冻融循环作用下水工混凝土耐久性和力学性能试验研究方法探讨_高国威

1、.冻融循环作用下水工混凝土耐久性和力学性能试验研究方法探讨_高国威 (1) 科技论坛 冻融循环作用下水工混凝土耐久性和力学性能试验研究方法探讨 高国威 （盐城市水利勘测设计院 张成银 蚌埠 233000） 盐城224002安徽省·水利部淮委水利科学研究院 【摘要】通过对严寒地区水工混凝土破坏方式和冻融破坏机理的分析，指出了开展冻融循环作用下混凝土耐久性及力学性能研究的必要性。阐述了在动弹性模量测试的基础上，进一步研究混凝土的其他耐久性指标和力学性能指标的基本思路及试验方法，探讨了冻融循环作用下，水工混凝土的动弹性模量损失与其他耐久性和力学性能指标损失的相关性研究方法。【关键词】水工混

2、凝土冻融循环耐久性力学性能 1概述 我国地域辽阔，有相当大的部分处于严寒地带，致使 化过程，包含渗透扩散、冻融循环、开裂破坏等次生过程。而冻融过程中孔隙水的反复结冰是导致混凝土劣化的根本原从20世纪40年代以后，国内外均对混凝土的冻融破坏因。 机理展开了大量研究，也提出了众多冻融破坏理论，其中冰胀压和渗透压理论最具代表性。但这些理论大部分是从纯物理的模型出发的，经假设推理得出的，有些是以水泥净浆迄今为止，对混凝和砂浆试件通过部分试验得出的。因此， 土的冻融破坏机理，国内外尚未得到统一的认识和结论，也给冻融循环作用下，混凝土的耐久性指标及力学性能指标的理论和试验研究来了一定的难度。 不少水工建筑

3、物发生了冻融破坏现象。根据全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22%的大坝和21%的中小型水工建筑物存在小型工程中， 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，几乎所有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。因此，冻融循环作用下混凝土建筑物的设计寿命，是目前国内外研究的重要课题。 混凝土的耐久性及力学性能，是进行水工混凝土建筑物寿命设计的重要依据。而在冻融循环条件下，混凝土的耐久性和力学性能，会随着冻

4、融循环次数的增加而逐渐降大多低。现有的有关冻融循环后混凝土性能的试验资料，是以质量损失和动弹性模量为标准，针对混凝土抗冻安全等级展开的。 由弹性模量的物理意义可知，动弹性模量反映的是材料的弹性性能，相当于静力加载时材料的初始切线模量，它不能反映材料的塑性性能，它的损失也只能代表材料弹性性能的损失。因此，对于普通混凝土，仅以相对动弹性模量降至60%和质量损失率达到5%作为冻融破坏的评价指标不一定合适，故而需要进行冻融循环作用下，混凝土耐久性指标及而动弹性模量作为一种非破损试验方力学性能指标的测试。 法，它的测量具有可重复性，测量方法简单。因此，在冻融循环作用下，能否建立动弹性模量损失与耐久性指标

5、和力学性能指标损失的相关性，是目前研究冻融循环作用下的混凝土基本性能的关键，对冻融循环作用下的混凝土结构的设计、施工及寿命预测，具有重要的指导作用。 3研究历史与现状 混凝土作为最普遍的建筑材料之一，在工程应用中已 有100多年的历史。长期以来，人们认为混凝土结构持久耐用。然而事实并非如此，混凝土结构建成后，在周围环境因素的侵蚀下，随其使用时间的延长，结构内部将发生一系列化学变化，其各种物理性能逐渐降低，对整个结构适物理、 用性和安全性造成影响。而冻融循环是严寒地区水工混凝土损伤破坏的重要因素之一。 因此，工程界对混凝土抗冻性非常关心。冻融循环作用下，混凝土的耐久性和力学性能的变化，引起国内外

6、众多学者的兴趣，不仅因为它是影响混凝土结构寿命与性能的一个非常重要的因素，同时也因为混凝土的冻害发生的范围极其广泛。 在以往的对冻融循环作用下混凝土抗拉、抗压强度的下降规律的研究认为抗拉、抗压强度的损失率与动弹性模量的损失率相关，可以通过测量动弹性模量来估计混凝土的剩余强度。同时指出，作为一种非破损实验，动弹性模量但由于自身的局限性，动弹性模量的测量是实用而有效的。 不能全面反映混凝土的各项性能，尤其不能很好地反映混凝土的抗压性能。目前混凝土抗冻性试验多以动弹性模量作为混凝土破坏程度的指标，似嫌不足。 通过配制四种不同强度等级的普通混凝土，对混凝土 2水工混凝土冻融循环破坏机理 水工混凝土遭受

