混凝土抗凍性評價現(xiàn)狀與存在問題的研究

字號:

摘 要:本文通過對國內(nèi)外抗凍性試驗方法的調(diào)查分析,對各國采用的混凝土慢凍法、快凍法和鹽凍法等試驗方法進行了歸納總結(jié),重點分析了各種方法存在的試驗方法不合理、計算結(jié)果誤差大以及高性能混凝土的適應(yīng)性等問題,并提出修改意見。
    關(guān)鍵詞:抗凍性;試驗方法;評價
    1 前言
    混凝土抗凍性的研究與評價是對國民經(jīng)濟具有重大意義的課題,考慮到我國廣大“三北”地區(qū)的現(xiàn)實,可知此言并不為過。理論研究不夠深入,廣大工程單位更是單純地依靠凍融循環(huán)試驗,只按經(jīng)驗解決實際問題。我們目前仍在簡單地重復(fù)國外20世紀(jì)30-40年代的試驗方法。由于評價方法與當(dāng)前工程的發(fā)展不協(xié)調(diào),造成許多工程在應(yīng)用中產(chǎn)生凍融(或鹽凍)破壞,如一些公路、橋梁等工程在短期就發(fā)生抗凍的破壞,給國民經(jīng)濟造成很大的損失。
    近年來,隨著混凝土技術(shù)的發(fā)展,高性能混凝土的研究與應(yīng)用日益得到人們的重視,而高性能混凝土的研究中更是以混凝土耐久性的研究為其核心的內(nèi)容?;炷量箖鲂允腔炷聊途眯灾械闹匾M成部分。混凝土抗凍性的研究與其評價方法是密不可分的。目前我們使用的方法對當(dāng)前混凝土技術(shù)的發(fā)展顯然是不適應(yīng)的。為此,我國準(zhǔn)備對《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法》CBJ 82—85進行修訂,針對修編工作,我們對國內(nèi)外的抗凍性試驗方法進行了分析研究。
    2 混凝土受凍破壞機理簡介所有的評價方法建立在對其抗凍理論和其破壞機理的不同理解之上。目前國內(nèi)外混凝土凍結(jié)破壞機理主要有三種學(xué)說。
    2.1 靜水壓理論學(xué)說Powers提出的靜水壓理論學(xué)說主要由以下幾個要點組成:①凍結(jié)時,負溫度從混凝土構(gòu)件的四周侵入,凍結(jié)首先在混凝土四周表面上形成,并將混凝土構(gòu)件封閉起來;②由于表層水結(jié)冰,冰體積膨脹,將未凍結(jié)的水分通過毛細孔道壓人飽和度較小的內(nèi)部;③隨著溫度不斷降低,冰體積不斷增大,繼續(xù)壓迫未凍水,未凍水被壓得無處可走,于是在毛細孔內(nèi)產(chǎn)生越來越大的壓力,水泥石內(nèi)毛細孔產(chǎn)生拉應(yīng)力;④水壓力達到一定程度,水泥石內(nèi)部的拉應(yīng)力過高,高于抗拉強度極,則毛細孔會遭到破裂,混凝土中即產(chǎn)生微裂紋而受到破壞。
    2.2 滲透壓理論在提出了靜水壓力學(xué)說后,Powers在自己的試驗中發(fā)現(xiàn),水泥漿體中的水在凍結(jié)時并不是向外排出,而是向著冷源移動。他和他的同事Helmuth于是又對混凝土的凍融破壞機制提出了滲透壓理論。該理論認(rèn)為,在負溫條件下時,大孔及毛細孔孔中的溶液首先有部分凍結(jié)成冰,由于在溶液中的水從中凍結(jié)出來,使得溶液的濃度變大。從而在毛細孔與凝膠孔內(nèi)溶液之間存在著濃度差,引起從凝膠孔向毛細孔的擴散作用,形成滲透壓。例如,一塊從頂部開始凍結(jié)的板,如果水由于滲透壓得以從底部且透過板厚向頂部遷移,則該板將嚴(yán)重損壞。
    2.3 G.G.Litvan的補充理論加拿大的C.C.Litvan于1972年提出關(guān)于混凝土受凍破壞的理論。他認(rèn)為,凡是被吸附在多孔固體表面上或包含其中的水,如果不經(jīng)過重分布就不會凍結(jié);之所以不能固化是由于表面力的作用,阻止被吸附液體達到形成結(jié)晶所需要的排列秩序。但是這些水的蒸汽壓與已形成的冰有差別,能夠遷移到易于結(jié)冰的地方,例如較大的孔隙或外表面,并積聚在裂隙中。如果凍融循環(huán)中積聚在裂隙中的水不能歸還原位,它們將使裂隙擴大。
