杨英姿等:关于混凝土抗冻性试验方法的讨论
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关于混凝土抗冻性试验方法的讨论
杨英姿, 赵亚丁, 巴恒静
(哈尔滨工业大学土木工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150090)
【摘要】 简要评述了混凝土冻融破坏机理及我国混凝土抗冻性的实验方法、ASTM 标准试验方法和欧洲RILE M 推荐的试验方法, 从单面试验与多面试验、降温速度、检验抗剥落能力等方面对比分析上述试验方法。分析结果指出欧洲RILEM 推荐的CIF 试验方法可以比较好地评价混凝土的抗冻性。
【关键词】 抗冻性; 混凝土; 试验方法
【中图分类号】 TU528. 0 【文献标识码】 A 【文章编号】 1001-6864(2006) 05-0001-04
DISCUSSION ON TEST METHODS OF FROST RESISTANCE OF C ONCR ETE YANG Ying -zi , ZH AO Ya -ding , B A Heng -jing
(School of Civil Engineering , Harbin Institute of Technology , Harbin 150090, China )
A bstract :Mechanism of frost attack and test methods for fr ost resistance of concrete in China and ASTM
standard test methods as well as RILE M rec om mended test methods wer e r evie wed in this paper . Comparations and analysis were conducted in single -surface test or multiple -sur face test , freezing rate , scaling resistance and air content for these test methods . The result shows that CIF test methods recom mended by RILE M is com -paratively good way to evaluate frost resistance of concrete .
Key words :frost resistance ; concrete ; test method
0 前 言
含水分的多孔材料经过反复的冻融循环后会发生破坏。硬化后的水泥石、砂浆和混凝土都属于这样的多孔材料。在寒冷地区, 混凝土经历一个冬天就可以被毁坏。一系列实验方法被用来评价混凝土的长期抗冻性。这些方法包括使混凝土经受不同的冻融循环, 通过测量重量的变化、长度的变化、强度和动弹性模量的降低来监测混凝土内部结构的损伤。实验中所用冻融循环制度不同于自然界中的冻融循环制度, 实验中样品的尺寸、大小及位置关系也不同于实际结构中的混凝土。实际上, 混凝土的抗冻性与许多因素相关, 如冻结速度、水灰比、湿养护的时间以及混凝土的饱水程度, 而这些影响因素在实际服役结构中的混凝土存在着较大的差异。由抗冻性试验方法中获得的混凝土的预期性能并不总是与实际情况相符合, 因此, 希望混凝土抗冻性试验方法更能贴近自然界中混凝土在冻融循环的真实情况, 且不需要花费巨大的人力物力, 其相关的检验指标真正能预示实际工程中的混凝土的抗冻融能力。1 混凝土的冻融破坏机理
关于混凝土受冻破坏机理各国学者进行了很多研究, 并提出众多学说如静水压理论、渗透压理论、Fagerlund 的临界饱水程度理论、Cady 的双机制理论以及Setzer 的微冰晶透镜模型理论。其中以美国的T . C . Powers 提出的静水压理论、Powers 和Helmuth 的渗透压理论较受重视。
