混凝土在不同溶液中抗冻性能的研究.pdf
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1、第 3卷第 4期 2 0 0 6年 8月 铁道科学与工程学报 J OURNA L OF F I AI l WAY S CI E NCE AND E NGI NE ERI NG V o 1 3 A u g N O 4 2 0 o 6 混凝土在不 同溶液 中抗 冻性 能的研 究 谢友均 , 马昆林 , 许辉 , 石 明霞 ( 中南大学 土木建筑学院, 湖南 长沙 4 1 0 0 7 5 ) 摘要: 采用快冻法研究了纯水泥混凝土、 F A混凝土和 F A与 S F双掺的混凝土在不同溶液中的抗冻性能。结果表 明: 不同 混凝土在不同溶液中抗冻性能不同。在水溶液中, 纯水泥混凝土的抗冻性要好于 F A混
2、凝土和 F A与 s F双掺 的混凝土; 在 N a C l 溶液中, F A混凝土和 F A与 S F双掺的混凝土抗冻性强于纯水泥混凝土; 在 N a 2 S O 4 溶液中, F A与 S F双掺的混凝土抗冻 性最强, F A混凝土次之, 纯水泥混凝土较弱; 在盐卤水中, 混凝土一般不会发生冻融破坏, 混凝土抗冻性取决于混凝土抗盐 溶液化学侵蚀的性能。 关键词 : 混 凝土 ; 矿物掺合料 ; 抗冻性 ; 溶 液 中图分类号: 1 1 J 5 2 8 文献标识码: A 文章编号: 1 6 7 2 7 0 2 9 ( 2 0 0 6 ) 0 4 0 0 2 9 0 6 R e s e a r
3、 c h o n t h e f r o s t r e s is t a n t c a p a b il i o f c o n c r e t e in d iff e r e n t s o lu t io n s X I E Y o u j u n , MA K u n l i n , X U H u i, S H I Mi n g x i a ( C o l l g e o f C i v i l a n d A r c h i t e c t u r a l E n g i n e e r i n g , C e n t r a l S o u t h U n i v e r s
4、 i t y C h ang s h a 4 1 0 0 7 5 ,C h i n a ) Ab s t r a c t : Th e f r o s t r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e an d c o n c ret e wi t h FA an d c o n c r e t e wi t h F A an d SF e x p o s e d i n d i f f e r e n t sol u t i o n s w a s s t u d i e d b y t h e a c c e l e r a t e d f ree z i
5、 n g t h a wi n g t e s t T h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t d i f f e r e n t c o n c r e t e s h a v e d i f f e r e n t f r o s t r e s i s t ant c a p a b i l i t y i n d i ff e r e n t s o l u t i o n s I n wa t e r s o l u t i o n t h e f r o s t r e s i s t an c e o f c o n c r e t e
6、 i S b e t t e r t h an t h a t o f c o n c r e t e w i t h F A and c o n c r e t e w i t h F A and S Fb u t i n Na C l s o l u t i o n t h e f r o s t r e s i s t anc e o f c o n c r e t e w i t h F A and c o n c r e t e w i t h F A and S F i S b e t t e r t h an t h a t o f c o n c r e t e I n N a
