含气量对低温养护下混凝土孔结构的研究.pdf

2 0 1 5 年 第 4期 总 第 3 0 6 期 Nu mb e r 4 i n 2 0 1 5 T o t a l N o ． 3 0 6 J 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEORETI CAL RES EARCH d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 2 3 5 5 0 ． 2 0 1 5 ． 0 4 ． 0 1 3 含气量对低温养护下混凝土孔结构的研究 张凯， 王起才，王庆石， 李伟龙 ， 李建新 兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 7 3 0 0 7 0 摘要 以低温 3 0 ． 2 ℃养护下引气混凝土为研究对象 ， 采用压汞法、 气孔分析法 、 快速冻融法测试了不同含气量低温养护下 混凝土的孔隙结构及抗冻耐久性 ， 此外 ， 还分析了不同含气量下混凝土 的抗压强度。 结果表明 掺人引气剂 时， 在混凝土含气量 增加的同时 ， 可使低温养护下混凝土孔 隙率、 总孔体积 、 总孔面积增加， 平均孔径、 孔间距系数减小 ， 孔径均匀分布， 显著改善混凝 土的内部孔隙结构， 提高混凝土的抗冻耐久性 ， 但受强度影响， 混凝土的含气量存在一个合理范围， 既可 以提高混凝土的抗冻耐 久性， 又不会造成强度的大幅损失。 关键词 混凝土； 低温养护； 含气量 ； 孔隙结构 ； 抗冻耐久性 中图分类号 T U 5 2 8 ． 0 1 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 5 0 4 0 0 4 9 04 Effec t s of a i r c ont en t on concr e t e por e st r uc t ur e unde r l ow t empe r at ur e cur i ng Z HANG Ka i ， WANG Q i c a i ， WANG Qi n g s h i ， L I We i l o n g， L IJ i a n x i n Co l l e g e o f Ci v i l E n g i n e e r i n g ， L a n z h o u J i a o t o n g Un i v e r s i t y， La n z h o u 7 3 0 0 7 0， C h i n a Ab s t r a c t I t t e s t e d t h e p o r e s t r u c t u r e a n d f r e e z ep r o o f d u r a b i l i ty o f c o n c r e t e u n d e r l o w t e mp e r a tu r e c u r i n g a n d wi t h d i f f e r e n t a i r c o n t e n t s b y t a k i n g a i r e n t r a i n e d c o n c r e t e u n d e r l o w t e m p e r a tur e c u r i n g 3 0 ． 2 o C a s r e s e a r c h o b j e c t a n d b y a d o p ti n g m e r c u r y i n t r u s i o n me t h o d， po r e an a l y t i c a l me t h o d a nd f a s t f r e e z i n gtha wi n g me tho d． I n a d d i t i o n， i t a l s o a n a l y z e d the c omp r e s s i v e s t r e n g t h o f c o n c r e t e wi t h d i f f e r e n t a i r c o n t e n t s ． Ex p e rime n t a l r e s u l t s s h o w tha t