混凝土抗凍性評價現(xiàn)狀與存在問題的研究
2007-01-30 00:00
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1 前言
混凝土抗凍性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。但是我們不無遺憾地指出，這一課題的研究和強度，變形比較起似乎處于更落后的地步。理論研究不夠深入，廣大工程單位更是單純依靠的凍融循環(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國外三、四十年代的試驗方法。由于評價方法與當前工程發(fā)展的不協(xié)調，造成許多工程在應用產(chǎn)生的凍融（或鹽凍）破壞，如一些公路、橋梁等工程在短期就造成抗凍的破壞，給國民經(jīng)濟造成很大的損失。
近年來，隨著混凝土技術的發(fā)展，高性能混凝土的研究與應用普遍得到人們的重視，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容。這也是人們對當今混凝土工程出現(xiàn)的問題與國家資源短缺的相互矛盾而引發(fā)的世界性的課題?；炷量箖鲂允腔炷聊途眯灾械闹匾M成部分。對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顯然是對當前混凝土技術發(fā)展是不適應的。為此，我國準備對GBJ82-85《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法》進行修訂,針對修編工作,我們對國內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的依據(jù)是其抗凍理論和其破壞機理的不同理解之上。目前世界上混凝土凍結破壞機理主要有三種學說：
2.1 Powers提出的靜水壓理論學說
Powers提出的靜水壓理論學說主要由以下幾個要點組成：①凍結時，負溫度從混凝土構件的四周侵入，凍結首先在混凝土四周表面上形成，并將混凝土構件封閉起來。②由于表層水結冰，冰體積膨脹，將未凍結的水分通過毛細孔道壓入飽和度較小的內部。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、于是在毛細孔內產(chǎn)生越來越大的壓力，從而水泥石內毛細孔產(chǎn)生拉應力。④水壓力達到一定程度，水泥石內部的拉應力過高，抗拉強度限時，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 Powers 和Helmuth 滲透壓理論
在提出了靜水壓力學說后， Powers在自己的試驗中發(fā)現(xiàn)，水泥漿體中的水在凍結時并不是向外排出，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成冰，由于在溶液中的水從中凍結出來，使得溶液的濃度變大。從而在毛細孔于凝膠孔內溶液之間存在著濃度差，這引起了從凝膠孔向毛細孔的擴散作用，形成了滲透壓。例如，一塊從頂部開始凍結的板，如果水由于滲透壓得以從底部且透過板厚向頂部遷移，則該板將嚴重損壞。
2.3 G.G.Litvan的補充理論
加拿大的G.G.Litvan于1972年提出他的關于混凝土受凍破壞的理論。他認為，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；其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，它們將使裂隙擴大成冰。
3 國內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。由上面的混凝土凍結理論分析表明，ASTM C666快凍法主要是基于Powers提出的靜水壓理論學說的，而RILEM TC176－IDC－2002 CF和CDF鹽凍法主要是基于滲透壓理論，二者各有側重。ASTM C666快凍法適合純粹由水的凍結引起的凍融破壞，而RILEM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根據(jù)需要進行選擇。快凍法和鹽凍法應用的范圍各不相同，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ASTMC666 為代表，相繼日本的JISA1148、加拿大的CSA-A23.2 和一些西歐國家就多采用這種方法。ASTM 法有兩種，一為快速水凍水融法，混凝土在水中凍結和融化；二為快速氣凍水融法。混凝土在冷凍室的空氣中凍結，然后移至水池中融化。若在相應循環(huán)次數(shù)的混凝土相對動彈性量降到初始值的60%或重量損失達5%，試驗即終止。
3.1.2 慢凍法
以前蘇聯(lián)和東歐國家就采用的慢凍法為代表。以ГOCT1006 為代表,該方法是將試件標準養(yǎng)護28d，并規(guī)定在達到齡期前4d 將凍融試件投入20℃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)為抗凍標號。
3.1.3 鹽凍法
美國的ASTMC672，國際材料試驗協(xié)會（RILEM）以及歐洲的大部分國家，如瑞典的SS13
