左 馳， 陳月順， 杜志云， 張夢光

(湖北工業(yè)大學土木建筑與環(huán)境學院， 湖北 武漢 430068)

輕骨料混凝土在鹽溶液中的抗凍性研究

左 馳， 陳月順， 杜志云， 張夢光

(湖北工業(yè)大學土木建筑與環(huán)境學院， 湖北 武漢 430068)

采用快速凍融的試驗方法，對不同強度等級的普通混凝土和輕骨料混凝土在不同凍融介質(水，3.5%Nacl)中的抗凍性進行了比較研究。試驗結果顯示：輕骨料混凝土較之于普通混凝土而言具有較好的抗鹽凍能力，其相對動彈性模量在鹽水中下降的速率比在水中慢；對于強度相對較高的混凝土，凍融循環(huán)時表面抗剝蝕能力均大于低強度的同種混凝土。

普通混凝土； 輕骨料混凝土； 鹽溶液； 強度等級； 抗凍性

在我國北方嚴寒地區(qū)，凍融循環(huán)通常被認為是造成混凝土結構壽命縮短的主要原因,尤其是除冰鹽的使用，使得混凝土結構受凍融循環(huán)和氯離子侵蝕耦合作用，嚴重影響其耐久性[1-2]。我國早在上個世紀60年代就將輕骨料混凝土應用于橋梁工程，山東黃河大橋、蔡甸漢江大橋、南京長江大橋等都采用輕骨料混凝土制成。這些都充分說明了研究輕骨料混凝土在鹽溶液中抗凍性的必要性。輕骨料混凝土已逐漸被國內外學者重視，也取得了一定的研究成果[3-8]，但到目前為止對其耐久性能的研究仍然相對較少。因此，分析鹽凍對混凝土造成損傷和破壞的作用機理，進而找出能夠增強輕骨料混凝土抗凍性的方法，減少鹽凍對輕骨料混凝土結構使用壽命的影響就顯得尤為迫切。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

水泥，華新牌42.5普通硅酸鹽水泥；細骨料，江砂；普通混凝土粗骨料，碎石;輕骨料混凝土粗骨料，頁巖陶粒；混凝土強度等級為C30、C40、C50的普通混凝土編號分別為P1、P2、P3；輕骨料混凝土編號分別為L1、L2、L3。配合比見表1。

表1 配合比

1.2 試驗方法

本實驗所澆筑的混凝土試塊尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體；將其分為兩組，第一組進行水凍(自來水)試驗；第二組進行鹽凍試驗(凍融介質為3.5%Nacl溶液)。兩組棱柱體試塊的凍融循環(huán)試驗均通過《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》(GBT50082-2009)中的快速凍融法進行開展,并在同一條件下養(yǎng)護28 d。第一組棱柱體試塊在自來水(凍融介質)中浸泡4 d后，取出將其表面水分用干凈的濕抹布擦干，依次測量其質量和相對動彈性模量后放入試件盒內，注入自來水(凍融介質)使其完全浸沒棱柱體試塊5 mm左右，之后按照儀器操作章程進行凍融循環(huán)試驗，每組棱柱體試塊凍融300次，每隔50次取出并測量其彈性模量和質量損失。第二組鹽凍試驗可參照第一組進行，只需將第一組凍融介質水轉變?yōu)?.5%Nacl溶液即可。試驗儀器選用湖北工業(yè)大學結構大廳上海三好制冷設備廠生產的混凝土快速凍融試驗機。

2 試驗結果分析

2.1 表面形態(tài)對比研究

隨著凍融循環(huán)的持續(xù)，棱柱體試塊的破壞程度逐漸加深。在凍融循環(huán)初期即凍融次數較少時，不同強度等級輕骨料混凝土和普通混凝土的表面破壞都不明顯，混凝土基本不產生剝落，表觀保存也較為完整。當凍融次數增加到一定程度后，棱柱體試塊有剝落現象產生，粗骨料會逐漸完全暴露出來，局部破壞也會較為嚴重，部分混凝土試塊也會產生破壞，退出試驗。為了能夠清楚的說明不同之處從而進行對比，選取了在水凍環(huán)境下凍融300次和在鹽凍環(huán)境下凍融200次進行對比說明。