    3國內(nèi)外混凝土抗凍性評價方法的綜述
    3.1 國外混凝土抗凍性試驗方法分析目前國外混凝土抗凍性試驗方法主要有:快凍法、慢凍法、鹽凍法。上面的混凝土凍結(jié)理論分析表明,ASTMC666快凍法主要是基于Powers提出的靜水壓理論學(xué)說,而BII,EM冗176-IDC~2002CP和CDF鹽凍法主要是基于滲透壓理論,兩者各有側(cè)重。ASTM 0666快凍法適合純粹由水的凍結(jié)引起的凍融破壞,而BII,EM的鹽凍法更適用于有除冰鹽存在情況下的凍融破壞。在不同環(huán)境中的混凝土的抗凍性的評價應(yīng)根據(jù)需要進行選擇??靸龇ê望}凍法應(yīng)用的范圍各不相同,評價的方法也各不相同,完全是基于兩種不同理論上的不同的試驗方法,兩者對混凝土抗凍性的評價沒有一定換算關(guān)系,很難判斷也無法判斷孰優(yōu)孰劣。
    3.1.1 快凍法混凝土快速凍融試驗方法首先由美國ASTM提出,以ASTM C666為代表,日本的JISAll48、加拿大的CSA-A23.2和一些西歐國家多采用這種方法。ASTM法有兩種,一為快速水凍水融法,混凝土在水中凍結(jié)和融化;二為快速氣凍水融法?;炷猎诶鋬鍪业目諝庵袃鼋Y(jié),然后移至水池中融化。若相應(yīng)循環(huán)次數(shù)的混凝土相對動彈性模量降到初始值的60%或重量損失達5%,試驗即終止。
    3.1.2 慢凍法以前蘇聯(lián)和東歐國家采用的慢凍法為代表。以FOCT l006為代表,該方法是將試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28d,并規(guī)定在達到齡期前4d將凍融試件投入20~C左右的水中浸泡。慢凍法一個循環(huán)為8h,凍、融各半,強度損失率不超過25%或失重率不超過5%時的循環(huán)次數(shù)為抗凍標(biāo)號。
    3.1.3 鹽凍法美國的ASTM 0572、國際材料試驗協(xié)會(RILEM)以及歐洲的大部分國家,如瑞典的SSl3 7244、挪威的NS 3473—92及NS 4320—86均采用鹽凍法來評價混凝土的抗凍性。它們之間的區(qū)別在:有鹽溶液浸泡、有試件單面浸泡的。
    3.1.4 評價方法(1)抗壓強度損失率:以慢凍法為主要評價手段,通過一定次數(shù)的凍融循環(huán)后,抗壓強度的損失率小于25%為合格。
    (2)1重量損失率:快凍法和慢凍法都采用的評價手段,達到一定次數(shù)的凍融循環(huán)后,試件的重量損失率小于5%為合格。
    (3)相對動彈模量保留量:以快凍法為主要評價手段,達到一定次數(shù)的凍融循環(huán)后,相對動彈模量下降至初始值的60%。
    (4)臨界膨脹值法:該方法克服快凍法難以模擬實際環(huán)境條件的缺點,通過凍融循環(huán)后的試件伸長率來評價試件是否抗凍。
    (5)臨界飽和度:通過臨界飽和度與實際飽和度的差來評價,差值越大,抗凍性越好。
    3.2 國內(nèi)混凝土抗凍性試驗方法目前國內(nèi)混凝土抗凍性試驗方法主要有快凍法和慢凍法兩種,各類標(biāo)準(zhǔn)中鹽凍法還沒采用作為評價召的手段。但有些研究工作者已經(jīng)引入國外方法,進行科學(xué)研究。國內(nèi)有關(guān)混凝土抗凍性的標(biāo)準(zhǔn)有C田羽82—85、DL/T 5150—2001、JTJ 225—87,這些標(biāo)準(zhǔn)中都采用了快凍法,只有GBJ 82—85同時也采用慢凍法。
    4 混凝土抗凍性評價方法存在的問題
    4.1慢凍法該試驗方法的受凍狀態(tài)比較接近實際,但該方法試驗周期長、工作量大、試驗誤差大,采用抗壓強度的蜀破損試驗檢測。 根據(jù)混凝土受凍破壞機理,凍脹破壞是內(nèi)部混凝土受拉開裂破壞,因此抗拉強度對內(nèi)部裂縫敏感,而受凍破壞恰恰是對混凝土抗壓強度不敏感。所以慢凍法用抗壓強度損失率來評價混凝土抗凍性是不合理的,結(jié)果的可重復(fù)性差。目前國內(nèi)外的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)正逐步取消慢凍法。
