混凝土冻融循环试验的研究

杜巍

摘要：我国北方冬季气候寒冷，混凝土结构长期暴露在自然环境中，使得混凝土遭受着较为严重的冻融循环破坏，冻融循环引起的耐久性损伤问题已经不容忽视，试验将研究冻融作用下混凝土性能的变化规律。

关键词：混凝土；循环；试验

试验目的：探讨在相同配合比不同冻融循环次数条件下混凝土性能的变化情况；探讨在相同冻融循环次数不同配合比条件下混凝土性能的变化情况；

试验材料：1.水泥：采用太行山牌42.5级普通硅酸盐水泥。2.骨料：（1）粗骨料：试验采用5～20mm连续级配石子，石子颗粒均匀，针状、片状颗粒分布少，级配良好，堆积密度和表观密度分别为1500kg/m3和2740kg/m3；（2）细骨料：试验采用干燥的河沙，细度模数为2.4，级配Ⅱ区，堆积密度和表观密度分别为1550kg/m3和2590kg/m3；3外加剂：（1）减水剂：保定慕湖恒源新型建材公司生产的聚羧酸系高效减水剂，固含量为40%。

配合比设计：根据混凝土相关配制规范及经验结论确定水灰比、单位用水量、及胶凝材料用量。

一、混凝土的配合比设计

按照强度/水灰比/砂率/水泥（kg/m3）/砂子（kg/m3）/石子（kg/m3）/水（kg/m3）

组一：C30/0.54/38%/370/695/1134/200

组二：C40/0.42/36%452/633/112/190

組三：C50/0.35/34%/514/588/1140/180

根据配合比设计指标，试验测试试配混凝土的塌落度、和易性。根据3d、7d、28d强度等指标优化确定该工程实际应该采用的（C30、C40、C50）混凝土试验室配合比。

二、试块制作明细及材料用量

1.试验计划

混凝土搅拌、成型依照GBJ107一87方法进行，试件24h后拆模，随后将试件置于标准养护室养护至规定龄期进行相关性能试验。论文通过试验对混凝土的力学性能进行研究。

（1）混凝土抗压强度

混凝土抗压强度测定按GB/T50081-2002标准试验规范进行试验。采用100mm×100mm×100mm试块，共3个配比，每组3个，分别测定3d，7d，28d各龄期强度值。

（2）冻融循环作用下混凝土抗压强度的变化

试验采用GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准》。采用Φ100mm×200mm圆柱型试块，共3个配比，每组9块，然后将试块切制成Φ100mm×50mm进行冻融试验，测其达到循环次数为50、100、150后的抗压强度。

2.具体试验步骤

通过对三种不同的强度等级（C30、C40、C50）的混凝土试件，采用快冻法对Φ100mm×50mm圆柱型试块进行冻融循环，在达到循环次数为50、100、150后测量其抗压强度，分析该试块抗压强度及质量的变化规律。

3.预期成果

探讨混凝土在冻融作用下力学性能的变化。分析相同配合比不同冻融次数下混凝土性能的变化情况以及相同冻融循环次数不同配合比下混凝土质量及强度的变化情况。

4.试验设备

本冻融试验采用的为NJW-HDK-9型微机全自动混凝土快速冻融试验设备，该试验设备是由控制系统、制冷机组、冻融箱三部分组成。抗压试验及劈裂抗拉试验采用的是YAW-2000型微机控制电液伺服压力试验机。该试验机集现代机、电、液为一体的高科技通用型自动压力试验机。YAW系列微机控制电液伺服压力试验机（YAW-300B除外），采用油缸下置式主机，带有进口油泵电机组和电液伺服阀伺服油源，试金PC机控制器，全数字程控放大器插装在PC机内，具有控制模式智能专家系统，可实现各种模式的闭环控制，能够按照要求进行数据处理和试验结果的网络操作。

