國內(nèi)外混凝土的抗凍性試驗的分析與探討

【關(guān)鍵詞】混凝土; 凍融; 鹽凍;試驗方法;評價指標(biāo);控制要求

【中圖分類號】TB302 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

　　混凝土抗凍性是指混凝土在飽水狀態(tài)下，能經(jīng)受多次凍融循環(huán)而不破壞其外觀完整性，也不嚴(yán)重降低其強(qiáng)度的性能指標(biāo)。可分為單純凍融循環(huán)作用和鹽凍作用兩類。單純凍融循環(huán)作用會使混凝土內(nèi)部受損傷而產(chǎn)生開裂，受此作用的混凝土結(jié)構(gòu)常處于鄰水地區(qū)，如橋墩、承臺、隧道、涵洞等;而鹽凍作用主要存在于寒冷地區(qū)的鹽漬土地帶及噴灑化冰鹽的路段，受影響的混凝土結(jié)構(gòu)物如橋面板、路面板、人行道、路緣石等。1986年，北美、歐洲、亞洲等地的16個國家組成一個技術(shù)專家組，對約800000座道路橋梁進(jìn)行了細(xì)致和全面的現(xiàn)場調(diào)查、分析和漢蛤式。結(jié)果指出:在寒冷地區(qū)，特別是除冰鹽或含鹽環(huán)境引起的鹽凍剝蝕破壞和鋼筋銹蝕破壞是道橋破壞或失效的最主要原因。在我國廣大北方地區(qū)，由于年平均氣溫較低、日溫差大，且某些地區(qū)地下水中鹽濃度較高，整體氣候、環(huán)境相對惡劣，混凝土的抗凍性不足是造成耐久性破壞的主要原因之一。迄今為止，國內(nèi)外很多專業(yè)人士通過抗凍性試驗對混凝土抗凍性能做了大量研究，但試驗方法不一。各國規(guī)范對混凝土抗凍性規(guī)定的側(cè)重點也不盡相同。

1 國內(nèi)外混凝土抗凍性的試驗方法及控制要求

1.1 凍融破壞的杭凍性試驗方法

1.1.1 美國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的凍融試驗方法

　　美國 ASTMC66一97混凝土快速凍融試驗方法推薦了兩種在實驗室內(nèi)快速測定混凝土抗凍性能的方法:快速冰凍水融法和快速氣凍水融法。兩種方法規(guī)定凍融循環(huán)溫度為-17.8℃ -4.4℃。除另有規(guī)定的限制外，每個試件應(yīng)連續(xù)進(jìn)行30次循環(huán)，或進(jìn)行到試件的相對動彈性模量降到初始值的60%時為止。對任意長度變化試驗，當(dāng)膨脹量超過0.1%時，試驗結(jié)束并計算出耐久性系數(shù)。這種方法是利用混凝土動彈模量對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞比較敏感這一原則制定的。

1.1.2 英國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的凍融試驗方法

　　英國BS5075:PAR長:1982規(guī)定了混凝土的凍融試驗方法為:所用試件尺寸為75mm ×75mm×(225-305)mm，要求24h內(nèi)試件在-15℃土3℃溫度下凍16~17h，在20℃ 土2℃的水中養(yǎng)護(hù)72h士2h。經(jīng)50次凍融循環(huán)后計算出相對長度變化率。

1.1.3 國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的凍融試驗方法

　　目前，我國抗凍性的試驗方法主要依據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》(GBJ82-85)的規(guī)定分為慢凍法和快凍法。