7、冻融侵蚀是一个较为复杂的物理劣 24 ZHIHUAI 2012.5 科技论坛 试件进行了0、25、50、75、100、125次的冻融循环，测定了立方体抗压强度、劈拉强度、动弹性模量及质量损失等数据，并建立了抗压强度和劈拉强度与动弹性模量的关系式，为抗压强度和劈拉强度的确定提供依据。 对C30混凝土进行了冻融循环后混凝土的抗压、抗劈拉强度试验，研究结果表明，冻融循环作用对混凝土折、 强度的影响比对相对动弹性模量或重量损失的影响要大，在相对动弹性模量或重量损失满足要求时，混凝土强度不一定满足要求。因此，混凝土的动弹性模量或重量损失作为抗冻性能指标已不再合适。 采用新老混凝土粘结而制作的立方体试件，

8、通过快速冻融试验，研究了冻融循环作用对新老混凝土粘结性能的影响。结果表明，冻融循环作用会明显降低新老混凝土的粘结强度。 采用配制强度为62MPa高强混凝土和38MPa的普通 劈裂抗拉、混凝土，进行冻融循环作用下混凝土抗拉强度、 抗剪强度以及的研究，试验表明随冻融循环次数的增加，混凝土抗拉强度、劈裂抗拉、抗剪强度和动弹性模量是逐渐降低的。 采用Z形试件剪切试验方法，对混凝土试件在冻融循环作用下的剪切强度进行了试验研究，定性分析了在冻融循环作用下，混凝土的相对剪切强度随冻融循环次数的增加而降低，其降低程度与混凝土自身的强度有关。 采用快速冻融方法，对混凝土试件和根据混凝土配合比制成的砂浆试件，进行

9、了100次、200次、300次的冻融循 弹性模量及环，并检测了冻融循环对海水混凝土抗压强度、 应力应变关系的影响；在混凝土细观力学方面，对混凝土试件进行了数值模拟，各组成相的材料性质按照Webull分布来赋值，结果表明，该方法为进一步开展混凝土结构在冻融作用下的劣化机理和计算模型的研究提供了依据。 对4种不同水灰比的混凝土先后进行了冻融循环和加速碳化试验，冻融循环次数选择0、50、150次，试件尺寸为100mm×100mm×100mm。研究结果表明，冻融作为混凝土损伤的动力源，加速碳化进程，循环次数越多，相应的碳化深度越大。 在MgSO4溶液条件下，采用快冻法和常温腐蚀方法

10、研究了高强混凝土的应力腐蚀行为，试件尺寸为40mm×40mm×160mm。研究表明，冻融循环作用显著加速了混凝土的硫酸盐应力腐蚀破坏进程。 通过对四种不同配比混凝土进行冻融循环（0、50、150次）和氯离子侵蚀试验，研究冻融作用对混凝土中氯离子侵蚀的影响。结果表明，冻融循环使混凝土孔隙率增大，它是混凝土损伤的动力源，为氯离子侵蚀创造更为有利的条件；冻融次数越多，氯离子侵蚀越严重。 以上研究表明，对于寒冷地区的水工混凝土，仅以相对动弹性模量降至60%和质量损失率达到5%作为冻融破坏图1研究技术路线图4.1质量损失和动弹性模量测试每冻融循环25次，进行质量损失和动弹性模量的测定

11、试验，研究混凝土的质量损失率及动弹性模量损失率随冻融循环次数的变化规律。为进一步研究混凝土耐久性及力学性能指标损失与弹性模量损失的相关性奠定基础。4.2耐久性指标试验动弹性模量测试后对试件进行加工，测试混凝土的耐久性指标（抗碳化性能、抗渗性能、抗硫酸盐侵蚀性能和抗氯离子侵蚀性能），研究混凝土的耐久性指标随冻融循环次数的退化规律。建立在冻融循环作用下，不同配制强度的混凝土耐久性指标的退化模型。4.3力学性能指标试验动弹性模量测试后对试件进行加工，测试混凝土的力的评价指标不一定合适，需要测试冻融循环作用下混凝土的其他耐久性指标和力学性能指标，并可建立动弹性模量损失与力学性能指标损失的相关性。而动弹

12、性模量损失与耐久性指标的相关性研究，至今还鲜有研究。现有动弹性模量损失与力学性能指标损失的相关性研究中，均是采用相同的混凝土配比，分别制作动弹性模量测试试件和力学性能指标测试试件进行冻融循环的，而试件尺寸的不同，会影响试件的冻融损伤程度，即动弹性模量测试试件与力学性能指标测试试件的冻融损伤程度不同，故二者相关性的建立也就存在一定的偏差。因此，采用100mm×100mm×400mm混凝土试件，按照“冻融循环动弹性模量测试其他耐久性指标和力学性能指标测试”的基本思路开展试验研究，建立动弹性模量损失与力学性能指标损失的相关性，对水工混凝土结构的设计具有重要意义。4冻融循环作用下水