静水压理论:①冰首先在混凝土的冻表面上形成, 把试内进入饱和度较小的区域; ③混凝土渗透性较大时, 形成水压梯度, 对孔壁产生压力; ④随着冷却速度的加快, 水饱和度的提高和气孔间隔的增大以及渗透性和气孔尺寸的减小, 水压将会增高; ⑤当水压超过了混凝土抗拉极限强度时孔壁就会破裂, 混凝土受到损害; ⑥如果在气温上升结冰融解之后又发生冻结, 这种反复出现的冻融交替具有累积的作用, 使混凝土的裂缝扩张, 表面剥落直至完全瓦解。
渗透压理论:含有未冻水的孔与含冰和离子溶液的大孔之间的渗透压(毛细孔与凝胶孔内溶液之间的浓度差会引起凝胶孔向毛细孔中的扩散, 从而形成了渗透压) , 趋于平衡使孔壁的压力增加。即使水中没有离子溶解时, 水分子从小孔到含冰孔扩散时也有类似渗透压作用。
密封的干燥混凝土在冻融循环过程中是几乎不受影响, 这表明混凝土的受冻破坏取决于硬化的水泥浆体是否含有水, 含水量以及水在冻结过程中是否能产生足够的应力破坏水泥石的内部结构。这就是Fagerlund 的临界饱水程度理论, Fagerlund 在1977年指出混凝土临界饱和度的值为80%。但是在他随后的研究中, 他又分析证明了低渗透性高强混凝土含有非常少量的可冻结水, 就可足以导致引起基体裂纹的非常大的拉应力, 且气孔的存在可以释放该应力。
Dun , Hndec 认为孔壁吸附水分子和阳离子将直接导致混凝土结构的破坏。Litvan 认为在冻结过程中未冻结的水分子由于蒸汽压迁移到可渗透部位(外表面、大孔) , 在融解过程中, 迁移出去的水要重新回到原来的位置却不能发生, 这的生长继内部结
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低 温 建 筑 技 术2006年第5期(总第113期)
的产生。在这种情况下, 冻结形成了半透膜固体(不是冰晶体) 阻挡了未冻水的回迁, 冻融过程中水分迁移的不连续性使内部应力不断增加, 这样静水压理论和冰晶的生长继续导致混凝土内部结构破坏的产生。Cady 双机制理论认为由于冷却过程中吸附水体积增加而大大加强了Powers 提出的未冻水的静水压, 吸附机制强化了静水压机制但吸附作用要比静水压作用持续时间长。
Setzer 的微冰晶透镜模型理论指出, 冻融作用主要是一个饱和作用发生的过程, 只有混凝土达到一定的饱和程度, 内部破坏才可能发生。冻结过程中的冷缩和融化过程的湿胀导致了饱和作用的发生。冻结过程中的冷缩使孔内部的水向微冰晶透镜发生了几乎不可逆转的迁移, 融化过程中冰转化成水及湿胀过程几乎被停止, 外部的水将以更快的速度进入混凝土内部, 冻融循环过程好像产生一个亚微观结构的泵导致了饱和作用的发生远远超过等温条件下的毛细饱和作用, 如果临界饱和程度被达到, 混凝土的冻融破坏作用很快就会发生。
除了受冻融破坏以外, 寒冷地区的混凝土还会受到除冰盐的侵蚀, 导致混凝土表面粗糙、凹坑及剥落。盐类剥蚀机理通常解释为除冰盐的融化导致混凝土表面的温度快速降低, 引起混凝土表面快速冻结及温度应力, 表面上的自由水为混凝土表层内的宏观、微观的冰晶长大提供了必要条件。另一方面, 除冰盐累积在混凝土的表层里形成比较高的浓度区, 当混凝土表面有足够的自由水存在时, 渗透压就会形成, 由此导致水泥石的破坏。
到目前为止, 混凝土的受冻破坏机理还不是完全清楚, 它可以是由于静水压或者是渗透压, 或者是冻融过程中水分迁移的不连续性, 混凝土内部的临界饱和度, 或者微冰晶透镜的长大, 或者上述一个或者几个作用机理的结合。2 混凝土抗冻性的试验方法2. 1 我国冻融循环试验标准
目前, 我国抗冻性的实验方法主要依据“普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法GBJ82—85”的规定分为慢冻法和快冻法, 慢冻法简称为“气冻水融”, 并以N 次冻融循环后混凝土强度损失率和重量损失率作为评判标准, 混凝土的抗冻标号以同时满足强度损失率不超过25%,重量损失率不超过5%时的最大循环次数来表示。冷冻箱(室) 装有试件后能使箱(室) 内温度保持在-15～-20℃的范围以内。融解水槽装有试件后能使水温保持在15～20°的范围以内。每次循环中试件的冻结时间应按其尺寸而定, 对100mm ×100mm ×100mm 及150mm ×150m m ×150mm 试件的冻结时间与融化时间不应小于4h , 对200m m ×200mm ×200mm 试件不应小于6h 。