wh e n a i r e n tra i n i n g a g e n t i s a d d e d a n d c o n c r e t e o f l o w t e mp e r a t u r e c u rin g a n d e r d i f f e r e n t a i r c o n t e n t i s i n c r e a s e d， c o n c r e t e p o r o s i ty ， t o t a l p o r e v o l u me and t o t a l p o r e a r e a i n c r e a s e d ， wh i l e a v e r a g e p o r e s i z e a n d h o l e pi t c h c o e ffi c i e n t d e c r e a s e d ． Th e d i s t r i bu ti o n of po r e d i a me t e r wa s u n i f o r m ． Th e i n t e rio r p o r e s t r uc tur e of c o n c r e t e wa s i mp r o v e d s i g n i fi c a n t l y an d t h e f r e e z ep r o o f d ur a b i l i t y o f c o n c r e t e wa s i m p r o v e d， b u t th e a i r c o n t e n t o f c o n c r e m wa s i n a r e a s o n a b l e s c o p e i n f l u e n c e d by s tre ng th ， whi c h n o t o n l y i mp r o v e d the f r e e z ep r o o f d u r a b i l i t y o f c o n c r e m b u t als o p r e v e n t e d the s u b s t a n tia l l o s s e s o f s t r e n g t h． K e y wo r d sc o n c r e ； l o wt e mp e r a tur e c u n n g ； a i r c o n t e n t ； p o r e s t r u c t u r e ； f r e e z ep r o o f d u r a b i l i ty 0 引 言 在寒冷地 区， 混凝 土破坏的主要原 因是抗冻融耐久性 不足。 我 国地域 辽阔， 有相当一部分区域处于严寒地带 ， 不 少桥梁 、 水工建筑物出现 了冻融破坏 现象 。 寒冷地 区的水 工 、 港工 、 道路和桥梁 等工程 中的混凝 土结构物或构 筑物 在冻融循环作用下 的冻融破坏是这 些结构物等运行 过程 中的主要病害 J 。 美 国学者 T ． C ． P o w e r s 提出静水 压理论 和渗透压理论 J ， 为混凝土抗 冻机理 奠定 了理 论基础 ； 已有研究表明 。 ， 含气量是影 响混凝土抗冻性 的重要 因 素 ， 孔间距系数越小 ， 混凝土抗冻耐久性越好 ； 赵芸平 通 过对冬季混凝土试件强度 的系统试验研究 ， 得 出冬季混凝 土强度随成熟度 的增长规律 ； 巴恒静 通 过早期冻胀应力 的设备 ， 测量 出了混凝 土早期 受冻 后产 生冻胀 应力 的规 律 ； 杨钱荣 、 李家正 等研究了引气剂对混凝土气泡参 数 的影响及混凝土抗冻性 能影响。 大量 实践证 明， 混凝 土 中掺入弓 I 气剂 ， 可提高混凝土 的抗冻 耐久性 。 但对于每一 种} 昆 凝 土 拌 合 物 都 有 一 个 可 防止 其 受 冻 的 最 小 含 气 量 ， 但是引气量如果过多则容易导致气泡尺寸偏大 ， 影 响混凝 土的强度 、 抗冻性 ， 进而又会影 响到混凝 土的耐久 性。 因此含气量存在一个合理范 围， 既可 以提高混凝 土的 抗冻耐久性 ， 又不会造成强度 的大幅损失。 本研究 以低温 3 0 ． 