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第 24 卷 增 1 岩石力学与工程学报 Vol 24 Supp 1 2005 年 8 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Aug 2005 收稿日期 收稿日期 2004 10 21 修回日期 修回日期 2004 11 15 基金项目 基金项目 国家自然科学基金资助项目 50479059 中国博士后科学基金资助项目 2004036388 作者简介 作者简介 覃丽坤 1965 女 博士 1986 年毕业于大连工学院土建系工业与民用建筑专业 现为在站博士后 副教授 主要从事混凝土力学方 面的研究工作 E mail qinlk89 冻融循环对混凝土力学性能的影响冻融循环对混凝土力学性能的影响 覃丽坤 1 3 宋玉普2 陈浩然3 张 众2 于长江2 1 大连大学 土建系 辽宁 大连 116622 2 大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室 辽宁 大连 116024 3 大连理工大学 工业装备结构分析国家重点实验室 辽宁 大连 116024 摘要 摘要 采用快速冻融试验方法 对普通混凝土及 3 5 NaCl 溶液中浸泡后的混凝土试件分别进行 0 25 50 75 100 次冻融循环试验 并采用大型混凝土静 动三轴试验系统 检测了冻融循环对混凝土抗压强度 弹性模量及 应力 应变关系的影响 建立了简明的数学表达式 利用电子显微镜观察混凝土承受不同冻融循环次数后的微观 结构 发现冻融循环次数越大 水泥浆的裂缝越多 不同配比的混凝土受冻融循环的影响也不同 水灰比大的混 凝土受冻融循环影响大于水灰比小的混凝土 关键词 关键词 混凝土 冻融循环 氯化钠溶液 力学性能 微观结构 中图分类号 中图分类号 TV 431 文献标识码 文献标识码 A 文章编号 文章编号 1000 6915 2005 增 1 5048 06 INFLUENCE OF FREEZING AND THAWING CYCLE ON MECHANICAL PROPERTIES OF CONCRETE QIN Li kun1 3 SONG Yu pu2 CHEN Hao ran3 ZHANG Zhong2 YU Chang jiang2 1 Department of Civil Engineering Dalian University Dalian 116622 China 2 State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering Dalian University of Technology Dalian 116024 China 3 State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment Dalian University of Technology Dalian 116024 China Abstract The common concrete and the concrete dipped in 3 5 sodium chloride solution imitating seawater are subjected to freezing and thawing tests of 0 25 50 75 and 100 times respectively The effects of the freezing and thawing cycles on compressive strength module of elasticity and stress strain relation of concrete are investigated and the relevant simple formulae are established A research on microstructure of concrete under various freezing and thawing cycles proved that with the increase of cycles there will be more cracks in cement slurry and concretes of various water ratios are affected differently by freezing and thawing cycles Key words concrete freezing and thawing cycle sodium chloride solution mechanical property microstructure 1 引引 言言 在我国北方寒冷地区 冻融循环和氯盐腐蚀的 共同作用是影响混凝土结构耐久性的重要因素 尤 其对一些港口工程及水工混凝土结构而言 更是如 此 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对象 针对混凝 土抗冻设计等级而展开的 