高强混凝土抗冻性的研究

建　筑　材　料　学　报

JOURNALOFBUILDINGMATERIALS

Vol.2,No.4

Dec.,1999

　　文章编号:100729629(1999)0420292206

高强混凝土抗冻性的研究

曹建国,　李金玉,　林　莉,　田军涛,

关遇时,　邓正刚,　李　芳,　王爱勤

(中国水利水电科学研究院结构材料所,北京100038)

摘要:从宏观和微观两方面研究了C60,C80,C100高强混凝土的抗冻性.宏观研究表明,

C60高强混凝土的抗冻性不能满足F300的要求,而C60引气高强混凝土的抗冻性能却很好,快冻可达F1200以上.C80,C100高强混凝土具有非常高的抗冻性,快冻可达F1200以上,但高强混凝土经过一定冻融循环后,抗折强度会出现明显的降低.微观研究表明,当高强混凝土的气泡平均半径小于0.01cm左右时,混凝土将具有超抗冻的特性.C60高强混凝土在冻融过程中微孔结构的破坏主要是毛细孔的破坏,而C80,C100高强混凝土在冻融过程中,可能是非常细的毛细孔和较大凝胶孔的破坏.关键词:高强混凝土;抗冻性;抗折强度;毛细孔;凝胶孔中图分类号:TU528　　　文献标识码:A

1　试验

1.1　研究项目

研究项目包括:确定高强混凝土和引气高强混凝土的配合比;高强混凝土的抗冻性试验;高强混凝土冻融试验前后抗压强度、抗折强度、抗拉强度的测试;高强混凝土冻融前后饱和面干吸水率测定;高强混凝土气泡参数的测定;高强混凝土冻融前后微孔参数的测定.1.2　试验方法

通过试拌和强度试验,确定高强混凝土和引气高强混凝土的配合比,试验方法按SD105—82《水工混凝土试验规程》进行[1].高强混凝土的抗冻性试验采用快速冻融法,即混凝土中心的冻融温度为(-17±2)°C～(8±2)°C;一个冻融循环时间3h左右.试件在冻融试验过程中均处于全浸泡水状态(亦即饱水状态).冻融试验结果采用动弹性模量和质量损失衡量.混凝土冻融试验在日本产MIT168221型全自动混凝土冻融试验机上进行.试件为10cm×10cm×40cm的棱柱体,试验方法均按SD105—82《水工混凝土试验规程》进行.1.3　高强混凝土配合比

高强混凝土配合比见表1,表中含量等均为质量分数.

2　试验结果及分析

2.1　高强混凝土宏观特性分析

2.1.1　高强混凝土冻融试验结果及破坏形态

C60高强混凝土冻融试验结果见表2.C60引气高强混凝土(C60AEA)及C80,C100高强混凝

土冻融试验结果见表3.

收稿日期:1999204202;修订日期:1999206214

基金项目:国家“九五”重点攻关项目“重点工程混凝土安全性研究”子课题作者简介:曹建国(1953～),浙江人,中国水利水电科学研究院高级工程师.

　第4期曹建国等:高强混凝土抗冻性的研究　　　

表1　不同品种不同等级高强混凝土的配合比

Table1　Mixratioofhigh2strengthconcreteofdifferentkindsandgradesUnitmass/(kg・m-3)

293

SpecimenC60C60AEAC80C1002ⅠC1002Ⅱ

Water2binder

ratio0.260.26

0.002AEA

w/%1

)

Cement500500500500500

Water130130153120120

SilicafumeMinefume

Water2reducing

agent1.41.41.81.61.8

Aircontent

/%

1.54.30.70.70.7

Slump/cm9.010.010.010.010.0

fc,28d

/MPa65.957.288.1105.2101.4

405050

500.260.220.22

　　1)ThemassfractionsofAEAandwater2reducingagentarebasedonthemassofbinder.

表2　C60高强混凝土冻融试验结果

Table2　Freezing2thawingtestresultsofhigh2strengthconcreteofC60Relativedynamicmodulusofelasticity/%Rateofmassloss/%Numberoffreezing2thawingcycle

2598.30

5098.3-0.1

10098.3-0.13

12598.3-0.13

15097.9-0.19

20096.2-0.19

25095.5-0.26

300Crackonspecimen

330Crackonspecimen

表3　C60AEA,C80,C100高强混凝土冻融试验结果

Table3　Freezing2thawingtestresultsofhigh2strengthconcreteofC60AEA,C80,C100

Relativedynamicmodulusofelasticity/%Rateofmassloss/%

Specimen

25

C60AEAC80C1002ⅠC1002Ⅱ

97.2098.3098.8098.20

10097.7098.3098.7098.10

20097.40.0398.2098.5098.10

Numberoffreezing2thawingcycle

40097.30.1096.3-0.0198.4098.10

60097.00.2795.70.0495.5098.20

80096.50.4596.90.0697.9098.10

100095.50.5296.40.0797.4098.20

120092.60.6192.70.0796.9098.20

　　从表2及表3中可以看出:

1.C60高强混凝土的抗冻融能力没有达到F300,也即C60并非是高抗冻混凝土.

