混凝土抗凍性評(píng)價(jià)現(xiàn)狀與存在問題的研究
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1 前言
混凝土抗凍性研究與評(píng)價(jià)是對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)具有重大意義的課題，考慮到我國(guó)廣大“三北”地區(qū)的現(xiàn)實(shí)，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(qiáng)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(yàn)，只按經(jīng)驗(yàn)解決實(shí)際問題。我們目前仍在簡(jiǎn)單地重復(fù)國(guó)外三、四十年代的試驗(yàn)方法。由于評(píng)價(jià)方法與當(dāng)前工程發(fā)展的不協(xié)調(diào)，造成許多工程在應(yīng)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(guó)民經(jīng)濟(jì)造成很大的損失。
近年來，隨著混凝土技術(shù)的發(fā)展，高性能混凝土的研究與應(yīng)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(nèi)容。這也是人們對(duì)當(dāng)今混凝土工程出現(xiàn)的問題與國(guó)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(duì)混凝土抗凍性的研究與其評(píng)價(jià)方法是密不可分的。目前我們使用的方法顯然是對(duì)當(dāng)前混凝土技術(shù)發(fā)展是不適應(yīng)的。為此，我國(guó)準(zhǔn)備對(duì)GBJ82-85《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性試驗(yàn)方法》進(jìn)行修訂,針對(duì)修編工作,我們對(duì)國(guó)內(nèi)外的抗凍性試驗(yàn)方法進(jìn)行了分析研究。
2 混凝土受凍破壞機(jī)理簡(jiǎn)介
所有的評(píng)價(jià)方法建立的依據(jù)是其抗凍理論和其破壞機(jī)理的不同理解之上。目前世界上混凝土凍結(jié)破壞機(jī)理主要有三種學(xué)說：
2.1 Powers提出的靜水壓理論學(xué)說
Powers提出的靜水壓理論學(xué)說主要由以下幾個(gè)要點(diǎn)組成：①凍結(jié)時(shí)，負(fù)溫度從混凝土構(gòu)件的四周侵入，凍結(jié)首先在混凝土四周表面上形成，并將混凝土構(gòu)件封閉起來。②由于表層水結(jié)冰，冰體積膨脹，將未凍結(jié)的水分通過毛細(xì)孔道壓入飽和度較小的內(nèi)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(xì)孔內(nèi)產(chǎn)生越來越大的壓力，從而水泥石內(nèi)毛細(xì)孔產(chǎn)生拉應(yīng)力。④水壓力達(dá)到一定程度，水泥石內(nèi)部的拉應(yīng)力過高，抗拉強(qiáng)度限時(shí)，則毛細(xì)孔會(huì)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(xué)說后， Powers在自己的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，水泥漿體中的水在凍結(jié)時(shí)并不是向外排出，而是向著冷源移動(dòng)。他和他的同事Helmuth于是又對(duì)混凝土的凍融破壞機(jī)制提出了滲透壓理論。該理論認(rèn)為，在負(fù)溫條件下時(shí)，大孔及毛細(xì)孔孔中的溶液首先有部分凍結(jié)成冰，由于在溶液中的水從中凍結(jié)出來，使得溶液的濃度變大。從而在毛細(xì)孔于凝膠孔內(nèi)溶液之間存在著濃度差，這引起了從凝膠孔向毛細(xì)孔的擴(kuò)散作用，形成了滲透壓。例如，一塊從頂部開始凍結(jié)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(yán)重?fù)p壞。
2.3 G.G.Litvan的補(bǔ)充理論
加拿大的G.G.Litvan于1972年提出他的關(guān)于混凝土受凍破壞的理論。他認(rèn)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(huì)凍結(jié)；其所以不能固化是由于表面力的作用，阻止被吸附液體達(dá)到形成結(jié)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(jié)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(kuò)大成冰。
3 國(guó)內(nèi)外混凝土抗凍性評(píng)價(jià)方法的綜述
3.1 國(guó)外混凝土抗凍性試驗(yàn)方法分析