　　慢凍法是將立方體試件(試件尺寸據(jù)混凝土中集料的最大粒徑選定)在28d(如無特殊要求)齡期時進(jìn)行凍融循環(huán)試驗。試驗前將試件放在巧℃-20℃水中浸泡4d，再在-15℃-20℃條件下冰凍4h，然后在巧℃-20℃水中融化4h，此為一個凍融循環(huán)。以抗壓強(qiáng)度下降不超過25%，重量損失不超過5%時，混凝土所能承受的最大凍融循環(huán)次數(shù)來表示抗凍標(biāo)號。慢凍法存在試驗周期長，試驗誤差大，試驗工作量大等較多不足之處?，F(xiàn)在水工、港工、道路、鐵道等部門，積極推廣快凍法?？靸龇ㄊ前礃?biāo)準(zhǔn)規(guī)定方法攪拌、振搗后成型尺寸為100mm ×100mrn ×400nm 的標(biāo)準(zhǔn)試件后，養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期前4d，放人水中浸泡4d后用自動凍融循環(huán)試驗機(jī)在2-4h完成一次凍融循環(huán)。以重量損失不超過5%或相對動彈性模量下降達(dá)40%時的凍融循環(huán)次數(shù)來表示抗凍標(biāo)號。

1.2 鹽凍破壞檢測檢驗方法及評定指標(biāo)

　　目前，國內(nèi)還沒有制定混凝土鹽凍破壞的檢測檢驗標(biāo)準(zhǔn)方法。國外具有代表性的鹽凍試驗方法有3種。

　　(1) ASTMC672。用于評定混凝土暴露在除冰鹽環(huán)境中的抗鹽剝蝕性能。該方法最少試件數(shù)為兩塊，每塊的表面積和厚度分別不小于460cm²和7.5cm。試件在23土1.7℃和RH=10%的環(huán)境中養(yǎng)護(hù)14d后，在同樣溫度和RH=45%-5%的條件下再養(yǎng)護(hù)14d。然后，試件按圖1進(jìn)行試驗前處理。試件最少要進(jìn)行50次凍融循環(huán)，每次循環(huán)歷時ld。每次在-17℃士1.7℃下凍16-18h，在23℃土1.7℃和RH為45%-45%的條件下融化歷時6-8h。每5次循環(huán)后鹽溶液要全部更換。5、10、15、25和50次循環(huán)后要對表面剝蝕破壞程度進(jìn)行目測評估，評定等級共分5級，見表1。[Page]

　　(2) SS 13 72 44(也稱BORAS法)為瑞典標(biāo)準(zhǔn)試驗方法。是在ASTMC672基礎(chǔ)上改進(jìn)而成的。實驗室成型的試件脫模后，先在20℃ 土2℃水中養(yǎng)護(hù)5-7d，然后在相同溫度和RH為50%士10%的環(huán)境中放置20d士2d時，從試件上切出一塊厚度約50 mm 土5mm的試塊。切出的試塊還要在20℃士2℃和RH為50%土10%的環(huán)境中再養(yǎng)護(hù)7天。對實驗室試件，測試面積最少為900cm²，而鉆芯取樣的最少測試面積為400cm²。凍融試驗前的試件處理見圖2。凍融循環(huán)制度為ld一次循環(huán)，凍融溫度為-20℃ -20℃，0℃以上時間7-9h，-10℃以下時間7-12h。全部凍融試驗歷時56d，即56次循環(huán)。每7次循環(huán)后測定剝落量。破壞評定指標(biāo)見表2。

　　用剝落量作為評定指標(biāo)，計算公式為:M_N=W_N/S

　　式中 : M_N為N次凍融循環(huán)后試件的剝落量，kg/m²; W_N為N次凍融循環(huán)后的累計剝落物重量(105℃烘干)，kg;S為測試試件的表面積，m²。

　　(3)RILEMTC117-FDC。1995年國際材料學(xué)會頒布的RILEMTC117-FDC包括三種方法，CDF法、平板法(類似于55137244)和立方體法(2(X)2年頒布的RILEMTC176-IDC2002中刪除此法)。目前，CDF法在西歐(德、法)應(yīng)用比較普遍，平板法在北歐(瑞典、挪威、丹麥、芬蘭)應(yīng)用比較普遍。