快速法抗冻性能指标可用经受快速冻融循环次数或耐久性系数来表示。混凝土耐快速冻融循环次数应以同时满足相对动弹性量值不小于60%和重量损失率不超过5%的最大循环次数来表示。混凝土耐久性系数应按下式计算:
K n =P ×N 300
(1)
式中, K n 为混凝土耐久性系数; N 为混凝土耐快速冻融的循环次数; P 为经N 次冻融循环后试件的相对动弹性模量。
2～内完成, 其中不得小于整个冻融时间的1 4。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℃,每块试件从6℃降至-15℃所用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, 试件内外的温差不宜超过28℃,冻和融之间的转换时间不宜超过10min 。
2. 2 美国材料试验协会标准(ASTM )
ASTM C666(Standard Test Method for Resistance of Concrete to Rapid Freezing and Thawing ) 是混凝土快速冻融的试验方法, 分为A 和B 两种方法。冻融循环的温度是在4. 4～-17. 8℃范围内变化, 降温速度为12. 2～14. 4℃ h 。方法A 是指冻和融均在水中, B 指冻在空气中而融在水中; 试验连续进行直到300次或者动弹性模量达到初始值的60%,耐久性系数按照公式(1) 计算。
ASTM C 671是受冻的混凝土临界膨胀量的标准实验方法(Standard Test Method for Critical Dilation of Concrete Specimens Subjected to Freezing ) 。混凝土在慢速冻融过程中, 通过测定混凝土达到临界膨胀量所需要的时间来评价混凝土的抗冻性。冻融循环制度是:试件完全浸在煤油里, 以2. 8±0. 5℃ h 降温速度使试件由1. 7℃降到-9. 4℃, 随后返回到1. 7℃的恒温水浴中直至下一个循环。每两周执行一次循环。在冻结过程中, 试件长度的变化一直被监测直至临界膨胀量的出现。达到临界膨胀量的试验时间被用作评价混凝土抗冻性的指标。
ASTM C 672是混凝土表面暴露在除冰盐条件下的抗剥落能力的试验方法(Standard Resistance of Concrete Surfaces Ex -p osed to Deicing Chemicals ) 。循环制度是:将CaCl 2封存在试件表面, 置于-17. 8±1. 7℃的冰箱内16～18h , 然后置于实验室空气中温度为23±1. 7℃及45%～55%相对湿度中6～8h 。每5个循环结束时, 冲洗试件表面, 目测检查试件剥落程度, 是一个定性的评价方法。
ASTM C 1262是评价各类混凝土制品冻融耐久性的标准实验(Standard Test Method for E valuating the Freeze -Thaw Du -rability of Manufactured Concrete Masonry Units and Related Con -crete Units ) 。将混凝土试件部分浸入盛有水或者NaCl 的溶液容器里, 冻融循环制度是:冻的过程冰箱内空气的温度-18±5℃,冻结时间不短于4h , 不长于5h ; 融的过程容器内空气的温度保持在24±5℃,时间不少于2. 5h , 不长于96h 。剥落量占初始试件重量的百分比作为评价抗冻融耐久性的指标。这是一个定量的评价方法。2. 3 RILE M 推荐的试验方法
目前, RILE M 推荐CIF 实验方法(C :毛细管吸入; I :内部破坏; F :冻融循环试验) 和平板试验(Slab test ) 方法来评价混凝土的抗冻性。
平板试验(Slab test ) :平板试样从混凝土试验样品中锯出, 3mm 深的去离子水层或3%NaCl 溶液置于其上, 进行冻融循环。抗冻性是通过测量56次循环后的平板表面的剥落质量。冻融循环制度见图1。
CIF 试验:CIF 试验主要是在某一设定的液体中通过冻融循环测定混凝土内部结构的破坏, 试验可以被剥落试验补。,