三、混凝土的冻融循环试验

快冻法：快冻法是以经受的快速冻融循环次数来表示的混凝土抗冻性能。适用于相对动弹性模量、质量损失和抗冻耐久性系数作为评定指标的混凝土冻融试验，特别适合抗冻性能较高的混凝土。

四、冻融试验的操作过程

1.将100mm×100mm×100mm的混凝土立方体试件及Φ100mm×50混凝土圆柱型试件在试验前四天前从养护室取出，然后放在水中充分浸泡，水温为（20±2）℃，为了使试块充分浸泡，水面至少要高出试块表面20mm。

2.测定初始值：取出三块未浸泡的立方体试块测得其抗压强度，三者取平均值，然后将浸泡在水中的试块拿出来，擦去表面积水，用风扇吹一段时间表面没有明显水分，然后将其依次称重。

3.将试验盒放入冻融箱内的试件架中。中心试验盒应放在冻融的中心位置，并在试验盒内注水。

4.冻融循环过程还应满足以下要求：

（1）每次冻融循环应在2～4h内完成，其中用于融化的时间不得小于整个冻融过程的四分之一；

（2）在冻结盒融化终结时，试件中心温度应该分别控制在（-17±2）℃和（8±2）℃；

（3）每块试块从3℃降至1～6℃所用的时间不得少于冻结时间的二分之一，试件的内外温差不宜超过28℃；

（4）当达到50次、100次、150次时将试块从冻融机内取出来，将试块表面洗净擦干，然后测其质量，并取出三块试块用YAW-2000型微机控制电液伺服压力试验机测其抗压强度。

五、试验结果与分析

论文通过两方面对实验结果进行对比分析：1.探讨不同冻融循环次数对混凝土各方面的影响；2.探讨不同强度等级的混凝土的抗冻性能的差别。以下将进行详细的介绍。

不同受冻次数下混凝土各性能的对比

六、混凝土外观的对比

根据试验结果可以得出，C30混凝土试块经过50次冻融循环后破坏的不太明显，局部有极微小裂纹，混凝土的表面依旧平整，但略显粗糙；经过100次冻融循环后龟裂较为明显，混凝土表面已经不再光滑；经过150次冻融循环后，混凝土出现明显的大裂纹，骨料外漏，四周剥落严重，甚至有的都出现严重破坏，失去原本的形状。观察C40混凝土试块可以得，经过50次冻融循环后C40混凝土试块无明显变化，表面光滑，没有看到裂纹；经过100冻融循环后C40混凝土试块出现细微的裂纹，表面略显粗糙；经过150次冻融循环后，C40混凝土试块出现较大的龟裂，略显骨料外漏，表面粗糙。观察C50混凝土试块受冻后状态可知，经过50次冻融循环后C50混凝土试块无明显破坏现象，表面依旧光滑平整；受冻融循环100次后C50混凝土试块表面略显粗糙有细微裂纹；受冻融循环作用150次后C50混凝土试块表面出现龟裂，表面粗糙，骨料外漏程度小。

本文对配合比为C30、C40、C50的混凝土进行了饱水状态下的冻融循环试验，每次冻融循环的温度变化范围为-20～20℃，详细的对混凝土的冻融破坏过程进行了描述。对冻融前及经过不同冻融循环次数的混凝土分别进行了抗压试验及质量的称量，分析了冻融循环作用对混凝土强度损失及质量损失的影响。发现以下规律：相同水灰比的混凝土在不同的冻融循环次数作用下，混凝土的外观破坏程度随着冻融循环次数的增加而增大；强度损失率会随着冻融循环次数的增加而增大；平均质量损失率会随着冻融循环次数的增加而增大。在相同冻融循环次数的作用下，随着水灰比的降低，混凝土外观的破损程度逐渐减小；混凝土受冻后的强度损失率及平均质量损失率均随着混凝土强度等级的提高而减小。（作者单位：内蒙古自治区建材产品质量检验院）