7、 2 S O 4 s o l u t i o n,t h e f r o s t r e s i s t anc e o f c o n c r e t e w i th F A and S F i S t h e b e s t wh i l e t h a t o f c o n c ret e i S t h e wo r s t an d t h e f r o s t r e s i s t an c e o f c o n c r e t e wi th FA t a k e s t h e s e c o n d p l a c e I n b i t t e r n s o l
8、 u t i o n f r e e z i n g t h a w i n g wil l n o t d e s t roy all c o n c r e t e s ,and t h e f r o s t r e s i s t anc e o f c o n c r e t e i S d e c i d e d b y the c a p a bi l i t y o f c o n c r e t e r e s i s t i n g t o c h e mi c a l c o r r o s i o n Ke y wo r d s :c o n c r e t e ;mi
9、 n e r a l a d mi x t u r e ;f r e e z i n gt h a win g d u r abi l i t y ;s o l u t i o n 我国地域辽阔 , 占国土大半的东北 、 西北和华 北地区处于寒冷地区, 西部大开发亟待建设的铁 路、 高等级公路、 桥梁、 水电、 民航及输油输气设施 等 , 大多处于寒冷地 区, 且这些地 区多属盐渍土或 盐湖 区域 , ? 昆凝土使用环境十分恶劣 ; 我 国有大面 积海域处于北方寒冷地区, 其中 昆 凝土 程的使用 环境极为恶劣。这些 环境中的混凝 土不仅受到冻 融破坏作用, 很多还受到盐类侵蚀与冻融的双重破
10、坏作用 , 所以, 选择抗冻融性 能好 的高性能混凝土 ( H P C ) 就成了工程建设中迫切需要解决的问题。 国外 T c P 0 w e r s 1 - 2 J 等学者对 混凝土的抗冻 性能机理进行了研究, 国内学者余红发 4 j 研究了 盐湖环境中混凝土的抗冻性能 , 慕儒 _ 5 6 j 研究了混 凝土在盐溶液 中的抗冻性 能, 并且 取得 了一定成 果 。但是 , 对不 同混凝土在不同溶液中的抗冻性能 还缺乏较为系统的研究 , 在此 , 本文作者针对我 国 的实际情况着重研究并 比较 了水胶 比为 0 3 5时 , 无矿物掺合料 、 单掺 F A和 F A与 s F复合的 3种混
11、凝土在纯水 中、 3 5 的 N a C 1 溶液 中、 5 的 N a 2 S O 4 溶液中以及青海盐 卤水 中的抗冻性能 , 以期对不同 混凝土在不 同溶液 中抗冻的性能进行分析 比较 , 对 实际工程起 到指导作用 。 收稿 日期 : 2 0 0 60 31 0 项 目基金 : 国家“ 8 6 3 ” 高新技术研究发展计划项 目( 2 0 0 2 A A 3 3 5 0 2 0 ) 作者简介 : 谢友均( 1 9 6 4一) , 男 , 湖南郴州人 , 教授 , 从事土木工程材料研究 维普资讯 http:/ 3 0 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 0 6 年 8月 1 原材
12、料与试验方法 1 1 原材料 原材料为水泥( 简称 C ) , 湖南湘乡水泥股份有 限公司生产, 强度等级为4 2 5 普通硅酸盐水泥; 粉 煤灰( 简称 F A ) , 湖南湘潭 电厂生产 的风选 I 级粉 煤灰; 硅灰( 简称 s F ) , 西北铁合金厂生产; 砂, 湖南 湘江河砂, 中砂, 细度模数为 2 7 , I I 区级配合格; 外加剂, 上海花王化学有限公司生产, 迈地 1 0 0 萘 系高效减水剂; 引气剂: s J 一 2型; 水 : 饮用水。试 验用原材料化学组 成见表 1 ( 本文 中涉及到 的用 量 , 掺量均以质量分数计) 。青海盐湖 卤水化学成 分 见表 2 。