2 o C养护下引起混凝土为研究对象 ， 测定其孔结构 特征 、 抗压强度及抗冻耐久性 之间的关系 ， 为早期低 温下 混凝土耐久性的改善措施提供 了依据 ， 为下一步研究负温 下混凝土的耐久性奠定 了基础 。 1 试 验 1 ． 1 试验原材料 水泥采用甘肃永登祁连 山水泥有 限公司生产 的 P O 4 2 ． 5 级水泥， 各项性能满足标准要求。 砂子采用庄浪河砂， 中砂 ， 细度模数为 2 ． 6 8 ， 含泥量 1 ． 6 ％， 表观密度 2 6 6 0 k g ／ m ， 堆积密度 1 5 5 9 k g ／ m ； 矿物掺合料是 由粉煤灰 、 矿粉按1 1 比例配合而成 。 粉煤灰采用 兰州热电厂 的 I 级粉煤灰 ， 比 收稿 日期 2 0 1 4 0 9 0 3 基 金 项 目 长江学者和创新团队发展计划资助 I R T 1 1 3 9 ； 国家 自然科学基金 资助项 目 5 1 2 6 8 0 3 2 ； 铁道部科技研究开发计划项 目 2 0 1 0 G 0 1 9一A 4 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表面积为 2 8 6 m。 ／ k g ； 矿粉为安徽朱 家桥水 泥有限公 司生 产的 I I I 级磨细矿粉 ， 比表 面积 为 4 9 2 m ／ k g ， 性能满足要 求 ， 检测依据 为 G B ／ T 1 8 7 3 6 --2 0 0 2 高强高性 能混凝 土用 矿物外加剂 。 所掺化学外加剂 有减水剂和 引气 剂。 减水 剂为江苏博 特新材料有 限公 司生产 的 P C AI 聚羧酸高 1 ． 2混 凝 土 配合 比 经过反复试配 ， 确定 了混凝 土最终 的配合 比， 见表 1 。 其 中 J C系列为基准混凝 土 不掺 引气剂 ； J C 1系列微掺 入 1 ％引气剂混凝土 ； J C 2为掺人 2 ％7 I 气剂混凝 土 ； J C 3为 掺入 3 ％ 7 I 气剂 混凝土 。 新拌混凝 土 的坍 落度达 到 1 4 0 性能减水剂 ， 引气剂 为液体 s J 一 2型引气剂。 1 8 0 n ff n 。 表 1 混凝土配合比 1 ． 3试 验 方 法 1 ． 3 ． 1 含气量测试方法 参照 G B ／ T 5 0 0 8 0 --2 0 0 2 普通混凝土拌合物性能试 验方法 ， 含气量采用 S A N Y O 直读式精密混凝 土含气量 测定仪测定。 1 ． 3 ． 2 强度测试方法 根据 J T G E 3 0 --2 0 0 5 公路工程水泥及水 泥混凝 土试 验规程 中混凝土强度检测方法 I S O 成型试件， 并测定 其相应龄期 的抗压强度 ， 试件尺寸为 1 5 0 m m 1 5 0 m i l l 1 5 0 F i l m， 在大气模拟箱 内养护 ， 龄期分别为 7 、 1 4 、 2 8 d 。 1 ． 3 ． 3 孔结构测试方法 本试验选用气孑 L 分析 A V A 和压汞法 MI P 对孔结 构进行 测试 。 对 于压汞 法 ， 仪 器使 用 由美 国 MI C R O ME R I T I C S I NS T R UME NT CO R P O RAT I ON生产的 A u t o P o r e I V 9 5 0 0 全 自动压汞仪 ， NT L 试件采用净浆成型。 混凝 土试 验时从 其 中取 净浆制成 试件 ， 在 大气模拟箱 内 1 d后拆 模 ， 并分别养护 7 、 1 4 、 2 8 d后 ， 去除样 品表面 ， 制成 体积 略 小于测孔仪的样品管体积的试块 ， 置入广 口瓶 中用无水 乙 醇中止水化 ， 测孔前将试样 在 9 0℃ 的烘箱中烘 4 ～ 5 h ， 冷 却至室温后放人 干燥箱 中备 用 ； 对 于气孔分析 ， 采用 由低 温养护 2 8 d的立方体试块切 割成 的厚度为 1 ～ 2 c m试件 ， 经打磨 、 抛光 、 清洁并喷涂荧光剂 ， 待干燥后放入试 验台测 试。在测试软件 中， 输入混凝土水胶 比、 测试 范围、 阈值等 参数 ， 并用模板标定尺寸后 ， 由硬化混凝 土气 孔结构分析 仪 自动采集数据 。 1 ． 3 ． 