不同抗冻设计等级水工混凝土的抗冻性能,水工材料论文.docx

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1、不同抗冻设计等级水工混凝土的抗冻性能,水工材料论文我们国家现已建成各类水库 98000 多座，总库容近9 300 多亿 m31,分布在不同气候区域，每年经受的冻融循环次数不尽一样。(气候变化国家评估报告预估我们国家在 21 世纪 20 年代、50 年代和 80 年代平均气温分别升高约 1. 2、2. 2和 3. 22,气温变化将对我们国家水工混凝土构造物的受冻融作用区域划分产生重要影响，大体上导致南北分界限北移，现有分界限处以及北方地区的年平均冻融循环次数有可能显着增加，进而加速这部分地区水工混凝土构造物的冻融毁坏。另外，气候变暖导致极端气候出现的频次增加，极端低温甚至是突破历史极值的低温使我

2、们国家北方地区已考虑抗冻设计的水工混凝土的抗冻耐久性面临新的挑战。 当前，我们国家水工混凝土的抗冻融试验一般是在- 17 2 的降温终了低温，以及 8 2 的升温终了温度下进行，以此对水工混凝土的抗冻性能进行评估。水工混凝土抗冻等级的设计原则为： 在最冷月评价温度低于 - 10 的严寒区一般设计F300,而在最冷月评价温度大于 - 3 的温和区设计F50 或 F100.国内外开展的水工混凝土抗冻耐久性方面的研究比拟多，获得了一些重要的研究成果3-9. 根据调研，我们国家南方地区最冷月 1 月 极端低温气温平均值为 -8.4，东北、西北、华北地区最冷月 1 月极端低温气温平均值为 -32.710

3、.针对现行抗冻耐久性设计原则、抗冻试验方式方法以及我们国家南方和北方地区的最冷月气温现在状况，本文采用 F50、F100、F300 等3 种抗冻等级的水工混凝土，在 -5、-10、-17、-30、-40等 5 种降温终了混凝土试件中心温度下进行冻融试验，研究不同冻融温度条件下不同抗冻设计等级水工混凝土的抗冻性能。 1 原材料、配合比与试验方式方法。 1. 1 原材料。 水泥采用 P O 42. 5 普通硅酸盐水泥，级粉煤灰。细骨料为天然河砂，细度模数为 2. 71.粗骨料为灰岩人工碎石，粒径范围为 5 40 mm.外加剂为萘系高效减水剂和 Air-202 引气剂。经检测，水泥、粉煤灰、外加剂的

4、品质和参数均符合相应现行规程规范的技术要求，可用于试验研究。 1. 2 配合比。 根据气候严寒区、温和区分别要求的水工混凝土抗冻等级情况，通过优化配合比以及控制体积含气量，设计了 F50、F100、F300 等3 种抗冻等级的水工混凝土。经测试，F50、F100、F300 水工混凝土实际含气量分别为2. 8%、3. 7%、5. 8%,配合比见表1. 1. 3 试验方式方法。 采用自行研制的 GDJS-800 气候模拟系统进行水工混凝土冻融试验，该系统可实现混凝土试件中心温度 - 70 150 的变化范围，实时控制精度为0. 1 ,温度波动度为 0. 5 ,可通经过序设定改变温降速率与温度恒定时

5、间等试验参数。水工混凝土抗冻试件的成型、制作与养护根据 SL352-2006(水工混凝土试验规程进行。 冻融试验降温终了试件中心低温分别设为- 5 、- 10 、- 17 、- 30 、- 40 ,降温历时均为 2h,升温终了试件中心温度统一设为 8，升温历时均为 1h.经过若干个冻融循环后，采用动弹性模量测定仪 频率 100 10 000 kHz 、电子天秤 称量10 kg,感量 5 g 分别测试混凝土的动弹性模量和质量，进而对抗冻耐久性进行评估。 2 试验结果与讨论。 2. 1 水工混凝土的冻融质量损失。 F50、F100、F300 等 3 种抗冻设计等级的水工混凝土在 - 5、- 10、