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很少发生, 在实际现场的混凝土中, 当冰前锋向混凝土内部移动时, 一个面或更多的面是不冻结的, 这样, 一方面, 水分可以先于冰前锋从混凝土孔结构系统退出, 导致冻结破坏作用降低; 另一方面, 根据微冰晶透镜原理, 微冰晶透镜通过毛细孔吸引更多的水, 导致微冰透镜的长大直至微裂纹的产生, 混凝土内部结构的破坏。究竟哪种作用更易于发生, 目前尚未清楚。总之, 单面试验更贴近实际现场暴露于冻融循环环境中混凝土。
(2) 降温速度。我国快速冻融的试验方法、ASTM 的快速冻融的试验方法的降温速度为3℃ h , 实际结构中的混凝
的能力, 3%的NaCl 溶液被用来监测混凝土抗冻融于除冰盐的能力。CIF 试验已发展成最少的设备和人力支出的高精度试验方法, C 意思是毛细管吸入, I 是内部破坏, F 是冻融循环试验。当混凝土受到冻融破坏时, 混凝土内部结构破坏和表面破坏会发生, 如果有除冰盐同时存在的情况下破坏程度会加剧。通常情况下, 混凝土仅受到冻融作用时, 内部破坏占主要作用, 因此, 内部破坏是评价混凝土抗冻性的决定性指标, 剥落程度应该作为附加标准。表面破坏占主导作用是在冻融与除冰盐共同作用下发生的。内部破坏的测量是为了提供附加的抵抗能力的标准, 例如当引气组分没有被用在混凝土中。CIF 试验通过超声波传输时间决定内部破坏, 当与表面剥落量测定结合在一起时, 样品的内部破坏与外部破坏同时被研究。12h 的冻融循环被采用见图2。有大量数据表明该方法的试验结果的精度、可重复性、再现性很好; 缺点是实验设备的造价高
。
土几乎很少会达到这个降温速度。得到普遍认可的是:降温速度越快, 静水压越高, 混凝土的破坏被加速。有相当的实验结果证实降温速度的提高对混凝土抗冻融耐久性有十分有害的影响。又有研究结果证实:当试件被密封时, 降温速度的作用变得不明显了, 因此, 降温速度越贴近现场的实际情况, 该方法越能真实反映实际结构中混凝土的抗冻性。ASTM C 671和ASTM 1296每两周完成一个冻融循环。厚板试验每24h 完成一个冻融循环, CIF 试验每12h 完成一个冻融循环。
(3) 抗剥落能力。混凝土表面在有水溶液或者盐溶液的冻融循环作用下, 表面有时会发生膨胀、开裂以及剥落。这对于寒冷地区混凝土是时常发生的现象, 需要有相应的试验方法来检验混凝土的抗剥落能力。我国混凝土抗冻性试验方法中没有这方面的要求。美国ASTM 有两个相应的标准定性、定量地评价混凝土的抗剥落性。RILEM 推荐的厚板试验和CIF 试验均可获得混凝土的抗剥落能力, 同时, CIF 实验还可检测混凝土的内部破坏。
(4) 气孔结构。有研究证明快速冻融的试验方法(ASTM C 666-B ) 对混凝土的气孔含量特别敏感, 其它试验方法对混凝土含气量的敏感程度尚没明确的研究结果。在一定范围内, 随着混凝土含气量的提高混凝土的抗冻耐久性也在提高。在实际工程中是否意味着提高混凝土的耐久性就一定要提高其含气量呢? 答案不是这样的, 有些混凝土即
使含气量很低但其抗冻性依然很好。更须注意的是混凝土
3 各种试验方法的对比分析
抗冻性试验是混凝土耐久性的一个重要组成部分, 其重点是检验混凝土长期抵抗冻融循环的能力。众多冻融循环试验条件中水中冻融、气冻水融、快冻法、慢冻法、ASTM 试验方法、CIF 试验、Slab 试验哪个更接近受寒冷气候条件作用下的混凝土, 不同的试验方法现状表明:没有单一的方法可以完全覆盖各种不同的实际情况。然而, 任何方法应该和实际情况相关联并能给出一致性的结果。这样的试验方法可能不适合某些特定的情况下其抵抗能力, 但是它能提供混凝土抗冻融及在除冰盐条件下混凝土抗冻融能力的数据。如果混凝土抗冻融的能力不充分, 将导致两种不同类型的破坏:表面剥落及内部结构破坏。如果某种试验方法能够涵盖着两个方面, 应该是值得选择的试验方法。可以从以下几个方面对上述试验方法进行对比分析。
(1) 单面试验与多面试验。我国抗冻性的试验方法、ASTM 的快速冻融的试验方法在融的过程中, 试件6个面浸入水中, 使更多的水进入混凝土内部。而这种情况在实际中
的含气量每提高1%, 混凝土强度降低3%～5%。
