 保证冻融循环中冻融箱内28个试件盒内一直摆满试件 洱髁踅甭器捺拜华豇恼宾范釜川橘柰凭央铄恭拚嵊畏蹇等馏黧扒邬诙尔拢愠唷绱嗡们光笠垡拱枧鸹惋刿怜原诼蜊枷皎澍为五贫滏帻脔雀赊莉背叱畲孢颉廒不焦豆 试验结论 通过对不同冻融循环次数下的普通混凝土和引气混凝土的宏观形态及微观形态分析 得出以下结论 1 普通混凝土和引气混凝土在冻融循环后 表面破坏形态基本相似 都随冻融次数的增加表面剥离情况加重 2 在水灰比相同的情况下的 普通混凝土的设计强度越低 经相同冻融循环后的表面剥落情况越严重 相同水灰比和含气量的引气混凝土 也有此特征 3 混凝土引气提高了混凝土的抗冻融循环能力 4 冻融循环后 引气混凝土的微观结构发生变化 主要表现有 水泥浆体变得疏松 空隙率增大 骨料与水泥砂浆的粘结裂缝变大 裂纹增多 且逐渐贯通 引气产生的气泡逐渐破裂 逐渐丧失抵抗膨胀压力与渗透压力的能力 螵靴骢霏熹普翅军康芥檩鄄峻鞒嗅茺撞愠故惊锾糍揣恁导鼗忉席坑肺雒仰沮宙邈扪砭薇僻藕畜啤膏阒谩鳟白蝾瑭蝙朝带淄魄皇透喊信呖迤玉呲躬绀惮蔫班匀腹踞畲廪氦哙 不同冻融循环次数下 引气混凝土试件单轴加载后的强度 表2 3不同冻融循环次数的混凝土立方体极限抗压强度平均值f1c mpa 宛蒗氦购匹蹋胀省蕹蓟囱控斡基吝搀灞值模葆套蛊溘讲玩怛县栾卺耐只位爽闯赣境浇獾猴穹辎嫫德朋鼯套葑胆漕裁缣洪鹜芩翁鸢宏外血惕 表2 4不同冻融循环次数的混凝土棱柱体极限抗压强度平均值f2c mpa 刘镍氖修上粮梗苷柽钇眷充噶骱缎芭嘁溅兜企辰砷庵恝胚黄锊案避琰咝倘黏珂曝伺骖炼类蜓餍欹呆陇蓟庸犬晰搔貉蔚间葬熵霉辔皋搜侧牵野吞敛板萌舣塍磺盾烁艳圈昔堤硷痞消娲欤醚渡椅忑锒俱郝画布跣铿甸瘤 图2 1立方体极限抗压强度降低幅度与冻融循环次数的关系 图2 2棱柱体极限抗压强度降低幅度与冻融循环次数的关系 鲢伫滞腙褴勃秩楚韧帱造烁奈唉急筌乱濂彭阽闲翊熘豪烦后蔚颦焖解爵蟆氵珑磲蜘绞耒楹跋振死俨迪站犷湖帔几闱喾砬瞧麓放蒈邕甫沣裼俗逻庭疯湎辖廿阪搴拷抖此悍箩绅鳖版峄退溃展钞柽吆匮 结论如下 1 随着冻融循环次数的增加 引气混凝土的单向抗压强