6、- 17、- 30、- 40 等 5种降温终了试件中心温度下，经受若干冻融循环次数后的质量损失率如此图 1 所示。从图 1 能够看出，随着冻融试验降温终了水工混凝土试件中心温度的降低，水工混凝土的质量损失率逐步增大。200 次冻融循环后，降温终了试件中心温度从 - 5 降到- 40 ,中低抗冻设计等级的 F50、F100 水工混凝土的质量损失率分别从 2. 6% 增大到 12. 4%,以及从 2. 2% 增大到 9. 2%.对于高抗冻设计等级的F300 水工混凝土而言，350 次冻融循环后，降温终了试件中心温度从 -5降到 -40，其质量损失率从0. 6% 增大到 7. 5% . 2. 2 水

7、工混凝土的动弹性模量变化。 3 种抗冻设计等级的水工混凝土在测试完冻融质量损失后，分别进行动弹性模量测试，根据动弹性模量变化，并结合冻融质量损失情况，可对不同抗冻设计等级的水工混凝土在不同降温终了试件中心温度条件下的冻融耐久性进行评估。不同冻融循环次数下水工混凝土的动弹性模量试验结果如此图2 所示。 从图 2 能够看出，F50 抗冻设计等级的水工混凝土试件在 -30降温终了试件中心温度条件下经过 150 次冻融循环后动弹性模量仅为初始值的31% ,冻融循环次数继续增加试件被冻断； 当降温终了试件中心温度降低至 -40时，经过 100 次冻融循环后动弹性模量为初始值的 30%,冻融循环次数继续增

8、加试件被冻断。F100 抗冻设计等级的水工混凝土在降温终了试件中心温度到达 - 40时，经过 150 次冻融循环后动弹性模量为初始值的 30%,继续冻融试验试件被冻断。在降温终了试件中心温度从 -5降低到 -40的经过中，经过 350 次冻融循环后，F300 抗冻设计等级的水工混凝土的动弹性模量从初始值的 81% 下降至 39%,表示清楚即便是F300 高抗冻设计等级的水工混凝土，随着冻融降温终了试件中心温度的降低，其抗冻性能也下降较快。 2. 3 水工混凝土能经受的最大冻融循环次数。 根据现行 SL352-2006(水工混凝土试验规程中水工混凝土质量损失 5%、动弹性模量下降至初始值的 60

9、%的抗冻性能评判标准，图 3 给出了 F50、F100、F300 抗冻设计等级的水工混凝土在 - 5、-10、-17、-30、-40等 5 个冻融试验降温终了试件中心温度条件下能经受的最大冻融循环次数。 根据图 3 中的试验结果，低、中、高 3 种抗冻设计等级的水工混凝土在不同冻融降温终了低温条件下能经受的最大冻融循环次数的演变规律是一样的，均是随着降温终了试件中心温度的降低而减少。 根据 -17降温终了试件中心温度条件冻融确定的F50 抗冻设计等级水工混凝土，在 - 10 或 - 5 低温条件下能经历最大冻融循环次数在 100 次以上，而当前处于气候温和区的水利工程很少能经历- 17 低温条

10、件。而对于严寒地区的水利工程而言，即便是根据 -17降温终了试件中心温度条件冻融确定的 F300 抗冻设计等级水工混凝土，当温度继续降低至 -30甚至 -40时，其能经受的最大冻融循环次数在 200 次下面，而当前该气候区域内出现- 30 - 40 的低温条件是完全有可能的。 2. 4 机理分析。 水工混凝土的冻融毁坏主要是由一定冻结温度下结冰的水和过冷的水引起，结冰的水产生体积膨胀、过冷的水发生迁移，这两种行为均能引起混凝土内部孔压增大，产生毁坏。毛细孔中的含水率超过一定限值时，冻结会产生很大的压力，该压力值除了与毛细孔中的含水率有关外，还与冻结速度有关，5 个冻融降温终了混凝土试件中心温度

