混凝土冻融耐久性量化分析.pdf
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1、2 0 1 0 年 第 5 期 (总 第 2 4 7 期 ) Nu mb e r 5 i n 2 0l 0( To t a l No 2 4 7) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THE0RET I CAL RES EARCH d o i : 1 0 3 9 6 9 0 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 0 0 5 0 0 1 混凝土冻融耐久性量化分析 苏昊林 。王立久 ( 大连理工大学 建设工程学部 ,辽 宁 大连 1 1 6 0 2 4 ) 摘要: 阐述了混凝土的冻融破坏机理和冻融破坏的过程; 根据混凝土冻融循环的试验结果 , 分析混凝土的抗压
2、强度、 劈拉强度和抗折 强度随冻融次数变化的规律, 并建立混凝土抗折强度的指数衰减规律方程, 由此可对混凝土冻融耐久性进行量化分析; 引入抗冻因子的概 念进一步分析混凝土耐久性 与强度 的关 系; 同时提 出了提高混凝土抗冻性 能的主要措施 。 关键词 : 混凝土 ;冻融耐久性 ;破坏机理 ;量化分析 中图分类号 : T U5 2 8 O 1 文献标志码 : A 文章编号 : 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 0 ) 0 5 0 0 0 1 0 2 Qu ant i t a t i ve a na l ys i s of f r ee z e- t ha w du r ab i
3、l i t y o f c onc r e t e SUHa o 一 i n, W AN G L i u ( F a c u l ty o f I n f r a s t r u c t u r e E n g i n e e ri n g , Da l i a n Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y , Da l i a n 1 1 6 0 2 4 , C h in a ) Abs t r ac t : I t d e s c ri be s t h e c o n c r e t e fr e e z e -t h a w d a ma g
4、 e m e c h a n i s m an d p r o c e s s o ff r e e z e - t h a w d a m a g e; a c c o r d i n g t o t h e e x p e ri m e n t a l r e s u l t s o f c o n c r e t e f r e e z e tha w c y c l e , an a l y z e s c o n c r e t e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h 、 s p l i t t i n g t e n s i l e s t r
5、 e n gth and fl e x u ml s t r e n gth wi t h the v a r i a t i o n o f the n u mb e r o ff r e e z i n g an d t h a wi n g, a n d e s tab l i s he d t h e c o n c r e t e fl e x u r a l s tre n gth o fthe e x p o n e n t i a l d e c a y l a w o f e q ua t i o n, S O i t c a i 1 a n a l y z e s t h
6、e f r e e z e t h a w d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e q u a n t i t a t i v e l y ; i n tr o d u c e s the c o n c e p t o f f r e e z i n g f a c t o r f o r fu r t h e r a n a l y s i s o f c o n c r e t e d u r a b i l i t y a n d s tr e n gth o f the r e l a - t i o ns h i p; m e a n wh
7、i l e p u t s fo r wa r d k e y me a s u r e s t o i mp r ov e t h e pe r f o r ma n c e o ff r e e z e tha w r e s i s t a n c e o f c o nc r e t e Key wor ds : c o n c r e t e; fre e z e t ha w d u mbi l i t y; d am a g e me c h ani s m; q uant i ta t i v e a n a l y s i s 0 引言 混凝土是由集料 、 水泥和水 3 部分
8、组成。常温下硬化的混 凝土是由未水化的水泥、 水泥水化产物、 集料 、 水和空气共同组 成的气液固三相平稳的体系。当混凝土处于一定负温度下时, 其内部孔隙中的水分就将发生从液相到固相的转变。含水或与 水接触的混凝土在长期正负温度交替作用下会出现由表及里 的剥蚀现象, 称为冻融破坏。混凝土冻融破坏非常普遍 , 因此对 于混凝土的抗冻耐久性进行量化分析, 在设计之初就考虑到其 使用寿命, 这一点是十分必要的。 1 混凝 土冻融破坏机理及破 坏过程 1 1 混凝土冻融破坏的机理 造成混凝土冻融破坏所必须具备的 3 个条件 : 即混凝土本 身的孔结构 、 饱水状态和正负温度变化。许多学者对混凝土的 冻
9、融破坏机理进行了大量研究, 虽然提出各种理论, 但至今尚 未达成共识 目前公认程度较高的是美国学者 T CP o w e r s e提 出的静水压理论与渗透压理论 1 】 。 静水压理论认为: 如果材料孑 L 隙饱水, 则由于水结成冰产 生体积膨胀, 在混凝土中形成冰胀压力 , 使材料破坏。混凝土有 无冻害与其孔隙的饱水程度密切相关, 一般把 9 1 7 饱水度称为 极限饱和度。混凝土在完全饱水状态下 , 其冻结膨胀压力最大。 而渗透压理论认为: 由于混凝土孔溶液中含有 N a + 、 I ( + 、 C a ”等盐 收稿 日期 :2 0 0 9 1 2 - 2 8 基金项 目:“ 十一五”
10、国家科技重大项 目支撑计 | ( 2 0 0 6 B A J 0 4 A 0 0 4) 类 , 大孔中的部分溶液先结冰后, 未冻溶液中盐的浓度上升, 与 周围较小孔隙中的溶液之间形成浓度差。由冰与过冷水的饱和 蒸汽压差和过冷水之间的盐分浓度差引起水分迁移而形成渗 透压。当冰胀压力与渗透压力共同作用超过混凝土抗拉强度 时 , 混凝土就会 开裂 。 渗透压理论与静水压理论最大的不同在于未冻结孔溶液 迁移的方向。静水压理论认为材料冻害只是由冰胀压力引起的, 而渗透压理论认为是冰胀压力和渗透压力联合作用的结果, 它 多了渗透压力参与的概念。 1 2混凝 土 冻融破 坏 的过 程 混凝土是一种多孔体材料
11、 , 其孔径大致分布如表 1 所示。 表 1 混凝土孔径分布 Ix m 当环境温度下降时, 由于混凝土表面温度降低较快, 而混 凝土内部温度降低较慢, 所以在内外混凝土之间就形成温度梯 度。当温度低于 0时, 粗大孔隙中靠近混凝土表面的水就开 始结冰。随着温度的继续下降, 冻结就逐步深入至内部, 细小孔 隙中的水分将会逐步冻结。混凝土受冻时, 在结冰水膨胀力与 过冷水渗透力共同作用下, 孔壁出现较大拉应力 , 产生微细裂 纹。当这种内应力超过混凝土所能承受的极限时, 便引起混凝 土内部孔隙和裂缝不断地发育。当经过反复多次的冻融循环以 后 , 损伤逐步积累扩大, 发展成互相连通的裂缝, 最终导致
12、混凝 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 土破坏。混凝土冻害大多从表面开始, 其特征是从表层向内逐 层剥落田 。因此, 混凝土的冻融破坏过程是比较复杂的一系列物 理化学过程 。 2 冻融耐久性试验 2 1 试验方 法 参照 D L T S 1 5 O 一2 0 0 1 水工混凝土试验规程 的规定进行 快速冻融循环试验。一个冻融循环历时 3 h ; 试验过程中试件处 于完全浸水状态, 试件中心温度控制在( 一 l 7 2 ) ( 8 2 ) 范围内 循环, 冷冻液的温度控制在一 2 5 1 5 范围内循环。试验中, 由设 在棱柱体试件中心和冷冻液中的温度探头测温, 并
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