2.在C60的基础上,掺用优质引气剂配制成的C60引气混凝土,具有非常高的超常抗冻性,经1200次快速冻融循环,相对动弹性模量仍为92.6%,由此说明,在高强混凝土的基础上掺用引气剂可以配制出高强超抗冻的混凝土.这种高强引气混凝土将比普通的高强混凝土具有更好的耐久性.原因是C60引气高强混凝土掺有优质引气剂,在混凝土中存在很微小的气泡,可裂缝的发展,这与普通引气混凝土抗冻机理相似.

3.高强混凝土冻融破坏的形态与普通混凝土有很大区别.普通混凝土与引气混凝土在冻融过程中相对动弹性模量及质量损失率都随着冻融次数的增加而逐步降低,当相对动弹性模量小于60%或质量损失率大于5%时,则表示混凝土冻坏.这时试件外观有剥落,但仍为一整体.而C60高

强混凝土在冻融过程中达250次,相对动弹性模量仅下降5%,质量损失为负增长,试件表面无损坏,但达270～330次循环中,试件相继发生裂缝,裂缝在试件中部为横向裂缝,在长度方向把试件

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分为两截,即高强混凝土的冻融破坏形态是裂缝断裂破坏.

试验证明:C60高强混凝土的冻融破坏是突发性的,经初步分析,试件在正负温度交替中产生微裂缝并发展,正是这些微裂缝的存在,使试件在冻融过程中质量略有增加,而当混凝土强度不能抵御温度应力作用时,裂缝迅速扩展最终导致混凝土的破坏,这时的相对动弹性模量也突然下降.因此,这种破坏形态与普通混凝土有所不同.

4.C80,C100高强混凝土具有超常的抗冻性,经快速冻融1200次循环后,其相对动弹性模量

都在90%以上,质量损失率不大或没有变化,试件表面无剥落现象.由此可以看出,当高强混凝土

达C80以上时,可达到超抗冻的要求.采用低水灰比和掺加高效减水剂配制的高强混凝土(大于C80),同样可以具备非常高的抗冻能力.

2.1.2　高强混凝土冻融过程中强度、吸水率试验结果分析

高强混凝土在冻融试验过程中强度、吸水率测试结果见表4.

表4　高强混凝土冻融前后强度及吸水率试验结果

Table4　Testresultsofstrengthandwaterabsorptionrateofhigh2strengthconcrete,beforeandafterfreezingandthawingcyclesSpecimen

Numberoffreezing

Compressivestrength/MPa65.9(1)60.0(0.923)57.2(1)51.0(0.1)88.1(1)79.8(0.906)105.1(1)91.8(0.873)101.4(1)76.3(0.752)

Bendingstrength/MPa10.56(1)2.10(0.207)10.46(1)7.02(0.671)12.4(1)6.(0.556)15.6(1)12.0(0.779)15.3(1)8.87(0.580)

Cleavagestrength/MPa5.34(1)3.37(0.630)4.(1)3.34(0.683)6.40(1)5.41(0.845)7.70(1)6.(0.4)8.10(1)6.26(0.773)

Waterabsorptionrateofsaturateddrysurface/%

1.48(1)2.38(1.61)1.67(1)2.34(1.40)1.26(1)1.87(1.48)0.99(1)1.43(1.40)0.74(1)0.99(1.34)

2thawingcycle

027001200012000120001200

C60

C60AEA

C80

C1002Ⅰ

C1002Ⅱ

　　试验结果表明:

1.随混凝土的冻融循环次数增加,混凝土的强度与未冻之前的强度相比均呈下降趋势,其中

反映较敏感的是抗折强度.

C60高强混凝土经270多次冻融循环后,其抗折强度仅为未冻前的20.7%,此时混凝土已经

开始出现裂纹;C60引气高强混凝土经1200次冻融循环后,抗折强度也有明显下降,为未冻前的67.1%.

C80,C100高强混凝土达1200次冻融循环时,混凝土的抗折强度仅余约53%～77%,平均为63.9%.随着冻融过程的发展,抗压强度同样呈下降趋势,虽然没有抗折强度下降幅度大,但也在10%～25%.而高强混凝土在冻融过程中动弹性模量的变化在没出现裂缝时一直较高,大都在90%以上,质量损失率很小或出现负增长,但抗折强度却发生了明显下降.因此高强混凝土冻融破

坏的评定指标仅以相对动弹性模量和质量损失率来衡量是不够的,笔者认为,是否还应从试件在冻融过程中的抗折强度下降的程度来综合评定是今后尚需进一步研究的课题,特别是要结合工程的实际控制指标来综合考虑.