    4.2 快凍法 I該方法采用相對動彈性模量來評價,它能敏感地反映混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷,較直接測試抗壓強度,更準(zhǔn)確地表征了凍融造成的損傷情況,且方法為非破損方法。雖然該方法已被多數(shù)國家所采用,但也存在一些問題。
    (1)快速凍融中試件的降溫速度比實際環(huán)境快得多,試件的充水程度也較實際使用條件苛刻。因此,有時會出現(xiàn)快速凍融不抗凍的混凝土在實際工程中卻頗為耐久的情況。根據(jù)滲透壓學(xué)說可知:由于擴散和析冰過程需要一定的時間完成,冰凍破壞威力常和低溫延續(xù)時間成比例,作用愈慢,威力愈大??焖僭囼灂r間短暫,滲透、擴散過程來不及進行,這種試驗條件又趨向于低估冰凍破壞危險。綜上所述:目前根據(jù)凍融試驗結(jié)果對材料進行優(yōu)劣排隊也是不能成立的。
    (2)該方法規(guī)定的冷卻速率差異較大。目前國標(biāo)中規(guī)定一個循環(huán)完成的時間為2-4h,差異如此大的冷卻速率直接決定水壓力大小。在較低的冷卻速度下,引氣混凝土與普通混凝土的抗凍性或許沒有區(qū)別,兩者的氣泡都密集到足以宣泄水壓力而有余的程度;但在較高的冷卻速率下,就很容易發(fā)現(xiàn)引氣混凝土的優(yōu)越性。結(jié)論完全不同,即不恰當(dāng)?shù)母呃鋮s速率可能會預(yù)言一個根本不存在的危險。
    (3)相對動彈性模量測試差異:目前國內(nèi)外測動彈性模量主要有錘擊法和共振法。共振法有橫向和縱向之分。這些方法本身測同一個試件,結(jié)果就存在差異,即使是采用同一方法,如采用橫向共振法,但試驗放置的支座不同,結(jié)果也不同。因為標(biāo)準(zhǔn)只說明為橡膠或塑料泡沫,而它們的彈性是不同的。同一試驗使用不同的支座,對普通混凝土,測試結(jié)果誤差10%左右,而對強度等級大于C50高強混凝土影響較小。另外,不同標(biāo)準(zhǔn)中,計算結(jié)果也不同,如GBJ 82—85計算橫向共振法的彈性模量公式系數(shù)為9.46,而DL/T5150—2001同樣方法的公式系數(shù)為9.65,因此,如果把上述動彈性模的誤差累計起來,可能會把一個抗凍性合格的混凝土判為不合格。
    4.3 高性能混凝土的適用性問題目前的混凝土抗凍性試驗方法對高性能混凝土的抗凍性評價存在不適應(yīng)。首先,高性能混凝土中使用了大部分礦物摻合料,按目前標(biāo)準(zhǔn)中養(yǎng)護28d后測其抗凍性和56d后測其抗凍性,其結(jié)果存在很大差別。因為齡期增加的28d,高性能混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生很大變化,因此,目前的方法不能真實地反映高性能混凝土的抗凍性。另外,高性能混凝土的垮融循環(huán)基本在500次以上。,試驗周期很長,而且凍融破壞特征不明顯。
    5結(jié)論
    (1)由于慢凍法試驗周期長、工作量大、結(jié)果誤差大,而且抗壓強度損失率評價不合理,建議新標(biāo)準(zhǔn)中修改其評價方法和指標(biāo)或取消該試驗方法。
    (2)快凍法的試驗中,試驗條件和評價內(nèi)容的規(guī)定更詳細、合理一些,避免由于標(biāo)準(zhǔn)差異導(dǎo)致的試驗結(jié)果誤差。
    (3)建議我國標(biāo)準(zhǔn)盡快完善鹽凍法,以適應(yīng)目前我國工程評價的需要。
    (4)開發(fā)更適合于高性能混凝土的抗凍性評價方法。雖然評價方法與自然界的實際凍融循環(huán)存在很大差別,將來無法實現(xiàn)完全一致,但這不應(yīng)影響我們積極地探索追求的目標(biāo)。