對于普通混凝土而言，水凍環(huán)境凍融300次后，P1混凝土表面疏松，混凝土大量剝落，粗骨料明顯暴露，P1凍融300次后所造成的損傷較為嚴重；P2混凝土保護層剝落，表面呈坑坑洼洼狀，存在少許的粗骨料暴露；P3混凝土表面較為完整，仍有少量砂漿脫落，但粗骨料未暴露。由此可見，對于普通混凝土，其強度等級越高，抗凍性能越好，表面損傷程度越小。對于輕骨料混凝土而言，凍融300次后，L1已經發(fā)生破壞，退出試驗；L2表面酥松，裂紋開裂明顯;L3表面完整。在鹽凍環(huán)境凍融200次時，對于普通混凝土而言：棱柱體試塊保護層幾乎全部脫落，粗骨料也完全暴露，試塊周圍掉落大量粉末狀殘渣，混凝土損傷嚴重，毫無承載能力；P2已經發(fā)生破壞，退出試驗；而P3在凍融200次時也存在粉末狀殘渣剝落，粗骨料未完全暴露出來?？擅黠@看出：對于普通混凝土而言，強度越高，表面損傷程度越小。對于輕骨料混凝土而言：L1在凍融150次時，已完全發(fā)生破壞，退出實驗；L2在凍融200次時，棱柱體試件發(fā)生斷裂；L3經凍融后表面保存較為完整。對于輕骨料而言，L3的抗鹽凍性能較好。

混凝土在水凍300次與鹽凍200次后表面形態(tài)的相互比較可知：(1)普通混凝土：P1鹽凍200次比水凍300次表面損傷的程度大很多。P3在水凍300次后表面依舊比較光滑；在鹽凍200次后，表面開始變得凹凸不平，保護層混凝土逐漸脫落，表面有裂紋產生，雖然無粗骨料暴露，但試件邊角已經松軟并逐漸掉落。(2)輕骨料混凝土：L2在水凍300次后，表面除有部分位置凹凸不平，其他部位依舊比較光滑；在鹽凍200次之后，混凝土保護層掉落嚴重，且邊角部位產生大量裂紋。L3水凍300次和鹽凍200次表面狀態(tài)相差不大。

2.2 試驗結果及分析

2.2.1 計算方法

1)動彈性模量計算方法：

Er=Ep/E0

其中各參數表示如下：Er為相對動彈性模量，

Ep為p次凍融后的動彈性模量，E0為初始動彈性模量。

2)質量損失率計算方法：

ΔM=M0-MP/M0

其中各參數表示如下：M0為試件初始質量，MP為p次凍融后的質量。

2.2.2 水凍環(huán)境 水凍環(huán)境下凍融循環(huán)的相對動彈性模量和質量損失見圖1～圖4。

圖 1 水凍條件下P1-P3相對動彈性模量損失

圖 2 水凍條件下P1-P3質量損失

圖 3 水凍條件下L1-L3相對動彈性模量損失

圖 4 水凍條件下L1-L3質量損失

由圖1和圖3可以看出，水凍環(huán)境下，整體來說，無論是輕骨料混凝土還是普通混凝土，混凝土強度等級越高，相對動彈性模量下降速度越慢，而且棱柱體試塊的相對動彈性模量與凍融循環(huán)的次數呈反比例的趨勢。圖1可以看出混凝土強度等級為C30的普通混凝土P1在凍融200次以后，其相對動彈性模量下降到60%，即達到認定發(fā)生凍融破壞標準。而從圖3可以看出，輕骨料混凝土在凍融達到150次時，棱柱體試塊發(fā)生破壞，退出試驗。

圖2和圖4可以看出，普通混凝土，強度等級為C30質量損失較快，C40和C50質量損失率基本小于1%。而對于輕骨料混凝土而言(強度等級為C30輕骨料混凝土)，在凍融次數比較低時，其質量反而會增加。整體而言，輕骨料混凝土的質量損失較小。

2.2.3 鹽凍環(huán)境 鹽凍環(huán)境下凍融循環(huán)的相對動彈性模量和質量損失見圖5～圖8。

圖 5 鹽凍條件下P1-P3相對動彈性模量損失

圖 6 鹽凍條件下P1-P3質量損失

圖 7 鹽凍條件下L1-L3相對動彈性模量損失

圖 8 鹽凍條件下L1-L3質量損失

由圖5和圖7可知，鹽凍環(huán)境下，相對動彈性模量也同樣與凍融循環(huán)次數呈反比。普通混凝土在鹽凍環(huán)境下的相對動彈性模量的下降速率比輕骨料混凝土在鹽凍環(huán)境下的下降速率快。P1,P2在凍融循環(huán)次數不足150次時，其相對動彈性模量已經下降到60%。輕骨料混凝土L1在凍融循環(huán)次數到達150次就發(fā)生完全破壞，退出試驗。由圖6和圖8,在鹽凍環(huán)境下，隨著混凝土強度的增加，質量損失率隨之降低。凍融初期，輕骨料混凝土L1的質量同水凍環(huán)境相同，都存在增加趨勢。