　　采用 CDF(CF)法試驗時，試件成型ld后脫模，放人20℃士2℃水中養(yǎng)護(hù)6d，接著在相同溫度和RH為65%的環(huán)境中放置2ld，然后按圖3把試件單面放人3%NaCI溶液中，并在20℃ 士2℃下繼續(xù)放置7d后開始凍融試驗。凍融制度為12h一次凍融循環(huán)。0℃以上時間為6h，其中20℃恒溫lh;0℃以下為6h，其中-20℃恒溫3h。試件最少測試面積為800cm²。經(jīng)過28(或56)次凍融循環(huán)后，通過測量試件超聲傳播時間和表面剝蝕量的變化來評價混凝土的抗凍性。當(dāng)28次循環(huán)的剝落量小于1.5kg/m²時，可判定該混凝土抗鹽凍性合格，否則為不合格。

1.3 混凝土杭凍性的控制要求

　　由于氣候 、地理位置和理論基礎(chǔ)等方面的原因，各國規(guī)范對混凝土抗凍性規(guī)定的側(cè)重點不盡相同。

　　(1)美國的抗凍性試驗方法主要有兩種:ASTMC66-97檢測為混凝土抵抗快速凍融能力的標(biāo)準(zhǔn)方法;ASTMC672-2003為混凝土表面暴露于除冰鹽時抗鹽凍性的試驗方法。美國混凝土協(xié)會(ACI)制定的關(guān)于混凝土抗凍性控制要求的規(guī)范中，混凝土所處的環(huán)境被分成了嚴(yán)酷環(huán)境和一般環(huán)境兩種。一般認(rèn)為橋面板、路沿石、車庫和蓄水池等結(jié)構(gòu)物是處于嚴(yán)酷環(huán)境中的結(jié)構(gòu)物;部分不與土壤直接接觸的梁、柱和板是處于一般環(huán)境中的結(jié)構(gòu)物。在混凝土遭受凍融或鹽凍破壞時，ACI規(guī)定應(yīng)根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)物所處環(huán)境對混凝土進(jìn)行引氣，同時對混凝土的最大水膠比和最低強(qiáng)度進(jìn)行控制。

　　(2)加拿大的抗凍性試驗方法是CSA－A2312－94中規(guī)定的快速凍融法。該方法與ASTMC666完全相同。雖然加拿大國家規(guī)范中只有一種混凝土抗凍性試驗方法，但在評價及測試混凝土抗凍性時，除快凍法外，鹽凍法也被使用。CSAA2311-94規(guī)定，在不包含氯離子的情況下，混凝土所處的環(huán)境被分成三種:FI為露在凍融條件下的飽水混凝土，如水池底板、天井、網(wǎng)球場和浸泡在淡水中的設(shè)施等;FZ為暴露在凍融條件下的不飽水混凝土，如建筑物的外墻和外柱等;N為暴露在沒有凍融也沒有氯離子環(huán)境下的混凝土，如建筑物的內(nèi)墻和內(nèi)柱等。并規(guī)定了在不同環(huán)境下混凝土28d的最小強(qiáng)度和最小水膠比。[Page]

　　(3) 瑞典建筑部出版的混凝土建筑手冊(Boverket’ShandbookonconcreteconstrUction，以下簡稱BBK94)中，將有抗凍性要求的混凝土環(huán)境分成了以下4類:B1為可忽略的環(huán)境;B2為輕微的嚴(yán)酷環(huán)境— 中等濕度的沒有氯離子存在的凍融環(huán)境，包括處于室外與地平線夾角超過30的建筑物表面，如建筑物的立面;B3為中等嚴(yán)酷環(huán)境— 處在潮濕或者非常潮濕的環(huán)境中沒有或者只有少量的氯離子存在并經(jīng)受凍融循環(huán)作用的環(huán)境。包括處于室外與地平線夾角不超過30的建筑物表面，如陽臺、泡在清水中的大壩和碼頭等;B4為非常嚴(yán)酷的環(huán)境— 結(jié)構(gòu)物處在潮濕或者非常潮濕的環(huán)境中，有中等或大量氯離子存在，并伴隨凍融循環(huán)的環(huán)境。如處于海水浸泡和位于浪濺區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)物。