1 4 然而 在实际应用 中 最关心的是混凝土的力学性能 如强度的损失 第 24 卷 增 1 覃丽坤等 冻融循环对混凝土力学性能的影响 5049 直接关系到建筑物使用性能及安全 尤其对一些 已建的建筑物 在设计时如果没有考虑抗冻要求 冻融循环会使混凝土强度降低 因此 研究混凝土 在冻融循环作用后的力学性能 有着非常重要的现 实意义 我国现行标准 普通混凝土长期性能和耐 久性能试验法 GBJ82 85 和 水工混凝土试验规 程 DL T5151 2001 对混凝土抗冻等级的规定只 考虑了相对动弹模比不小于 60 和质量损失率不超 过 5 时的冻融次数 而没有考虑混凝土的强度指 标 从现有对普通混凝土进行的冻融循环试验资料 5 8 来看 当相对动弹模值降至 60 时 混凝土强 度的损失都已超过 50 因此 对混凝土仅以相对 动弹模值降至 60 和质量损失率达 5 来作为混凝 土冻融破坏的评价指标不一定合适 还应考虑强度指 标 本文按照现行 普通混凝土长期性能和耐久性 试验方法 GBJ82 85 中抗冻性能试验的 快冻法 通过大量试验 研究了不同配比混凝土 分别在水 溶液 3 5 NaCl 溶液中进行不同冻融循环次数后的 力学性能试验 检验了混凝土承受不同冻融循环次 数后的微观变化 及强度损减的内部微观现象与材 料性能之间的关系 发现不同配比的混凝土 及相 同配比但在不同溶液中进行冻融循环的混凝土 其 力学性能及微观结构的变化是不同的 由此建立了 混凝土各项力学性能指标与冻融循环次数的关系式 2 试验说明试验说明 2 1 原材料与混凝土配比原材料与混凝土配比 试验中 水泥采用大连水泥厂生产的 32 5 普通 硅酸盐水泥和 42 5R 早强硅酸盐水泥 细骨料为中 砂 粗骨料为碎石 最大粒径为 20 mm 共设计了 3 组配比的混凝土 表 1 为 3 组混凝土每立方米的 配合比及性能指标 表表 1 每立方米混凝土的配合比及性能指标每立方米混凝土的配合比及性能指标 Table 1 Mix proportion in per cubic meter concrete and characteristics of concrete 分组 水灰 比 水泥质 量 kg 砂子质 量 kg 石子质 量 kg 水的质 量 kg 引气剂百 分比 单轴抗压强 度 fc MPa 第 1 组 0 50 383 663 1 154193 0 34 20 第 2 组 0 35 545 515 1 200190 0 05 35 58 第 3 组 0 35 545 515 1 200190 0 05 35 33 2 2 试件及快速冻融方法试件及快速冻融方法 本试验的冻融方法是按照 普通混凝土长期性 能和耐久性试验方法 GBJ82 85 中抗冻性能试验 的 快冻法 进行的 试验时 提前 4d 将养护好的 试件浸泡在温度为 15 20 的水中 每次冻融循 环在 2 4 h 内完成 试件中心温度分别控制在 17 2 和 8 2 并且冻融试验时 第 1 2 组试件 在水溶液中进行 第 3 组试件在 3 5 NaCl 溶液中 进行 试验中 混凝土试件统一采用 100 mm 100 mm 100 mm 立方体试件 以保证试验结果可比 性 2 3 试验设备及试验设计试验设备及试验设计 本文混凝土力学性能试验是在大连理工大学海 岸和近海工程国家重点实验室的大型静 动三轴电 液伺服试验机上完成 该系统由电液伺服阀 电子 控制线路和 3 向分别独立的加力架 加载板 液压 缸 荷载传感器和位移传感器组成 对 3 组不同配 比的混凝土分别进行 0 25 50 75 100 次冻融循 环后的力学性能试验 同组的试件同时进行试验 试验时 将试件从水或溶液中取出 擦干 并在常 温下将试件安装在试验机的加载板间 试件加载面 与加载板之间采取减摩措施 减摩材料采用塑料薄 膜和甘油 具体做法是先将试件轴心物理对中 并 反复预压 再以标准静态加载速率施加荷载 每种 工况至少试验 5 个试件 当发现离散较大时 增加 试件数目 以求数据的完整准确 试件承受的压力 位移和应变值均由计算机动态采集 3 试验结果试验结果 3 1 试验现象试验现象 混凝土试件经冻融循环后 表面剥落程度随冻 融循环次数的增加而严重 另外 在 3 5 NaCl 溶 液中的剥落现象较水溶液中严重 经历冻融循环后 的混凝土试件在单轴压缩试验中 随冻融循环次数 的增加 混凝土裂缝面上的骨料被拉断的比例增加 混凝土破坏时的爆裂声也越响亮 由于试件在加载 时采取了减摩措施 消减了加载板对试件加载端面 的约束作用 试件破坏形状呈柱状 3 2 抗压强度与冻融循环次数的关系抗压强度与冻融循环次数的关系 按照前述试验方法 测得了 3 组混凝土试件在 不同冻融循环次数 N 下的抗压强度 图 1 给出了混 凝土抗压强度 d f MPa 随冻融循环次数N的变化 根据最小二乘法 回归得到抗压强度与冻融循环次 数之间的关系式如下 5050 岩石力学与工程学报 2005年 图 1 混凝土抗压强度与冻融循环次数的关系 Fig 1 Relation between compressive strength and freezing and thawing cycles 第 1 组 2 34 d f0 183 9 N 1 第2组 