2.无论是高强混凝土还是高强引气混凝土,它们的饱和面干吸水率均随着冻融过程的发展而

增加.C60高强混凝土冻融破坏时,饱和面干吸水率增加了61%.C60引气、C80和C100混凝土经1200次冻融循环后虽未破坏,但吸水率也增加了30%～50%,由此说明,高强混凝土在冻融过程

中密实度也是逐步降低的,这与抗折强度的降低是吻合的.

　第4期曹建国等:高强混凝土抗冻性的研究　　　295

2.2　高强混凝土冻融的亚微观和微观试验结果分析2.2.1　硬化混凝土中气泡特性的测试和分析

硬化混凝土中气泡特性参数包括含气量、气泡总个数、气泡的比表面积、气泡半径和气泡间距系数等,而与混凝土抗冻性最有相关性的是气泡间距系数和气泡平均半径.高强混凝土的气泡间距系数和气泡平均半径等试验结果见表5.

表5　高强混凝土的气泡间距系数和平均半径测定结果

Table5　Testresultsofmeanradiusandspacingfactorofairvoidofhigh2strengthconcrete

SpecimenC60C60AEAC80C1002ⅠC1002Ⅱ

Water2binderratio

0.260.260.210.220.22

Numberoffreezing2thawingcycle

2501200127012701270

Meanradiusofairvoid/cm

0.01900.01000.01020.00990.0099

Spacingfactorofairvoid/μm

5373275819667

　　以上试验结果表明:

1.高强混凝土中硬化气泡系数特性与抗冻性的关系与普通混凝土不一样,在普通混凝土(包括引气混凝土)中,一般认为,气泡间距系数>300μm时,混凝土的抗冻性较差.但对高强混凝土来说,如C80,C1002Ⅰ,C1002Ⅱ气泡间距系数在588～919μm之间时,同样具有非常高的抗冻性,抗冻等级达F1200.而C60的气泡间距系数为537μm,小于C80,C100的气泡间距系数,但其抗冻性能较差.因此,对高强混凝土来说,单凭气泡间距系数并不能确切地评定混凝土的抗冻性.

2.高强混凝土中气泡的平均半径与混凝土的强度和抗冻性呈现一定的关系,随着强度等级的提高,气泡平均半径在递降.C60的气泡平均半径为1.9×10-2cm;C80的为1.02×10-2cm,C100的为0.99×10-2cm.对高强混凝土来说,硬化混凝土气泡平均半径小于一定数值(1.0×10-2cm左右)时,其强度等级就可能达C80以上,从而抗冻性能可达F1000以上.

3.高强混凝土通过引气剂改性,使气泡平均半径降低.C60的气泡平均半径为1.9×10-2cm,C60引气混凝土气泡平均半径为1.0×10-2cm,气泡平均半径降低50%左右;气泡间距系数从537

μm减到327μm,降低了40%,这时的C60引气混凝土抗冻标号也可达F1000以上.2.2.2　高强混凝土冻融过程中微孔结构试验结果与分析

对高强混凝土在冻融前和冻融循环试验后分别取样进行孔结构的试验,试验结果见图1.由图1可以看出:

1.C60高强混凝土的微孔结构随着冻融过程进行逐步增加,当达到冻融破坏时,累计比孔容明显增加(增加28.8%).C60冻融破坏时微孔含量增加主要发生在102.5～103.0nm区域内.这一孔径的孔主要为毛细孔,因此,C60混凝土冻融破坏实际上是毛细孔的破坏,由毛细孔逐步相互联通、发展,最后形成裂缝.

2.由于C60引气混凝土冻融1200次尚未破坏,因此,图1(c)的结果反映冻融前后混凝土的累计压汞量增加不大,仅3.4%,并且也都属于毛细孔的破坏.

3.C80和C100混凝土冻融1200次时,冻融前后累计比孔容也有所增加,C80增加了14%,C100增加了7.8%和5.9%,但由微孔径分布图可以看出,C80以上高强混凝土冻融过程中微孔含

量的增加范围要比C60引气混凝土小得多,微孔孔径在10～101.5nm范围内,即为极细的毛细孔和较大的凝胶孔,这一结果说明C80以上的高强混凝土本身的密实性很好,一般的毛细孔很少,在冻融1200次循环时产生破坏主要是非常细的毛细孔1).由于C80和C100的高强混凝土经过1200次冻融循环后尚未破坏,因此,最终破坏时的微孔结构尚需进一步研究.

1)见中国建筑科学研究院建筑结构研究所.CEB耐久性混凝土结构设计指南.周　燕等译,1991.