　　當(dāng)環(huán)境條件為B3 或B4 時，BBK94通常要求摻加引氣劑。針對不同環(huán)境，并根據(jù)骨料粒徑不同，對混凝土的最小含氣量和最大水膠比作了相應(yīng)規(guī)定。

　　(4 )歐洲標(biāo)準(zhǔn)委員會出版的EN206一l:2000中，將有抗凍要求的混凝土環(huán)境分成了4類，分別為:XF1— 中等程度飽水，無除冰鹽存在的環(huán)境;XF2— 中等程度飽水，有除冰鹽存在的環(huán)境;XF3— 高程度飽水，無除冰鹽存在的環(huán)境;XF4— 高程度飽水，有除冰鹽存在的環(huán)境。在標(biāo)準(zhǔn)中 ，針對不同環(huán)境對混凝土最大水膠比，最小強(qiáng)度等級，最小水泥含量，最小含氣量都進(jìn)行了規(guī)定。

　　(5)我國規(guī)范中也有針對混凝土抗凍性的規(guī)定，但規(guī)范中并未區(qū)分環(huán)境等級，且在考慮鋼筋銹蝕和腐蝕的時候也是如此。近年來國內(nèi)已有專家學(xué)者認(rèn)識到這些問題，水工行業(yè)在SL211-98《水工建筑抗冰凍設(shè)計規(guī)范》中已有相關(guān)規(guī)定:各類水工結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的混凝土等級應(yīng)根據(jù)氣候分區(qū)、凍融循環(huán)次數(shù)、表面局部小氣候條件、水份飽和程度、構(gòu)件重要性和檢修條件按規(guī)范選取。在不利因素較多時，可選用提高一級的抗凍等級。2004年陳肇元院士在其編輯出版的《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計與施工指南》中對混凝土結(jié)構(gòu)物所處環(huán)境進(jìn)行了分類，并依據(jù)所處環(huán)境不同，對有杭凍要求的混凝土的含氣量、最低強(qiáng)度等級、最大水膠比、最小膠材用量和抗凍耐久性指數(shù)DF值進(jìn)行了規(guī)定。

2 試驗方法分析和討論

　　從上述國內(nèi)外有代表性的抗凍性試驗方法、評定指標(biāo)及控制標(biāo)準(zhǔn)可以看出:

　　(1)檢測混凝土抗凍性時，國外主要的試驗方法有快凍法和鹽凍法兩種?？靸龇ㄒ悦绹腁sTMC66為代表;鹽凍法以瑞典的5513724 和歐洲材料試驗協(xié)會的RILEMTC176－IDC2002為代表。混凝土經(jīng)受除冰鹽凍融的時候，歐洲主要采用鹽凍法來評價混凝土的抗凍性。我國北方地區(qū)使用除冰鹽的道路及周邊附屬建筑物、海港及海邊建筑、處于鹽漬土地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)物，在冬季都不同程度的遭受鹽凍破壞。用GBJ82-85中的混凝土抗凍性試驗方法，無法準(zhǔn)確地評估混凝土在這種環(huán)境條件下的抗凍性。