72 44 ，挪威的NS3473-92 及NS4320-86 均采用鹽凍法來評價混凝土的抗凍性。它們之間區(qū)別在有鹽溶液浸泡、有試件單面浸泡的。
3.1.4 評價方法
● 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。
● 重量損失率：快凍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。
● 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%。
● 臨界膨脹值法：該方法是為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。
● 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 國內混凝土抗凍性試驗方法
目前國內混凝土抗凍性試驗方法主要有快凍法和慢凍法兩種，各類標準中鹽凍法還沒采用作為評價的手段。但有些研究工作者，引入國外方法，進行科學研究，中國國內有關混凝土抗凍性的標準有GBJ82-85，DL/T5150-2001，JTJ225-87，這些標準中，都采用了快凍法，
只有GBJ82-85 同時也采用慢凍法。
4 混凝土抗凍性評價方法的存在問題
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，采用抗壓強度的破損試驗檢測。
根據(jù)混凝土受凍破壞機理，凍脹破壞是內部混凝土受拉開裂破壞，因此抗拉強度對內部裂縫敏感，而受凍破壞恰恰是對混凝土抗壓強度不敏感。因此，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，結果可重復性差。目前國內外的相關標準正逐步取消慢凍法。
4.2 快凍法
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部結構的損傷，較直接測試抗壓強度，更準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)用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)滲透壓學說知道：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：根據(jù)目前凍融試驗結果對材料進行優(yōu)劣排隊次序也是不能成立的。
（2）該方法規(guī)定的冷卻速率差異較大。目前國標中規(guī)定一個循環(huán)完成時間2-4h 差異如此大的冷卻速率直接決定水壓力大小。在較低冷卻速度下，引氣混凝土與普通混凝土的抗凍性或許沒有區(qū)別，兩者氣泡都密集到足以宣泄水壓力而有余的程度，但較高冷卻速率下，很容易發(fā)現(xiàn)引氣混凝土的優(yōu)越性，結論完全不同，即不恰當?shù)母呃鋮s速率預言一個根本不存在的危險。
（3）相對動彈性模量測試差異：目前國內外測動彈性模量主要有錘擊法和共振法。共振法包括橫向和縱向之分。本身這些方法測同一個試件，結果就存在差異，即使是采用統(tǒng)一方法，如采用橫向共振法，但試驗放置的支座不同，結果也不同。因為標準只說明為橡膠或塑料泡沫，它們的彈性是不同的，同一試驗使用不同的支座。對普通混凝土的測試結果誤差10%左右，而對強度等級大于C50 高強混凝土影響較小。另外，在我國不同標準中，計算結果也不同，如GBJ82-85 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，如果把上述所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。首先，高性能混凝土中使用了大部分礦物摻合料，按目前標準中養(yǎng)護28 天后測其抗凍性和56 天后測其抗凍性，其結果存在很大差別。因為齡期增加的28 天，高性能混凝土內部結構發(fā)生很大變化，因此，目前方法不能真實地反映高性能混凝土的抗凍性。另外，高性能混凝土的凍融循環(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 結論
1)、由于慢凍法試驗周期長，工作量大，結果誤差大，而且抗壓強度損失率評價不合理，
建議新標準中修改其評價方法和指標或取消該試驗方法。
2)、快凍法的試驗中，把試驗條件和評價內容的規(guī)定更詳細、合理一些，避免由于標準差異導致的試驗結果誤差。
3)、建議我國標準盡快完善鹽凍法，以適應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，但這不應影響我們積極地探索追求的目標。
參 考 文 獻
[1]徐定華，徐敏著.混凝土材料概論.中國標準出版社.2002
[2]張譽等編著.混凝土結構耐久性概論. 上海科學技術出版社.2003
[3]H.索默 編.高性能混凝土的耐久性. 科學出版社.1998 年
[4]王 元. 粉煤灰混凝土的抗凍性研究 .硅酸鹽制品.1995
[5]王 元.抗除冰鹽混凝土的研究與應用. 混凝土.2002
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| 原作者： 王元，張大利 |
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