目前國(guó)外混凝土抗凍性試驗(yàn)方法主要有：快凍法；慢凍法；鹽凍法。由上面的混凝土凍結(jié)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(xué)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(cè)重。ASTM C666快凍法適合純粹由水的凍結(jié)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(píng)價(jià)應(yīng)根據(jù)需要進(jìn)行選擇。快凍法和鹽凍法應(yīng)用的范圍各不相同，評(píng)價(jià)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(yàn)方法，兩者對(duì)混凝土抗凍性的評(píng)價(jià)沒有一定換算關(guān)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(yàn)方法首先由美國(guó)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(guó)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(jié)和融化；二為快速氣凍水融法?；炷猎诶鋬鍪业目諝庵袃鼋Y(jié)，然后移至水池中融化。若在相應(yīng)循環(huán)次數(shù)的混凝土相對(duì)動(dòng)彈性量降到初始值的60%或重量損失達(dá)5%，試驗(yàn)即終止。
3.1.2 慢凍法
以前蘇聯(lián)和東歐國(guó)家就采用的慢凍法為代表。以ГOCT1006 為代表,該方法是將試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d，并規(guī)定在達(dá)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(gè)循環(huán)為8h，凍、融各半，強(qiáng)度損失率不超過25%或失重率不超過5%時(shí)的循環(huán)次數(shù)為抗凍標(biāo)號(hào)。
3.1.3 鹽凍法
美國(guó)的ASTMC672，國(guó)際材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)（RILEM）以及歐洲的大部分國(guó)家，如瑞典的SS13
72 44 ，挪威的NS3473-92 及NS4320-86 均采用鹽凍法來評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)方法
● 抗壓強(qiáng)度損失率：以慢凍法為主要評(píng)價(jià)手段，通過一定次數(shù)的凍融循環(huán)后，抗壓強(qiáng)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(píng)價(jià)手段，達(dá)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(duì)動(dòng)彈模量保留量：以快凍法為主要評(píng)價(jià)手段，達(dá)到一定次數(shù)的凍融循環(huán)后，相對(duì)動(dòng)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(shí)際環(huán)境條件的缺點(diǎn)，通過凍融循環(huán)后的試件伸長(zhǎng)率來評(píng)價(jià)試件是否抗凍。
● 臨界飽和度：通過臨界飽和度與實(shí)際飽和度的差來評(píng)價(jià)，差值越大，抗凍性越好。
3.2 國(guó)內(nèi)混凝土抗凍性試驗(yàn)方法
目前國(guó)內(nèi)混凝土抗凍性試驗(yàn)方法主要有快凍法和慢凍法兩種，各類標(biāo)準(zhǔn)中鹽凍法還沒采用作為評(píng)價(jià)的手段。但有些研究工作者，引入國(guó)外方法，進(jìn)行科學(xué)研究，中國(guó)國(guó)內(nèi)有關(guān)混凝土抗凍性的標(biāo)準(zhǔn)有GBJ82-85，DL/T5150-2001，JTJ225-87，這些標(biāo)準(zhǔn)中，都采用了快凍法，
只有GBJ82-85 同時(shí)也采用慢凍法。
4 混凝土抗凍性評(píng)價(jià)方法的存在問題
4.1 慢凍法
該試驗(yàn)方法的受凍狀態(tài)比較接近實(shí)際，但該方法試驗(yàn)周期長(zhǎng)、工作量大、試驗(yàn)誤差大，采用抗壓強(qiáng)度的破損試驗(yàn)檢測(cè)。
根據(jù)混凝土受凍破壞機(jī)理，凍脹破壞是內(nèi)部混凝土受拉開裂破壞，因此抗拉強(qiáng)度對(duì)內(nèi)部裂縫敏感，而受凍破壞恰恰是對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度不敏感。因此，慢凍法用抗壓強(qiáng)度損失率來評(píng)價(jià)混凝土抗凍性是不合理的，結(jié)果可重復(fù)性差。目前國(guó)內(nèi)外的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)正逐步取消慢凍法。
4.2 快凍法