　　(2) 在這些試驗方法中，評價混凝土抗凍性的指標(biāo)不盡相同。我國的慢凍法采用質(zhì)量損失和抗壓強(qiáng)度損失來衡量混凝土的抗凍性;而快凍法和ASTMC66的快速凍融的試驗方法采用的是質(zhì)量損失和動彈性模量;ASTMC672根據(jù)5n次鹽凍循環(huán)后試件的單位表面剝蝕情況及根據(jù)這個指標(biāo)把剝蝕破壞程度分為6級來衡量混凝土的抗凍性;在平板法中用單位面積的剝蝕量來衡量混凝土的抗凍性;而CDF通過動彈性模量的相對變化和試件單位面積的質(zhì)量損失率來評價混凝土的抗凍性。雖然在凍融破壞的過程中，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，強(qiáng)度損失和質(zhì)量損失也隨之增加，但強(qiáng)度和質(zhì)量損失是反映試件宏觀性能的參數(shù)，相對較粗糙。采用動彈性模量和試件單位面積的剝蝕量從宏觀及微觀來衡量混凝土的抗凍性要比用質(zhì)量損失、強(qiáng)度損失以及ASTMC672方法的表觀分級更能直接、全面、準(zhǔn)確地反映混凝土受凍害的程度及混凝土抗凍性。但在鹽凍試驗中，鹽凍更多的是造成試件表面的剝蝕，造成試件表面骨料裸露和凸凹不平，使動彈性模量的測試增加了更多不可控制的因素。

　　(3) 對于混凝土結(jié)構(gòu)物抗凍性的控制要求，國外比較普遍的做法是先將環(huán)境分類，然后針對不同的環(huán)境制定不同的規(guī)定。但我國規(guī)范中并未區(qū)分環(huán)境等級。

　　(4) 不管是凍融循環(huán)試驗還是鹽凍試驗，各檢測方法均是試件在無外荷載，無綜合環(huán)境作用下進(jìn)行的。而實際上混凝土結(jié)構(gòu)物在使用過程中除了承受外荷載作用外，還受到各種環(huán)境因素的作用，如風(fēng)吹、日曬、雨淋等天氣因素;水流和泥沙的沖刷作用;環(huán)境水或空氣中所含有害成分的化學(xué)侵蝕作用;溫濕度變化及凍融作用等，即工程實際中的混凝土結(jié)構(gòu)物是受到各方面因素綜合作用。各因素相互影響、相互疊加從而使混凝土結(jié)構(gòu)物逐漸破壞。而實驗室檢測的是混凝土材料各單項性能，且是在不承受任何應(yīng)力作用時所得的結(jié)果，雖滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，但與工程實際情況存在一些差距。如何預(yù)知材料在綜合因素作用下的性能?如何建立實驗室與工程實際試驗結(jié)果之間的關(guān)系?這都是國內(nèi)外相關(guān)從業(yè)人士極為關(guān)注并巫待解決的問題。

3 結(jié)論

　　(1) 混凝土抗凍性的評價指標(biāo)從只能用參數(shù)(混凝土的強(qiáng)度損失和質(zhì)量損失)去宏觀評價混凝土抗凍性發(fā)展到從多角度去評價混凝土的抗凍性能(CDF法等)，即從混凝土的外部剝落程度(單位面積剝蝕量)，內(nèi)部損傷程度(超聲波通過混凝土試件內(nèi)部的時間)及微觀結(jié)構(gòu)變化(混凝土內(nèi)部的氣泡結(jié)構(gòu))等去評價混凝土的抗凍性。

　　(2) 我國評價混凝土的抗凍性還主要采用快凍法，但目前北方地區(qū)道路及橋梁的凍害主要是鹽凍破壞，也即是實驗室采用的抗凍性試驗方法與工程實際有一定差距。因此建議在試驗方法方面，應(yīng)增加鹽凍法，并規(guī)定其適用的環(huán)境條件;在混凝土抗凍性控制要求方面，應(yīng)對我國的混凝土結(jié)構(gòu)物所處環(huán)境進(jìn)行分類，并依據(jù)所處環(huán)境不同，對有抗凍要求的混凝土的含氣量、最低強(qiáng)度等級、最大水膠比、最小膠材用量和抗凍耐久性指數(shù)DF值等進(jìn)行規(guī)定。

　　(3) 現(xiàn)行試驗方法檢測的是材料在單項因素作用下的結(jié)果，而工程實際中混凝土結(jié)構(gòu)的抗凍性不良是綜合因素作用的結(jié)果，因此需要全面系統(tǒng)地在實驗室試驗結(jié)果與工程實際結(jié)果之間建立一套定性定量關(guān)系。