58 35 d f0 179 8 N 2 第3组 33 35 d f0 198 4 N 3 图 的结果表明 随冻融循环次数的增加 混 凝土抗压强度明显降低 如第1组混凝土试件经75 次冻融循环后 极限抗压强度降低至初始强度的 60 左右 3组配比的混凝土试件受冻融循环作用 后 抗压强度降低趋势基本一致 但第3组配比的 混凝土试件 由于是在NaCl溶液中进行的冻融 其抗压强度降低幅度比第2组配比的混凝土试件稍 大 说明腐蚀与冻融双因素的作用 加重了混凝土 的劣化 3 3 应力 应变曲线应力 应变曲线 图2为3组不同配比的混凝土试件在单轴压缩 状态下 不同冻融循环次数时的单轴应力 应变关 系曲线 从图2中可以看出 随冻融循环次数的增 加 应力 应变关系曲线逐渐扁平 峰值点明显下 降和右移 说明混凝土极限抗压强度逐渐降低 而 与其相对应的应变值成倍地增大 如第3组配比的 混凝土试件 其极限抗压强度由0次循环的35 33 MPa降至100次循环的14 50 MPa 降低58 96 而对应的应变值由0 002 602增至0 005 13 增大近 2倍 同时 不同配比的混凝土经冻融循环后 应 力 应变关系曲线形状不同 其中 第3组试件 在3 5 NaCl溶液中进行冻融循环后 混凝土抗压 图 2 不同冻融次数后单轴压缩应力 应变关系曲线 Fig 2 Curves of uniaxial stress vs strain of concrete under various freezing and thawing cycles 强度的降低幅度和相应的应变增长幅度均较第2组 试件大 说明混凝土在NaCl溶液中冻融循环的劣 化程度大于在水溶液中的劣化程度 3 4 弹性模量弹性模量 图3给出了弹性模量 d E GPa 随冻融循环次数 N的变化关系 从图3中各点的分布可以看出 随 N的增加 d E呈线性降低的趋势 上述关系用线性 表达式描述如下 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 25 5075 100 N 次 抗压强度 fd MPa 第 1 组 第 2 组 第 3 组 第 1 组回归 第 2 组回归 第 3 组回归 b 第 2 组 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 00 20 4 0 6 0 8 应变 1 10 2 0 次 25 次 50 次 75 次 100 次 1 MPa c 第 3 组 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 00 20 4 0 6 0 8 0 次 25 次 50 次 75 次 100 次 应变 1 10 2 1 MPa 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 00 20 4 0 6 应变 1 10 2 1 MPa 0 次 25 次 50 次 75 次 100 次 a 第 1 组 第 24 卷 增 1 覃丽坤等 冻融循环对混凝土力学性能的影响 5051 图 3 弹性模量随冻融循环次数的变化关系 Fig 3 Relations between modulus and the cycles of freezing and thawing NaaE 21d 4 式中 Ed为混凝土在不同冻融循环次数后的弹性模 量 1 a 2 a分别为线性回归系数 根据试验测得的3组混凝土试件弹性模量数 据 利用回归方法解出式 4 中的回归系数 得出3 组配比混凝土冻融后弹性模量与冻融循环次数的线 性关系的具体表达式为 第1组 d E3 001 0 021 5N 5 第2组 d E3 01 0 020 7N 6 第3组 d E3 05 0 022 2N 7 4 显微检验显微检验 4 1 混凝土冻融破坏机理混凝土冻融破坏机理 混凝土的冻融破坏机理一般认为是由于冻结 时 混凝土孔隙中水结冰 产生冻胀压力 并使水 分迁移 而水在迁移过程中还产生液体压力 这种 压力如果超过混凝土的抗拉强度 混凝土就产生劣 化 出现局部开裂 而在融化时 水分进一步渗入 孔隙中 如此循环 导致混凝土连续损伤 在混凝 土中掺入引气剂 其所产生的无数微小的互不连续 的气泡 可以容纳自由水的迁移 具有缓解冻融过 程中产生膨胀压力和渗透压力的作用 可适当提高 混凝土的抗冻性 4 2 微观结构微观结构 利用扫描电子显微镜 SEM 分别观察了以上3 组混凝土试件的微观结构 以检验冻融循环对混凝 土内部结构的影响及其与力学性能的关系 图4为第1组试件分别经过0 75次冻融循 环 并在单轴抗压试验后的100倍SEM显微照片 从图4 a 可见 骨料与水泥砂浆接触面出现裂缝 骨料并未开裂 而水泥砂浆出现裂缝 从图4 b 可 见 水泥砂浆的裂缝及沿骨料与水泥砂浆接触面的 裂缝均较图4 a 有明显增长 骨料与水泥砂浆已分 离并瓦解 说明经75次冻融循环后混凝土受压后的 细观破坏现象较常态时严重 a 0 次冻融循环后 b 75 次冻融循环后 图 4 第 1 组混凝土抗压试验后的 SEM 显微照片 Fig 4 SEM of compressive concrete samples of