13、工混凝土耐久性及力学性针对不同配制强度的水工混凝土，应按照“冻融循环试验方法探讨动弹性模量测试其他耐久性指标和力学性能指标测试”的基本思路展开试验研究。即首先制作100mm×100mm×400mm的混凝土试件，在标准养护室中养护28d后，进行循25、50、75、100、125、150次的冻融循环试验，测环次数为0、试混凝土的质量损失与动弹性模量损失，然后再将该试件进行加工，用作混凝土的其他耐久性指标及力学性能指标试验。研究技术路线如图1所示。 25 ZHIHUAI2012.5 科技论坛 混凝土早期开裂原因分析 张亚涛 武允超徐伟 蚌埠 233000） （安徽省·水

14、利部淮委水利科学研究院 【摘 要】本文从根本上分析了引起混凝土早期开裂的原因，指出除了选择合适的混凝土原材料外，控制好施工环境和成型后的温 湿度是减少早期开裂的关键因素。【关键词】温度梯度湿度梯度裂缝 1引言 混凝土早期裂缝主要是体积变化受到约束而产生的应 混凝土早期收缩应变主要包括塑性收缩、干缩和自收缩。2.1.1塑性收缩机理 塑性收缩主要是混凝土凝结前，因泌水、表面水分蒸发混凝土以及骨料和胶凝材料不均匀沉降而造成的体积减小。拌合物成型的最初几个小时，主要表现为黏塑性。随着水化弹性模量从的进行，塑性减小，弹性模量增大，成型48h，10102MPa迅速增长至104105MPa，增大了1000倍

15、左右，而此期间的抗压和抗拉强度以正常速度增长，从而导致极限抗拉应变由2h的4.0×10-3急剧下降至68h的0.04×10-3左右，此时的极限抗拉应变达到最低值。因此，混凝土成型后的68h，尽管收缩产生的拉应力相对较小，但极限抗拉应变降到了最低，故此时存在产生裂缝的极大可能性。2.2.2干缩和自收缩机理 处于硬化阶段的混凝土，其体积收缩主要是干缩和自干缩是混凝土中多余水分蒸发，体积减小而产生的收收缩。 缩，干缩应变产生的收缩量约占混凝土全部收缩量的80%90%，由此产生的裂缝极易形成贯穿裂缝；自收缩是由于水泥的水化作用而使内部水分减少，进而体积减小的收缩，约占混凝土全部收缩

16、量的10%左右，由此形成的裂缝一般研究。而水工混凝土的耐久性指标损失与动弹性模量损失的相关性，有待进一步的理论分析和试验研究。 力造成的。在混凝土硬化过程中，水泥水化和外部环境骤冷骤热造成混凝土的热胀冷缩，产生大量的温度应力，这是目前预拌混凝土开裂的重要因素之一；另外，水分的蒸发、体积的缩小会产生大量的干缩应力，极易在截面薄弱的地方产生干缩裂缝。R.Springenschmid认为，混凝土三分之二的应力来自于温度变化，三分之一来自干缩和湿胀。胡如进认为，混凝土早期开裂主要是由于初凝前后干燥失水引起的收缩应变和水化热产生的热应变所引起。因此收缩应变和热应变的大小直接影响着混凝土是否产生早期开裂。

17、 混凝土结构最易出现裂缝的两个时期分别是混凝土成型后的68h和浇筑后的36d。要想更好地预防混凝土的早期开裂现象，知道混凝土结构收缩应变和温度应变产生的机理就显得至关重要。笔者在总结前人工作的基础上，重点分析了收缩应变和温度应变产生的机理，并从理论上找出减少早期开裂的措施。 2早期开裂机理分析 2.1收缩应变机理 学性能指标（立方体抗压强度、单轴抗压强度、抗剪强度、粘结强度和弯曲性能），研究混凝土的力学性能指标随冻融循环次数的退化规律。建立在冻融循环作用下，不同配制强度的混凝土力学性能指标的退化模型。 4.4耐久性指标及力学性能指标损失与动弹性模量损失的相关性 动弹性模量作为一种非破损试验方法，它的测量具有可重复性，测量方法简单。因此，在冻融循环作用条件下，混凝土的耐久性指标及力学性能指标的损失与动弹性模量损失的相关性研究，可为水工建筑物的设计、维修及其寿命预测等提供试验及理论依据。 基于上述试验研究结果，采用数学分析软件，可进行水工混凝土力学性能指标的损失与动弹性模量损失的相关性