(5) 混凝土冻融破坏机理。混凝土的冻融破坏机理存在众多的学说, 它们之间又相互关联, 随着实际结构中混凝土外部条件和内部结构的变化, 冻融破坏机理也在发生变化。哪一种或者几种冻融破坏机理更能代表实际结构中混凝土的受冻破坏现状, 基于这些冻融破坏机理建立的抗冻性试验方法才更具有代表性, 混凝土的受冻破坏机理更需要深入广泛地进行研究。4 结语
从单面试验与多面试验、降温速度、检验抗剥落能力及气孔结构等方面对比分析我国混凝土抗冻性试验方法、美国ASTM 标准试验方法以及欧洲RILEM 推荐的试验方法。分析结果指出欧洲RILE M 推荐的CIF 试验方法具有如下优点:①单面试验和降温速度更接近实际寒冷地区气候环境对混凝土的作用; ②将剥落量和内部破坏同时作为冻融破坏的评价指标; ③试验周期短; ④试验结果的精度、可重复性、再现性好; 缺点是实验设备的造价高。
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低 温 建 筑 技 术2006年第5期(总第113期)
GT M 方法设计沥青混合料低温性能研究
王联芳
(河北省交通勘察设计研究院, 石家庄 050091)
【摘要】 分别采用GTM 方法和马歇尔方法对AC -13上、中、下限和AC -16中值等4种级配的沥青混合料进行了配合比设计, 确定了最佳沥青用量。在室内测试了4种混合料在最佳沥青用量时的低温抗弯拉强度、低温应变和应变能等指标。试验结果表明:采用GTM 方法设计的沥青混合料具有良好的低温路用性能。
【关键词】 GTM 设计方法; 马歇尔设计方法; 低温性能; 应变能
【中图分类号】 TU535 【文献标识码】 B 【文章编号】 1001-6864(2006) 05-0004-03
0 前 言
利用美国工程兵旋转压实剪切试验机(GYRATORY TESTING MACHINE , 简称GTM ) 进行沥青混合料配合比设计在国际上是一项成熟的技术。美国工程兵旋转压实剪切试验机是美国工程兵团在60年代发明的, 于1978年列入美国ASTM 规范, 在2003年进行了修订。它最大限度地模拟了汽车对路面的实际作用情况, 以推理的方法来设计沥青混合料。根据汽车对路面的实际作用压强来设计沥青混合料, 使设计的沥青混合料的剪切强度大于其所受的剪应力, 并使应变控制在适当的范围内。GTM 利用应力应变原理进行沥青混合料配合比设计, 可以减少沥青路面在重载交通下出现车 表1
试验项目实测结果规范要求
针入度(1 10mm ) 74. 260～80
延度/c m >100≥100
软化点/℃4844～54
辙、推移、拥包等破坏。
研究表明以GTM 方法设计的沥青混合料具有优良的高温稳定性能, 大幅度地降低沥青路面的车辙病害, 因此在国内得到了广泛的推广应用。同时GTM 方法设计的沥青混合料其沥青用量较常规的马歇尔方法低, 因此其低温抗裂性能受到广大学者的关注。根椐国内外的研究报道, 在沥青混合料中, 沥青结合料对抵抗车辙方面贡献29%,抗疲劳贡献52%, 而在低温抗裂中贡献却达到87%;也有学者认为, 在沥青混合料的低温收缩和疲劳开裂中, 集料的骨架作用对抑止低温开裂无能为力, 而沥青结合料的低温抗裂性能却起到决定性的作用。因此, 研究GTM 设计的沥青混合料的低温
AH -70沥青的技术性能
含蜡量/%2. 5≤3
闪点/℃308≥230
溶解度/%99. 7≥99. 0
密度/g ·cm -31. 007实测
质量损失/%0. 08≤0. 8
薄膜加热试验针入度比/%
63. 2≥55
延度/c m >100≥50
性能, 对预防沥青路面的低温开裂具有重要意义, 同时也为综合评价GTM 沥青混合料的路用性能提供重要依据。1 原材料
(1) 沥青:采用AH -70牌号沥青, 其性能见表1。
(2) 粗集料:采用玄武岩和石灰岩两种粗集料, 表2为玄武岩石料的技术性能。石灰岩集料的压碎值指标为16. 7%,针片状含量为8. 4%,粘附性为5级。
(3) 细集料:石屑和矿尾砂(质量比1∶1) 掺配而成。
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[作者简介] 杨英姿(1967-) , 女, 副教授, 博士, 从事混凝土耐
久性教学与研究工作。