group1 图5为第2组试件分别经过0 75次冻融循环 并在单轴抗压试验后的100倍SEM显微照片 从 图5 a 可见 骨料与水泥砂浆接触面的裂缝较图4 a 细 骨料未开裂 可明显见到水泥砂浆气泡 水泥 砂浆未见开裂 从图5 b 可见 水泥砂浆中产生细 裂纹 骨料与水泥砂浆接触面产生裂缝并分离 裂 缝较图4 b 细 这说明经相同冻融循环次数后的混 凝土 水灰比大的混凝土的细观破坏现象较水灰比 小的混凝土严重 图6为第3组试件分别经过0 75次冻融循环 并在单轴抗压试验后的100倍SEM显微照片 由 弹性模量 Ed GPa 0 5 10 15 20 25 30 35 0 25 50 75 100 N 次 第 1 组 第 2 组 第 3 组 第 1 组回归 第 2 组回归 第 3 组回归 5052 岩石力学与工程学报 2005年 a 0 次冻融循环后 b 75 次冻融循环后 图 5 第 2 组混凝土抗压试件的 SEM 显微照片 Fig 5 SEM of compressive concrete samples of group 2 a 0 次冻融循环后 b 75 次冻融循环后 图 6 第 3 组混凝土抗压试验后的 SEM 显微照片 Fig 6 SEM of compressive concrete samples of group 3 于冻融时溶液为3 5 NaCl溶液 可见图6 b 中 骨料与水泥砂浆接触面的裂缝与水泥砂浆出现的裂 缝均较图5 b 相应的裂缝明显 破坏程度严重 这 是由于在NaCl溶液中冻融循环的混凝土 骨料与 水泥砂浆的物理性质不同 在低温和温差循环作用 下 混凝土中产生膨胀性裂纹 这样的微裂纹对 NaCl溶液渗入混凝土中有明显的影响 从SEM显微照片明显地看到3组不同配比混凝 土微观结构的差异 说明冻融循环对不同混凝土的 力学性能损伤有不同的影响 即水灰比较小 且加 入引气剂的混凝土 较普通混凝土更能承受由水压 力或冰体积的增长而产生的拉应力 海水中混凝土 受冻融循环的影响较为严重 冻融循环与腐蚀双因 素对混凝土力学性能的影响将是今后值得继续深入 研究的课题 5 结结 论论 1 无论从力学性能还是从微观结构看 混凝 土在NaCl溶液中进行冻融循环后的劣化程度均比 在水溶液中严重 在水溶液中进行冻融循环后 水 灰比大的混凝土破坏严重 加入引气剂 可提高混 凝土的抗冻性能 2 混凝土单轴压缩应力 应变曲线表明 随 冻融循环次数的增加 混凝土极限抗压强度逐渐降 低 而与其相应的应变值成倍地增大 不同配比的 混凝土 经冻融循环后 应力 应变关系曲线形状 不同 第3组试件在3 5 NaCl溶液中进行冻融循 环 其抗压强度的降低幅度和相应的应变增长幅度 均较第2组在水中进行冻融循环的大 3 混凝土单轴抗压强度及弹性模量随冻融循 环次数的增加 呈线性减少的趋势 不同配比的混 凝土 及相同配比但在不同溶液中进行冻融循环的 混凝土力学性能 受冻融循环影响程度不同 第1 组配比的混凝土 在0 100次冻融循环期间 抗压 强度降低幅度比第2组的混凝土大 说明水灰比小 且加入引气剂的混凝土 比水灰比大的混凝土的抗 冻性能好 文中建立的抗压强度及弹性模量分别与 冻融循环次数的关系式 形式简单 便于实际应用 4 腐蚀与冻融循环双因素的作用 损伤了混 凝土的力学性能 这将是今后值得继续深入研究的 课题 对北方寒冷地区的混凝土结构 建议采用水 灰比低 加入引气剂和减水剂的高性能混凝土 第 24 卷 增 1 覃丽坤等 冻融循环对混凝土力学性能的影响 5053 参考文献参考文献 References 1 张海燕 混凝土的抗冻融破坏试验研究 J 西北水资源与水工程 2001 12 1 48 52 Zhang Haiyan Experimental study of concrete resisting to freeze thaw damage J Northwest Water Resources and Water Engineering 2001 12 1 48 52 in Chinese 2 Aoyama M Sakamoto K Nomura M et al Countermeasures for chloride induced corrosion of steel bars in coastal concrete bridge in a severe saline environment A In The First Fib Congress 2002 Concrete Structures in the 21st Century C Japan Japan Concrete Institute 2002 49 56 3 Sun W Zhang Y M Yan H D Damage and damage resistance of high strength concrete under the action of load and freezing thawing cycles J Cement and Concrete Research 1999 29 6 1 519 1 523 4 Powers T C Freezing effect in Concrete J ACI Publicati