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　　从孔径分布曲线还可以看出,高强混凝土(包括高强引气混凝土)在冻前与冻后最可几孔径有

变大的趋势,因此可以认为是由于高强混凝土在冻融作用下产生的温度应力,使混凝土微孔在不断扩展,从而使混凝土的自身强度降低,这与冻后宏观强度的下降相互印证.

图1　高强混凝土冻融前后的压汞曲线及微孔分布曲线

　　　　　Fig.1　Curveofmercuryvolumepressuredintospecimenanddistributioncurveofmicro2poresfor

high2strengthconcretebeforeandafterfreezingandthawing

(a),(c),(e),(g),(i)Curveofmercuryvolumepressuredintospecimen;(b),(d),(f),(h),(j)Distributioncurveofmicro2pores

●———Beforefreezing;　○———Afterfreezing

3　结语

1.C60高强混凝土并非为高抗冻混凝土,其抗冻性能不能满足F300的要求,但C80,C100等

级的高强混凝土具有超常的抗冻性,其抗冻等级可达F1200以上.

2.高强混凝土冻融破坏的形态与普通混凝土有很大区别,在冻融过程中并不表现相对动弹性

模量损失率或质量损失率(表面剥落)的逐步增加,而是到某一冻融循环时出现裂缝,再发展时相对动弹性模量陡然下降.由此初步说明高强混凝土冻融破坏机理与普通混凝土有差别,高强混凝土冻

　第4期曹建国等:高强混凝土抗冻性的研究　　　297

融破坏的主要因素很可能是在冻融过程中温度变化而产生的疲劳应力所造成的.

3.当高强混凝土采用引气剂改性后,引气高强混凝土比一般的高强混凝土具有更高的抗冻性.

4.高强混凝土冻融过程中,抗折强度在一定冻融循环后出现明显的下降,它比相对动弹性模量和质量损失率反应敏感.因此,对于高强混凝土,尤其是以抗折(抗弯)强度为控制指标的混凝土结构,其抗冻融破坏指标不宜使用动弹性模量和质量损失,建议增加抗折强度为控制指标.

5.气泡间距系数与高强混凝土的抗冻性没有明显的相关性,但气泡平均半径却在一定程度上反映了高强混凝土的抗冻性,当气泡平均半径小于0.01cm时,高强混凝土将具有超抗冻的特性.

6.C60高强混凝土在冻融过程中微孔结构的破坏,主要是毛细孔的破坏,但C80,C100高强混凝土在冻融过程中,可能是非常细的毛细孔和较大凝胶孔的破坏.

高强混凝土是一种近几年来新发展的特种混凝土,高强混凝土的抗冻性研究也是新的领域,从本课题研究的初步结果已经可以看出,高强混凝土的冻融特性与普通混凝土有较大的区别,从高强混凝土的冻融破坏机理到高强混凝土冻融破坏的控制指标等,将在今后的研究中继续探讨.

参考文献[1]　SD105—82水工混凝土试验规范[S].

StudyonFrost2resistanceofHigh2strengthConcrete

CAOJian2guo,　LIJin2yu,　LINLi,　TIANJun2tao,GUANYu2shi,　DENGZheng2gang,　LIFang,　WANGAi2qin

(DepartmentofStructureandMaterials,ChinaInstituteofWaterResources

andHydropowerResearch,Beijing100038,China)

Abstract:Inthispaper,frost2resistanceofhigh2strengthconcreteofC60,C80andC100hasbeenstudiedfrombothofmacroandmicrorespects.Themacro2studyresultsindicatethatthefrost2resis2tanceofthehigh2strengthconcreteofC60doesnotreach300cyclesoffreezingandthawing.Butthefrost2resistanceoftheair2entrainedandhigh2strengthconcreteofC60ismuchbetter,and1200freez2ing2thawingcyclescanbeexceededbyrapidfrostingmethod.Thefrost2resistanceofthehigh2strengthconcreteofC80andC100isalsosogoodthat1200freezing2thawingcyclescanbeexceededbyrapidfrostingmethodtoo.Meanwhile,afteracertainfreezing2thawingcycles,theflexuralstrengthofhigh2strengthconcretedropsremarkably.Themicrostudyresultsindicatethatthehigh2strengthconcretehassuperhighperformanceoffrost2resistancewhenitsmeanradiusofairvoidislessthan0.01cm.Inthefreeze2thawprocess,thedestructionofmicrovoidismainlythatofthecapillaryporesforthehigh2strengthconcreteofC60,butmaybethatoftheverysmallcapillaryporesandthebiggergelporesforthehigh2strengthconcreteofC80orC100.

Keywords:high2strengthconcrete;frost2resistance;flexuralstrength;capillarypores;gelpores