多因素影响下低温混凝土抗冻临界强度的研究
多因素影响下低温混凝土抗冻临界强度的研究
一、研究背景
混凝土作为当代最重要的建筑材料之一，其耐久性逐渐开被人们所重视。影响混凝土耐久性的因素很多，而北方地区冻害是影响混凝土耐久性的主要因素。对于混凝土冻害的研究，多年来国内外学者按照混凝土遭受冻害的时间阶段将其分成早期冻害和后期冻害两大类型。混凝土的早期冻害指混凝土浇注后，在凝结硬化期间受到一次冻结或反复冻融而引起混凝土内部产生无数累积裂缝所引发的性能劣化；后期冻害指充分硬化、强度达到设计要求的混凝土，在其使用过程中,因在其使用过程中，因周围介质的温度在正负间反复变化而发生破坏所引起的冻害。前者是由于负温施工引起的，后者是因为混凝土遭受冻融循环作用引起的，二者对混凝土的耐久性都会造成不同程度的影响。在这类冻害中，相对于混凝土的后期冻害，早期冻害对性能的劣化更为严重，因此研究低温混凝土早期冻害的机理和预防成为北方寒冷地区混凝土研究的重点。
二、研究目的和意义
当今我国正处于社会城市化进程加速发展的过程中，国家的基础设施建设以前所未有的速度和规模在发展，而对于我国北方地区而言，越来越多的工程要进行混凝土的冬季施工甚至是跨越多个冬季施工。由于混凝土在冬季施工早期经历了低温阶段，因此许多己建项目中有相当数量的混凝土工程遭受早期冻害破坏，这种破坏所造成的各方面性能损伤对混凝土耐久性影响非常大。
为了使工程继续发挥作用，各部门每年都要耗巨资加以维修。所以遭受早期冻害破坏的混凝土工程不仅直接影响人们的生命财产安全，同时也给经济建设带来巨大的浪费。为了解决低温混凝土早期冻害带来的诸多问题，国内外研究人员针对于低温混凝土早期冻害机理和冻害预防展开了大量的研究工作。
三试验设计与制作要求
1.原材料
（1）水泥
（2）水
（3）集料：粗集料、细集料
（4）掺合料：粉煤灰、硅灰
（5）外加剂；早强剂：减水剂：蔡系高效减水剂
2.试验方案
2.1低温混凝土抗冻临界强度的多种影响因素优选
(1)评价方法:
①抗压强度法：受冻转标准养护后混凝土的抗压强度不低于标准养护混凝土抗压强的95%。
②抗冻性能法：受冻转标准养护后混凝土的抗冻融循环次数不低于标准养护混凝土的抗冻融循环次数的95%。
(2)掺合料：选用Ⅱ级粉煤和硅灰作为掺合料
(3)受冻环境：对混凝土遭受冻害的环境别设置了一次冻结环境和多次冻结环境，在一次冻结环境中设置了一次气冻环境和一次水冻环境。
①冻结温度的设置：实验研究中恒负温选择了-20℃。而采用冻性能评价方法中，其冻结温度的设定与混凝土快冻实验中的温度设定一致，即-17℃~8℃。
②冻结时间的设置：试验中设置了3d受冻。
③三种冻结环境定义
一次气冻环境：恒低温一20℃的情况下，试件放入冰箱里静置3d；
一次水冻环境：试件浸水4h后，放入恒低温-20℃的冰箱中静置3d；
多次冻结环境：试件放入冻融循环箱，在-17℃~8℃环境中，冻6h、融6h，进行历时3d的6个冻融循环。
2.2混凝土组成及养护条件设计
本试验通过对低温混凝土的抗压强度、动弹模量等指标参数综合分析处理，确定多因素对低温混凝土抗冻临界强度的影响。详细的实验设计如下：
(l)低低温混凝土养护条件和测试龄期的设计（10组）
l组：标准养护；其预养护时间分别为18h、20h、22h、24h、26h、28h、30h、32h、34h、
36h、38h、40h、42h、44h、46h、48h、52h、56h、60h、72h、28d。
2组：标准预养护后转恒负温养护3d(温度为-20℃)。
3组：标准预养护后转恒负温养护3d(温度为-20℃)，继而标准养护至28d。
4组：标准预养护后转恒负温养护3d (温度为-20℃)，继而标准养护至28d后，进行冻融循环。
5组：标准预养护后浸水4h转恒负温养护3d(温度为-20℃)。
6组：标准预养护后浸水4h转恒负温养护3d(温度为-20℃)，继而标准养护至28d。
7组：标准预养护后浸水4h转恒负温养护3d(温度为-20℃)，继而标准养护至28d后，进行冻融循环。
8组：标准预养护后冻融循环(冻6h融6h)6个循环。
9组：标准预养护后冻融循环(冻6h融6h)，6个循环后转标准养护至28d。
10组：标准预养护后冻融循环(冻6h融6h)，6个循环后转标准养护至28d后，进行冻融循环。
3测试方法
3.1立方体抗压强度试验