13、表 1 水 泥、 粉煤灰和硅灰化学组成 Ta b l e 1 C h e mi c a l C o mp o s i t io n s o f C e me n t 、 F l y a s h a n d S i l i c a F u me S i 0 2 A l 2 o 3 F e 2 o 3 C a O Mg O s o3 I L P 0 4 2 5 2 4 3 4 8 3 8 5 5 3 4 2 2 2 2 4 F A 5 2 7 2 5 8 9 7 3 7 1 2 O 2 一 S F 8 5 1 6 O 0 6 7 0 4 0 5 6 1 1 O 一 2 6 8 1 2 配合比 试验
14、用混凝土配合 比见表 3 。 表 3 混凝土配合比及抗压强度 T a b l e 3 Mi x p r o p o r t io n o f c o n c r e t e an d c o mp r e s s i v e s t r e n g th Wa t e r -r e d u c i g Ai r - c o n S l um p r n m f c 2 8 d MP aA g e n t wa t e r r e d u c i n g a g e n t i s b a s ed th e n m s o f b i n d e r 1 3 试验方法 采用水 、 N a C
15、1 溶 液、 N a 2 S O 4 溶液 以及青海盐 卤 水对相同配比的混凝土进行冻融试验。冻融设备 为北京市大冷机电设备有限公 司出厂 的 K D R一 型混凝土快速冻融机。试件采 用 1 0 c m X 1 0 c m X 4 0 c m棱柱体试件, 试件的中心温度分别控制在 ( 一1 7 2 ) ( 82 ) , 冻融周期为 24 h 。混凝 土试件在冻融试验过程中均处于全浸泡溶液状态。 在盐冻试验中每进行 2 5 次冻融循环更换 1 次盐溶 液 , 以确保混凝土试件在冻融过程中处于基本相同 的离子浓度 中, 抗冻试 验参照 水工混凝土试 验规 程 D L T 5 1 5 1 2 0
16、0 1 。考虑到掺有矿物掺合料的 混凝土二次水化反应较慢 , 试验开始冻融龄期采用 2 8 d , 在到达试验龄期 的前 4 d , 将试件在 ( 2 03 ) 的不同溶液 中浸泡 4 d后开始冻融试验。 混凝土抗冻耐久性评价指标为相对动弹性模 量下降率和重量损失率。当冻融试验达到 3 0 0次 循 环 、 相对动弹性模量下降 6 0 或质量损失达 5 三者之一时, 抗冻试验结束。 相对动弹性模量下降率计算公式为: P= x 1 0 0 。 式中: P为经 次冻融循环后试件 的相对动 弹性 模量; 为经次冻融循环后试件的横向自振频 率, H z ;f o 为冻融循环前试件的横向自 振频率, H
17、 z 。 质量损失计算为 : = J一 X 1 0 0 。 ( 2 ) 式中 : 为经 次冻融循 环后试件 的质量损失 率; G 为经次冻融循环后试件质量, g ; G 0 为冻 融前试件质量 , g 。 2 试验结果及讨论 2 1 混凝土在水溶液中抗冻性能 混凝土在水溶液 中抗冻性 能如图 1 所示。由 图 1 可知 : A, B和 C 3组混凝土在水溶液中均能达 到 3 0 0次冻融循环 ; 在水溶液中, A组抗 冻性能较 好 , 动弹模及质量都无较大变化 , 抗冻试验结束 后 外观完好; 掺人了 F A的B组在 3 0 0 次冻融后质量 损失较大, 这主要是混凝土表面剥蚀严重( 见图2
18、) 所致, 而动弹模下降率较低, 说明 B组混凝土内部 结构仍然较好。研究结果表明【 7 - 8 , 混凝土受到冻 融破坏 , 产生表面剥蚀 的现象 , 与混凝 土表面下 1 B in 范围内存在一层不同于混凝土主体的微结构 有关, 该结构极为多孑 L 。这个多孑 L 的表层在经受冻 融循环后很容易被破坏 , 从而剥蚀脱落。F A掺人 到混凝土中会增加混凝土表面层的厚度和孑 L 隙率, 也就是说混凝土表层下的多孑 L 结构更为疏松, 冻融 破坏产生的剥蚀量也随之增加, 所以掺人 F A的混 凝 土表面抗水冻剥蚀能力降低 ; F A与 s F复合的 C 组动弹模下降较大, 表明混凝土内部结构破坏