4 抗冻性测试方法 制作尺寸为 1 0 0 mm x 1 0 0 mi d X 4 0 0 m m 的棱 柱体试 件 ， 每组 3块 试件 ， 采 用 G B ／ T 5 0 0 8 2 --2 0 0 9快速 冻融 的 试验方法 ， 将 在大气 模 拟箱 内养护 2 4 d的试 件 ， 在水 中 浸泡4 d ， 再放入 混凝 土 自动 冻融循环 机 中心冻 结温度 为 一 1 5 一 1 9℃ ， 融化温度 4 ～ 8℃ 中进行快速冻融 ， 在达 到一定冻融循环次 数后 ， 用 动弹仪测 动 弹模 量或 横 向基 频。 试件每隔 2 5次循环做一次横 向基频测量 ， 并检查其外 部损伤及质量损失 。 以质量损失率不超过 5 ％、 相对动弹性 模量不低于 6 0 ％H ， 混凝土所能承受 的最大冻融循环次数 来表示抗冻等级。 5 0 1 ． 4 试验结果及 分析 1 ． 4 ． 1 不同含气量下混凝土 的抗压强度 表 2为不同含气量低温养护下 混凝 土各龄期 的抗 压 强度 。 表 2混 凝土抗 压强 度 由表 1 、 2可知 ， 在相 同配合 比条件下 ， 引气剂 掺量越 多 ， 混凝 土含气量越高 ， 这说 明控制引气剂掺量 能够改变 混凝土含气量 ； 低温下养护 2 8 d ， 含气量为 3 ． 8 ％的 J C 2比 含气量为 5 ． 6 ％的 J C 3 ， 抗压强度损失 了 5 0 ％以上 ， 这是 由 于在相同配合 比条件下 ， 含气量越高 ， 其 内部 引入 的均匀 球形气泡数量也就越多 ， 这些气泡的存在增大了混凝 土的 孔 隙率 ， 有效 承载力截 面减少 和受力 时孔 隙附近应 力集 中 ， 引起 了混凝土强度的降低 ， 随着气泡数量的增多 ， 混凝 土强度损失越多。 1 ． 4 ． 2 不同含气量下混凝土孔结构结果及分析 1 不同含气量低温养护下混凝土净浆孔结构试验结果 不同含气量低温 养护下混凝土净浆孔结 构试 验结果 见表 3 ， 图 1 、 2 。 由表 3可得 出， 与基 准混凝 土 J C净浆相 比， 在 同一龄期下 ， 含气量越大 ， 混凝 土净浆 总孔体积 、 总 孔 面积 、 孔隙率 、 孔 的比表面积及 骨架密度均增大 ； 在 同一 含气量下 ， 随着龄期 的增长 ， 其总孔 面积、 比表面积增 大， 总孔体积 、 骨架密度减小 ； 由表 2 、 3可得出 ， 随着含气量 的 增大 ， 混凝土净浆孔径减小 ， 说明掺入引气剂 ， 会引入更多 稳定 的4 qL 径气泡 ， 减少大孔径气泡 ， 改善 了} 昆 凝土净浆 的孑 L 径结构 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 3 混凝土净浆孔结构特征参数 窗 专 薹 蠢 图 1 O． 1 2 O9 O 6 03 0 孔 径 ／ n m 混凝 土净 浆累 计压 入汞 量与 孔径 关 系 1 1 0 0 l 0 0 0 0 1 0 0 00 0 0 孔径 ／ n m 图 2混凝 土净 浆孔径 分 布微 分 曲线 2 不 同含气量下混凝 土孔结构试验结果 不同含气量低 温养护下 2 8 d混凝 土孔结 构试 验结果 见 图 3 ～ 6 。 由图 3 、 4可得 出， 掺入 引气剂混凝土 与基准混 凝土相 比， 其孑 L 径 以及 孔间距 系数均减小 ， 含气量从2 ． 2 ％ 增加到 5 ． 6 ％时 ， 孔径从 0 ． 1 4 mm减小至 0 ． 1 1 2 m n l ， 孔 间距 系数从 0 ． 1 8 6 1 T l l n减小 至 0 ． 1 6 8 m m， 表 明引气剂 掺量 越 多 ， 混 凝 土孔径 以及 孔 问距 系数 越小 ； 图 4也 进 一步 验 证了P o w e r s 引入的气泡间距准则 即气 泡间距指数 不应超 过 0 ． 2 5 mm； 由图 5及 表 2可 得 出， 含气 量为 3 ． 8 ％、 5 ． 6 ％ 的 J C 2 、 J C 3 ， 在低 温养 护 2 8 d后 ， 硬 化后 实 际 含气 量 为 1 0 ． 1 3 ％和 1 2 ． 