(1)尺寸:100×mm×100mm×100mm
(2)所采用试验机的要求：
精度(示值的相对误差)至少应为20%，其量程应能使试件的预期破坏荷载值不小于全量程的20%，也不大于全量程的80%。试验机上、下压板及试件之间可垫以钢垫板，钢垫板的两承压面均应机械加工。与试件接触的压板或垫板的尺寸应大于试件的承压面，其不平度应为每100mm不超过0.02mm。
(3)试验步骤
①先将试件擦拭干净，测量尺寸，并检查其外观，试件尺寸测量精确至1mm，并据此计算试件的承压面积A。如实测尺寸与公称尺寸之差不超过1mm，可按公称尺寸进行计算。试件承压面的不平度不应大于试件边长的0.05%，承压面与相邻面的不垂直度不应大于±1°。
②将试件直立放置在试验机的下压板上，试件的轴心应与压力机上压板中心对准，开动试验机，当上压板与试件接近时，调整球座，使接触均衡。
③混凝土试件的试验应连续且均匀地加荷，当混凝土强度等级低于C30时取每秒钟
0.3MPa~0.5MPa，强度等级等于或大于C30时取0.5MPa~0.8MPa。当试件接近破坏迅速变形时应停止调整试验机油门直至试件破坏，然后记录破坏荷载。
④以3个试件测值的算术平均值作为该组试件的抗压强度值。
3.2冻融循环试验
采用(GBJ82一85)中的快冻法：本方法适用于检验以混凝土试件所能经受的冻融循环次数为指标的抗冻等级。
(1)试件
尺寸为100×100mm×400mm的棱柱体标准试件，放入混凝土自动冻融循环机中，快速饱水冻融，在达到一定冻融循环次数后，用动弹仪测动弹模量或横向基频。
(2)试验设备
①快速冻融装置：满载运转时冻融箱内各点温度的极差不得超过2℃。
②试件盒：由1~2 mm厚的钢板制成，其净截面尺寸应为100×100mm，高度比试件高出50~100mm部垫起后，盒内水面应至少能高出试件顶面5mm。
③案秤:称量10kg，感量5g。
④动弹性模量测定仪:共振法动弹性模量测定仪。
⑤热电偶、电位差计:能在2℃~20℃范围内测定试件中心温度，测量精度不低于±0.5℃。
(3)试验步骤
①如无特殊要求试件应在28d龄期时进行冻融试验。试验前4d应把冻融试件从养护地点取出，进行外观检查，随后放在15℃~20℃水中浸泡，浸泡时水面至少应高出试件顶面20mm，试件浸泡4d后进行冻融试验。对比试件则应保留在标准养护室内，直到完成冻融循环后，与抗冻试件同时试压。
②浸泡完毕后，取出试件，用湿布擦除表面水份、称重、按编号置入框篮后即可放入冷冻箱室开始冻融试验。在箱室内框篮应架空，试件与框篮接触处应垫以垫条并保证至少留有
20mm的空隙，框篮中各试件之间至少保持50mm的空隙。
③冻融到达以下种情况之一即可停止试验。
a、已达到300次循环；
b、相对动弹性模量下降到60%以下；
c、重量损失率达5%。
(4)试验注意事项
①每次冻融循环在2碑h完成，其中用于融化的时间不得小于整个冻融时间的1/4。
②在冻结和融化终了时，试件中心温度应分别控制在-17±2℃和8±2℃。
③每块试件从6℃降至-15℃所以的时间不得少于冻结时间的1/2。每块试件从-15℃升至6℃所用的时间也不得少于整个融化时间的1/2，试件内外的内外温差不宜超过28℃。
④冻和融之间的转换时间不宜超过10分钟。
⑤试件一般应每隔10次循环作一次横向基频测量，测量前应将试件表面浮渣清洗干净，擦去表面积水，并检查其外部损伤及重量损失。测完后应立即把试件掉一个头，重新装入试件盒内，试件的测量、称量及外观检查应尽量迅速以免水份损失。
⑥为保证试件在冷液中冻结时温度稳定均衡，如有一部份试件停冻取出时，应另用试件填充空位。
(4)扫描电镜分析
经标准养护的100mm×l00mml×100mm的混凝土试件，测完强度后，随意捡取试样中心的混凝土碎块，用无水乙醇终止水化，在60℃下干燥至恒重。选取混凝土水泥浆体与集料交界的部分，折成Icm3左右的小块，然后置于日本JSM一5610LV型扫描电子显微镜对处理好的样品进行观察。
3.3低温混凝土的测孔方法优选
(l)低温混凝土研究孔的孔径范围
(2)低温混凝土测孔方法的确定
四、试验过程的观察
1评价方法对低温混凝土抗冻临界强度的影响
1.1抗压强度法下的低温混凝土抗冻临界强度
1.1.1不同养护条件下低温混凝土的抗压强度
测试不同配合比混凝土在以下7种情况的抗压强度:
(l)不同标准养护龄期混凝土(18h、20h、22h、24h、26h、28h、30h、32h、34h、38h、40h、42h、44h、46h、48h、52h、56h、60h、72h、28d)的抗压强度。
(2)不同预养护龄期混凝土恒负温(-20℃)环境中置放3d后的抗压强度。
(3)不同预养护龄期混凝土恒负温(-20℃)置放3d转入标准养护至28d的抗压强度。
(4)不同预养护龄期混凝土在水中浸泡4h后，在恒负温(一20℃)环境中置放3d的抗压强度。
(5)不同预养护龄期混凝土在水中浸泡4h后，恒负温环境中置放3d转入标准养至28d 的抗压强度。
(6)不同预养护龄期混凝土遭受6个冻融循环(为时3d)后的抗压强度。
(7)不同预养护龄期混凝土遭受6个冻融循环(为时3d)转入标准养护至28d的抗压强度。
1.1.2基于抗压强度法的低温混凝土抗冻临界强度
以抗压强度的95%作为评价指标，分析不同配合比试件的抗冻临界强度取值。
1.2抗冻性能法下的低温混凝土抗冻临界强度
采用低温混凝土受冻转入标准养护后的抗冻性能作为另外一个低温混凝土质量评价指标，研究低温混凝土抵抗不同环境的冻害破坏所需要的抗冻临界强度。
(1)抗冻性能评价方法
测定低温混凝土抗冻性能的试验方法主要有以下三种：快冻法、慢冻法和盐冻法。
(2)不同养护条件下低温混凝土的相对动弹性模量。
(3)基于抗冻性能法的低温混凝土抗冻临界强度。
1.3评价方法影响抗冻临界强度的机理分析
采用抗压强度评价方法确定低温混凝土抗冻临界强度时，要求达到抗冻临界强度的混凝土冻后转标准养护的抗压强度必须达到标养混凝土抗压强度的95%以上。
不同养护条件下A组试件的抗压强度
抗压强度
编号 18h 20h 22h 24h 26h 28h 30h 32h 34h 36h
A1
A2
A3
A4
A5
A6
A7
A8
A9
2.掺合料组成对低温混凝土抗冻临界强度的影响
2.1掺合料对一次气冻环境中抗冻临界强度的影响
(1)粉煤灰掺量对低温混凝土抗冻临界强度的影响
当低温混凝土遭受一次气冻转入标准养护至28d后，由于混凝土组成中掺合料的种类和掺量不同，导致其转入标准养护后的抗压强度存在一定的差异的分析。
(2)硅灰掺量对低温混凝土抗冻临界强度的影响
通过在低温混凝土中掺加5%、8%以及10%的硅灰，研究其对低温混凝土抗冻临界强度取值、达到抗冻临界强度时所需要预养护龄期的影响。
2.2掺合料对一次水冻环境中抗冻临界强度的影响
(1)粉煤灰掺量对低温混凝土抗冻临界强度的影响
(2)硅灰掺量对低温混凝土抗冻临界强度的影响
2.3掺合料对多次冻结环境中抗冻临界强粉煤灰掺量对低温混凝土抗冻临界强度的影响
(1)粉煤灰掺量对低温混凝土抗冻临界强度的影响
(2)硅灰掺量对低温混凝土抗冻临界强度的影响
2.4掺合料影响抗冻临界强度的机理分析
(1)掺合料对混凝土孔隙率的影响
(2)掺合料的作用机理
标准养护下混凝土冻融循环后相对动弹性模量
相对动弹性模量(%)
编
60 70 80 90 100 110 120 130 140
号
A1
B1
C1
D1
E1
F1
G1
H1
3.受冻环境对低温混凝土抗冻临界强度的影响
3.1受冻环境对低温混凝土抗压强度发展的影响
(1)受冻环境对受冻后混凝土的抗压强度影响
(2)受冻环境对受冻转入标养后混凝土的抗压强度影响
(3)受冻环境对基于抗压强度法的抗冻临界强度影响
3.2受冻环境对低温混凝土后期抗冻性能的影响
(1)受冻环境对冻后混凝土相对动弹性模量的影响
(2)受冻环境对基于杭冻性能法的抗冻临界强度影响
3.3受冻环境影响抗冻临界强度的机理分析
(1)不同受冻环境混凝土的孔结构状态
(2)抗冻临界强度与孔结构的关系
低温混凝土抵抗早期冻害所需的抗冻临界强度(MPa)
A B C D E F G H
一次气冻环境中
一次水冻环境中
多次冻结环境中
五、试验进度计划及经费情况
1.试验进度计划
本试验共需要38天，前试验3天为试验准备时间，试件的制作与养护需要30天，试件
强度测量需要1天，数据处理和结果分析3天，试验结尾与报告总结1天。
2.试验经费情况
(1)材料费：1600元(试件、外加剂、辅助工具等)
(2)资料费：200元（打印实验指导书及实验报告）
(3)加工费：600元（试件加工费
(4)检测费：300元
(5)交通费：300元（调研、购置材料等交通费）
(6)经费合计：3000元