19、严 重 , 但抗冻试验结束后外观完好 。有研究指 出l 3 , 掺入 s F 等矿物掺合料的 H P C在水冻过程中存在 维普资讯 http:/ 第4期 谢友均, 等 : 混凝土在不同溶液中抗冻性能的研究 3 l 水化产 物单硫 型水 化 硫铝 酸 钙 ( A F ro) 向钙 矾石 ( A F t ) 的转化现象 , A F t 形成时 的膨胀 压会导致混 凝土内部产生微裂纹, 但 s F的掺入能够提高混凝 土表面的密实性 , 对混凝土表面抗冻融剥蚀有利。 ,5 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 N t m t x o f fr e e z i n g
20、- t h a w in g c y l c e s 0 5 0 1 0 0 1 5 0 20 0 2 5 0 3 O O Nl 0 f 丘 c m l a n g c y t c e s 图 l 混凝土在水溶 液冻 融过程 中相对动 弹性模 量与 质量损失 的变化 F i g 1 Re l a t i v e d y n a mi c mo d u l u s a n d n l a S s l o s s o f c o n c r e t e d u r i n g fre e z i n gt h a w i n g i n w a t e r s o lu t i o n ( a )
21、 一b e f o r e fr e e z i n g t h a w in g ; ( b ) 一a f t e r 3 0 0 fr e e z i n g t h a win g c y c l e s 图 2 F A混凝 土在 水溶 液中冻融前后表 面变化 F i g 2 S u r f a c e c h a n g e o f F A c o r t c r e t e d u ri n g fre e z i n gt h a w i n g i n wa t e r S O lu t io n 2 2 混凝土在 N a C 1 溶液中抗冻-陛能 混凝土在 N a C 1 溶液
22、 中的抗冻性 能 如图 3所 示。由图 3可知 : A组混凝 土在冻融循环至 2 5 0次 时破坏, 其余 2 组都能达到 3 0 0次循环。在 N a C I 溶液 中, A组试件在冻融约 1 0 0次时动弹性模量开 始严重下降, 单掺 F A和 F A与 s F 复合的B和 C组 动弹性模量下降较少, 这说明在抗冻试验到第 1 0 0 次时 A组 混凝 土 内部 已出现 严重破坏 ; A, B和 c 组在冻融试验过程中质量损失都较为严重, 且 A 组下降最为严重, 从外观上看, A , B和 c组表面剥 蚀都较为严重 , 见 图 3 。N a C 1 溶液改变了混凝土在 冻融破坏过程中的动
23、弹性模量和质量损失的速度, 而不改变 昆 凝 土的冻融破坏机理_ 9 J 。在毛细管吸 水试验中, 盐含量高的试件, 达到平衡时间短, 能更 快达 到饱水 ; 相反 , 在失水试验 中, 试件含盐量高, 达到平衡时间长 , 更难失水 。因此 , 当混凝 土处于 盐溶液时 , 混凝土 的初始饱水 度比无盐时的高 , 即 混凝土 中的可冻水 增加。因而 , 混 凝土经 受盐冻 时 , 混凝土中将产生更高 的结冰压。另外 , 由于盐 的浓度差 , 受冻时因分层结冰还会产生应力差。氯 盐浓度越高, 饱水度越高, 但 3 4 时最大, 氯 化钠盐溶液会使混凝土产生严重的盐冻剥蚀破坏。 长期暴露于氯化钠溶
24、液 中的混凝土 , 氯盐会与氢氧 化钙反应 : 2 N a C l +C a ( O H) , 一2 N a 0 H+C a C 1 2 。 8 甓 5 0 5 0 1 0 0 1 50 2 00 25 0 3 OO NI o f f r e e z in g - t h a n g y l c e s O 5 0 1 0 0 1 删 2 5 0 3 0 0 N舯t 0 f 姆-吐 】a 、 培 c c s 图 3 混凝 土在氯化钠溶液冻融过程 中相对动弹性模量与质 量损失的变化 F i g 3 Re l a t i v e d y n u n i c mod u l u s an d 11
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