11、 - 5 、- 10 、- 17 、- 30 、- 40 对应的降温速率分别为 6. 5 /h、9 /h、12. 5 /h、19 /h 和 24 /h,与之相对应的是水工混凝土抗冻耐久性呈现降温速率和劣化程度增大的规律。 另外，在现行 -17降温终了混凝土试件中心温度的标准冻融试验方式方法中，毛细孔中的水会结冰，凝胶孔水一般处于过冷状态，过冷水的蒸气压比一样温度下冰的蒸气压要高，由此导致凝胶孔水向毛细孔中冰的界面浸透的现象，直至到达平衡状态。 浸透经过中产生的浸透压力对水工混凝土的抗冻耐久性也会产生影响。在降低降温终了混凝土试件中心温度至 -30甚至 -40时，凝胶孔中处于过冷状态的水量可能会

12、比中心温度为 - 17时增加，进而更多的过冷水发生浸透迁移现象，大量过冷水的浸透迁移进一步导致浸透压力的增大，这也是降低冻融经过中水工混凝土试件中心温度后，水工混凝土抗冻耐久性下降的主要原因之一。 3 结 论。 a. 随着冻融经过中降温终了试件中心温度的降低，F50、F100、F300 等 3 种代表低、中、高不同抗冻设计等级的水工混凝土的质量损失、动弹性模量损失逐步增大，水工混凝土能经受的最大冻融循环次数逐步减少。 b. 根据现行 - 17 降温终了低温条件冻融方式方法确定的 F50 抗冻设计等级水工混凝土，在 - 10或 -5低温条件下能经历最大冻融循环次数在100 次以上； 根据 - 1

13、7 降温终了低温条件冻融方式方法确定的 F300 抗冻设计等级水工混凝土，当温度继续降低至 -30甚至 -40时，其能经受的最大冻融循环次数在 200 次下面。 c. 冻融低温本身对水工混凝土的抗冻耐久性会产生影响，主要表现为采用更低的混凝土试件中心温度后，混凝土凝胶孔中处于过冷状态的水量增加，过冷水迁移产生较大浸透压力，是水工混凝土产生冻融毁坏的主要原因之一； 另外，冻融经过中的低温温降速率对水工混凝土的抗冻性能也存在一定影响，随着温降速率的增大，水工混凝土的劣化程度增大。 以下为参考文献： 1中国水利部，中国国家统计局。第一次全国水利普查公报R. 北京： 中国水利水电出版社，2020. 2

14、中国科学技术部，中国气象局，国家环保总局，等。 气候变化国家评估报告R. 北京： 科学出版社，2018. 3李金玉，曹建国，徐文雨，等。 混凝土冻融毁坏机理的研究J. 水利学报，1999,30 1 : 41-49. LI Jinyu,CAOJianguo,XU Wenyu,et al. Study on the mechanism ofconcrete destruction under frost action J. Journal ofHydraulic Engineering,1999,30 1 : 41-49. inChinese 4严佳川，邹超英。 冻融循环作用下混凝土材料寿命评估方

15、式方法J. 哈尔滨工业大学学报，2018 6 : 11-15. YANG Jiachuan,ZOU Chaoying. Evaluation method ofthe service life of concrete under the freeze-thaw actionJ. Journal of Harbin Institute of Technology,2018 6 :11-15. in Chinese 5刘艳霞，陈改新，鲁一晖。 大坝全级配混凝土抗冻性的试验研究J. 水力发电学报，2018,30 1 : 139-143. LIU Yanxia,CHEN Gaixin,LU Yihui. Research on thefrost resistance of dam concrete J . Journal ofHydroelectric Engineering,2018,30 1 : 139-143. inChinese