圖3和圖7對比可知，輕骨料混凝土相對動彈性模量在鹽水中下降的速率比在水中的慢。混凝土強度較高的輕骨料混凝土L3在水凍環(huán)境下凍融不足150次，其相對動彈性模量下降到60%，而鹽凍環(huán)境下的L3，直到試驗結束，其動彈性模量一直高于60%?；炷翉姸鹊燃墳镃30時，當凍融循環(huán)次數到達150次，輕骨料混凝土已發(fā)生完全破壞。由圖4和圖8可知，輕骨料混凝土在鹽凍環(huán)境下的質量損失大于在水凍環(huán)境下的質量損失。輕骨料混凝土L1在鹽凍中凍融循環(huán)100次時，質量損失已超過5%,達到認定破壞的標準。而在水凍中的輕骨料混凝土L1其質量反而增加?；炷翉姸鹊燃墳镃30輕骨料混凝土在鹽凍和水凍中初始凍融循環(huán)時，其混凝土質量有所增加。究其原因，可能是由于水流入輕骨料混凝土的空隙內，從而造成混凝土質量增加，而后期的質量減小則是因為隨著凍融循環(huán)次數的增加，混凝土產生剝落。

3 結論

1)普通混凝土在鹽凍環(huán)境下的相對動彈性模量和質量損失率下降較水凍環(huán)境更為迅速，其在鹽凍環(huán)境下的抗凍性劣于在水中的抗凍性。同時不管是輕骨料混凝土還是普通混凝土，強度等級越高，抗剝蝕能力越好，凍融循環(huán)所造成的損傷程度也就越小。

2)凍融初期的輕骨料混凝土，其相對動彈性模量和質量損失都減少得較為緩慢，經過一定的凍融循環(huán)后，相對動彈性模量會出現明顯的下降趨勢。

3)相對動彈性模量能夠較好地反映出混凝土內部的損傷程度，輕骨料混凝土在鹽凍環(huán)境下的相對動彈性模量下降速率比在水中慢，而強度較低的輕骨料混凝土在凍融到一定次數時會發(fā)生突然斷裂，故而在北方嚴寒地區(qū)，應盡量選擇強度等級較高的輕骨料混凝土。

4)強度較高的輕骨料混凝土的抗鹽凍能力比同等強度的普通混凝土要強。較之于普通混凝土而言，輕骨料混凝土具有良好的抗?jié)B性和抗凍性，從而具有更好的耐久性。

[1] 吳中偉,廉慧珍. 高性能混凝土[M]. 北京：中國鐵道出版社,1999,09:240-241.

[2] 陳月順,齊國霖,吳偉. 混凝土在氯離子侵蝕和凍融耦合作用下的研究[J]. 建筑技術開發(fā),2012,02:45-48.

[3] 杜志云. 不同種類混凝土抗凍性研究[D].武漢：湖北工業(yè)大學,2013.

[4] 王海龍. 輕骨料混凝土早期力學性能與抗凍性能的試驗研究[D].呼和浩特：內蒙古農業(yè)大學,2009.

[5] 趙振亞,姬寶霖,宋小園,申向東. 輕骨料混凝土的抗凍性研究[J]. 硅酸鹽通報,2015,09:2442-2447.

[6] 楊文萃,葛勇,常傳利,張寶生,袁杰,于紀壽,熊愛玲. 混凝土在鹽溶液中的抗凍性[J]. 低溫建筑技術,2007,01:1-4.

[7] 霍俊芳,曹喜,劉大鵬. 輕骨料混凝土抗凍耐久性試驗研究[J]. 內蒙古工業(yè)大學學報(自然科學版),2008,04:299-303.

[8] 孔麗娟. 輕骨料對中等強度混凝土耐久性能影響的研究[J]. 混凝土,2012,12:46-49.

[責任編校： 張巖芳]

Frost Resistance of Lightweight Aggregate Concrete in Salt Solution

ZUO Chi, CHEN Yueshun，DU Zhiyun，ZHANG Mengguang

(SchoolofCivilEngin.,ArchitectureandEnvironment,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

The durability of concrete material is its most important performance indicators, and freeze-thaw damage issue has become one of the important factors affecting the durability of concrete. The frost resistance of normal concrete and lightweight Aggregate Concrete in different freezing and thawing media (water and 3.5% sodium chloride solution) were investigated by quick freeze-thaw tests in the study. The results show that lightweight aggregate concrete has better salt freezing capacity and the relative dynamic elastic modulus in the salt water is lower than in water. For relatively high intensity of the concrete, the surface anti-erosion ability when freeze-thaw cycles were higher than the same kind of low-strength concrete.

ordinary concrete；lightweight aggregate concrete；salt solution；strength grade；frost resistance

2016-01-12

左 馳(1991-)， 男， 湖北武漢人，湖北工業(yè)大學碩士研究生，研究方向為鋼筋混凝土耐久性

1003-4684(2017)01-0026-04

TU111.2

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