2 2 ％， 说明在引气剂掺量 相同时 ， 硬化后混凝 土含气量 比新拌混凝土含气量大 的多 ， 这主要是 因为在养 护过程中混凝土空隙中的水分蒸发导致 ； 参照吴 中伟对混 凝土的孑 L 级划分⋯来分析混凝土孔结构与其性能 的关系 ， 其中无害孔为孔径小于 2 0 n m 的孔 ， 少 害孔 为孔径在 2 0 ～ 5 0 n m 的孔 ， 有害孔为孔径在 5 0 - 2 0 0 n m 的孔 ， 多害孔为孔 径大于 2 0 0 n m 的孔 ， 由图 6可 得 出， 随着 引气剂 掺量 增 多 ， 混凝土无害孔及少 害孔数量显著增 多 ， 有 害孔和 多害 孔数量明显减少 ， 这说 明引气剂更多的引入 了小于 5 0 n m 的无害孔及少害孔 ， 减少 了大于 5 0 n m 的有害孔及多害孔 即 引气剂引入的主要是均匀分布的、 稳定的小孔径封闭气泡 。 望 赠 籁 1j { 5 里 赠 1 2 1 0 07 O5 J C J C1 J C2 J C3 图3不同含气量混凝土孔径 J C J Cl J C2 J C3 图4不同含气量混凝土孔间距系数 1 5． 0 1 2． 5 1 0． 0 7 5 1 1 Ⅱ 5． 0 2． 5 0 图 5 l OO 8 0 幢 螽 o 4 0 廷2 0 J C J C1 J C2 J C3 不同含气量混凝土硬化后含气量 2 0 n m l ■ l J L J l J Z J0 图 6 不同含气量混凝土孔径分布 3 不 同含气量下混凝土 的抗冻性 不同含气量低温 养护下混凝土冻 融循环试验结 果见 表 4 。 根据 表 4可 以得 出 与基 准混 凝土 相 比， 引起 混凝 土 的抗冻 高耐久性更好 ， 含气量为 2 ． 2 ％的 J C 1 抗 冻耐久 性较含气量为 0 ． 9 ％的 J c抗冻耐久性较好 ， 含气量分别为 3 ． 8 ％、 5 ． 6 ％的 J C 2和 J C 3冻融循环次数明显 强于 J c， 约为 J C冻融循环次数的4 倍 ， 其抗冻耐久性指标也高于 J C ， 含 气量较高 的 J C 2 、 J C 3抗 冻耐 久性 明显增强 。 试验结 果表 明， 含气量越高， 混凝土的抗冻耐久性越好， 其动弹性模量 5 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 及抗冻强度均 比未掺加引气剂 的混凝土明显增强。 这主要 是因为混凝 土孔隙中的水在受冻结冰体积发生膨胀时 ， 会 使未结 冰的水向周围引入的气孔 中迁移而产 生膨胀压力 ， 膨胀压力主要由水分迁移时的流动阻力 包括凝胶体的渗 透性及水通路的长短 决定 ， 在一定范围内， 同一强度等级 混凝土含气量越高 ， 其气泡间距系数越小 ， 内部水分 在受 冻时向周 围气孔 中迁移时的阻力就会越小 ， 引入 的气孔就 凝土含气量越高 ， 抗冻性越好 ， 抗剥蚀能力也越强 ， 尤其是 冻融次数越高时 ， 这种改善效果也越明显 。 由表 2、 4可知 ， 含气量引入过低对抗冻耐久性水平提高作用不明显 ， 而引 入含气量过高 ， 在提高其抗冻耐久性水平的同时也会造成 强度的损失 ， 因此含气量存在一个合 理的范围 ， 既可 以提 高混凝土的抗冻耐久性 ， 又不会造成强度 的大幅损失。 通 过本试验可得 出， 新拌混凝土含气量约为 3 ． 5 ％- 5 ． 5 ％时， 会起到卸压的作用 ， 因此在一定范 围内， 同一强度 等级混 抗冻耐久性指标最好 。 表 4 混凝土冻融试验试件的动弹性模量及质量损失 注 表中E代表混凝土的动弹性模量， M 代表混凝土的质量损失。 2 结 论 1 在 同一龄期下 ， 引气剂掺量越多 ， 低温养护下混凝 土净浆总孔体积、 总孔面积 、 孔隙率 、 孔 的比表面积及骨架 密度增大 ； 在 同一含气 量下 ， 随着龄 期 的增 长 ， 其 总孔面 积、 比表面积增大， 总孑 L 体积、 骨架密度减小。 2 引气剂掺量越多 ， 混凝土含气量越高 ， 抗压强度越 低 ， 混凝土无害孔及少 害孔 数量明显增多 ， 有害孔 和多害 孔数量 明显减少即引气剂引入的主要是均匀分布的 、 稳定 的小孔封闭气泡 。 3 受强度影响， 混凝土 的含气量存在一个合理范围 ， 既可以提高混凝土的抗冻耐久性 ， 又不会造成强度的大幅 损失。 试验结果表明 ， 含气量 约为 3 ． 5 ％～ 5 ． 5 ％时 ， 低温养 护下混凝土抗冻耐久性指标最好 。 参考文献 [ 1 ]吴中伟， 廉惠珍． 高性能混凝土[ M] ． 北京 中国铁道出版社， l 9 9 9． [ 2 ]P O WE R S T C， H E L M UT H R 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