該方法采用相對(duì)動(dòng)彈性模量來評(píng)價(jià)，它能敏感地反映混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷，較直接測(cè)試抗壓強(qiáng)度，更準(zhǔn)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(guó)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(shí)際環(huán)境快得多，試件的充水程度也較實(shí)際使用條件苛刻。因此，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)用快速凍融不抗凍的混凝土在實(shí)際工程中卻頗為耐久的情況。根據(jù)滲透壓學(xué)說知道：由于擴(kuò)散和析冰過程需要一定的時(shí)間完成，冰凍破壞威力常和低溫延續(xù)時(shí)間成比例，作用愈慢，威力愈大?？焖僭囼?yàn)時(shí)間短暫、滲透、擴(kuò)散過程來不及進(jìn)行：這種試驗(yàn)條件又趨向于低估冰凍破壞危險(xiǎn)。綜上所述：根據(jù)目前凍融試驗(yàn)結(jié)果對(duì)材料進(jìn)行優(yōu)劣排隊(duì)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(guó)標(biāo)中規(guī)定一個(gè)循環(huán)完成時(shí)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(jié)論完全不同，即不恰當(dāng)?shù)母呃鋮s速率預(yù)言一個(gè)根本不存在的危險(xiǎn)。
（3）相對(duì)動(dòng)彈性模量測(cè)試差異：目前國(guó)內(nèi)外測(cè)動(dòng)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(cè)同一個(gè)試件，結(jié)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(yàn)放置的支座不同，結(jié)果也不同。因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)只說明為橡膠或塑料泡沫，它們的彈性是不同的，同一試驗(yàn)使用不同的支座。對(duì)普通混凝土的測(cè)試結(jié)果誤差10%左右，而對(duì)強(qiáng)度等級(jí)大于C50 高強(qiáng)混凝土影響較小。另外，在我國(guó)不同標(biāo)準(zhǔn)中，計(jì)算結(jié)果也不同，如GBJ82-85 計(jì)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(dòng)彈性模的誤差累計(jì)起來，可能會(huì)把一個(gè)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(yàn)方法對(duì)高性能混凝土的抗凍性評(píng)價(jià)存在不適應(yīng)。首先，高性能混凝土中使用了大部分礦物摻合料，按目前標(biāo)準(zhǔn)中養(yǎng)護(hù)28 天后測(cè)其抗凍性和56 天后測(cè)其抗凍性，其結(jié)果存在很大差別。因?yàn)辇g期增加的28 天，高性能混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生很大變化，因此，目前方法不能真實(shí)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(yàn)周期很長(zhǎng)，而且凍融破壞特征不明顯。
5 結(jié)論
1)、由于慢凍法試驗(yàn)周期長(zhǎng)，工作量大，結(jié)果誤差大，而且抗壓強(qiáng)度損失率評(píng)價(jià)不合理，
建議新標(biāo)準(zhǔn)中修改其評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)或取消該試驗(yàn)方法。
2)、快凍法的試驗(yàn)中，把試驗(yàn)條件和評(píng)價(jià)內(nèi)容的規(guī)定更詳細(xì)、合理一些，避免由于標(biāo)準(zhǔn)差異導(dǎo)致的試驗(yàn)結(jié)果誤差。
3)、建議我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)盡快完善鹽凍法，以適應(yīng)目前我國(guó)工程評(píng)價(jià)的需要。
4)、開發(fā)更適合于高性能混凝土的抗凍性評(píng)價(jià)方法。雖然評(píng)價(jià)方法與自然界的實(shí)際凍融循環(huán)存在很大差別，將來無法實(shí)現(xiàn)完全一致，但這不應(yīng)影響我們積極地探索追求的目標(biāo)。
參 考 文 獻(xiàn)
[1]徐定華，徐敏著.混凝土材料概論.中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社.2002
[2]張譽(yù)等編著.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性概論. 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社.2003
[3]H.索默 編.高性能混凝土的耐久性. 科學(xué)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(yīng)用. 混凝土.2002
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| 原作者： 王元，張大利 |
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