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提高混凝土材料抗凍性措施的研究

文檔作者：張士萍董良峰費正岳文檔來源： 1．南京工程學院建筑工程學院 2．巴斯夫化學建材有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年10月13日
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2011年第10期(總第264期)
Number10in 2011(TotalNo．264)
混 凝 土
Concrete
實用技術
PRACTICAL TECHNOLOGY
doi：10．3969~．issn．1002-3550．201 1．10．038
提高混凝土材料抗凍性措施的研究
張士萍’。董良峰’，費正岳
(1．南京工程學院建筑工程學院，江蘇南京211167；2．巴斯夫化學建材有限公司，上海200001)
摘要： 分別研究了摻纖維和引氣劑兩種措施對抗凍性的影響作用。通過對比空白混凝土、纖維混凝土以及引氣劑混凝土在凍融循環(huán)過
程中的質(zhì)量損失和動彈性模量的變化，發(fā)現(xiàn)纖維和引氣劑均可以有效提高混凝土的抗凍性。纖維通過本身的抗裂性能，抑制混凝土表面的
開裂和剝落，從而提高抗凍性，而引氣劑通過優(yōu)化混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，從而提高抗凍性。
關鍵詞： 纖維；引氣劑；抗凍性
中圖分類號： TU528．572；TU528．042．4 文獻標志碼： A 文章編號： 1002—3550(2011)10—0l14—02
Research on improvement of frost resistance for concrete material
ZHANGShi-ping ，DONGLiang-feng ，F(xiàn)EIZheng-yue
(1．DepartmentofArchitectureCivilEngineering，NanjingInstituteofTechnology，Nanjing211167，Chma
2．BASFConstructionChemicals(Shanghai)Co．，Ltd．，Shanghai200001，China)
Abstract： Influence of fiber an d air entraining agent On frost resistance has been evaluated．It was found that both of fiber and air entraining a—
gent can improve frost resistance of concrete，according to the results about mass loss and the dynamic modulus of concrete samples during the
freeze—thaw cycles．Fiber promoted the frost resistance of concrete samples due to its anti—cracking performance，while air entraining agent im·
proved the frost resistance ofconcrete samples du e to the optimization ofpore structure．
Key w ords： fiber；air entraining agent；frost resistance
0 引言
抗凍性是混凝土耐久性的最重要的指標之一。因此，工程界
對提高混凝土抗凍性非常關心。混凝土的抗凍耐久性引起國內(nèi)
外眾多學者的興趣，不僅因為它是影響混凝土使用壽命號l生能的
一個非常重要的因素，同時也因為混凝土的凍害發(fā)生的范圍極其
廣泛。我國地域遼闊，有相當大的部分處于嚴寒地帶，不少水工
建筑物出現(xiàn)了凍融破壞現(xiàn)象寒冷地區(qū)的水工、港工、道路和橋梁
等工程中的混凝土結(jié)構(gòu)物或構(gòu)筑物在凍融循環(huán)作用下的凍融破
壞是運行過程中的主要病害【I]。隨著我國改革和建設的不斷發(fā)展，
寒冷地區(qū)的經(jīng)濟技術開發(fā)建設項目的日益增多，尤其是我國西北
部地區(qū)，在西部大開發(fā)戰(zhàn)略政策的推動下，大大加快了這些地區(qū)
的建設速度，建筑材料的凍融破壞行為愈來愈受到人們的重視。
抗凍性表示混凝土抵抗凍融循環(huán)作用的能力，是評價寒冷地區(qū)混
凝土及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久l生的重要指標。所以，研究混凝土抗
凍性的改善措施，具有廣泛的現(xiàn)實意義。本章主要研究集料、纖維
以及引氣劑對硬化水泥基材料的抗凍性的影響規(guī)律及機理。
1 試驗原材料與方法
1．1 原材料
配制混凝土所用水泥：P·O 42．5級水泥，江蘇小野田水泥廠
生產(chǎn)，其化學組成見表1；砂：II區(qū)中砂；碎石：玄武巖(5-40mi／1)；
減水劑：江蘇博特新材料有限公司生產(chǎn)的JM．II型(摻量為0．6％
表1 水泥的化學組成 ％
水泥)；聚丙烯纖維：長度15 mm，直徑20～50 Ixm。
1．2 試驗方法
采用GBJ 82__85《普通混凝土長期性能和耐久l生能試驗方法》
抗凍性能試驗(快凍法)?；炷猎嚇优浜媳纫姳?，其中P04表
示W(wǎng)／C=0．4普通混凝土，P14表示W(wǎng)／C=0．4摻引氣劑混凝土，
P24表示W(wǎng)／C=0．4摻聚丙烯纖維混凝土，P045表示W(wǎng)／C=0．45
普通混凝土，P145表示W(wǎng)／C=0．45摻引氣劑混凝土，P245表示
W／C=0．45摻聚丙烯纖維混凝土。成型前將試模擦凈，緊密裝配，內(nèi)
壁均勻涂一薄層機油，然后將制得的試件編號，放人養(yǎng)護箱養(yǎng)護。
試件成型室溫度(20±2)℃，相對濕度大于50％，試件養(yǎng)護箱溫度
保持在(20~1)℃ ，相對濕度大于90％。試件成型后經(jīng)標準養(yǎng)護
(24±2)h，脫模，然后將試件標準養(yǎng)護24d，水中浸泡4d進行陜凍。
混凝土棱柱體試件每25次循環(huán)進行一次陛能測試，包括動彈性模
量和質(zhì)量測定。動彈l生模量采用彈性模量測定儀測量。從凍融機中
取出試件稱其質(zhì)量的時候，先用濕布擦拭表面后采用感量為0．2 g
的電子天平稱重，試件凍融后的質(zhì)量損失率按式(1)計算：
，’ ，1
Wr=t-o-'．．,xlO0％ (1)
Go
式中： ——經(jīng)過次凍融循環(huán)后試件的質(zhì)量損失率，％；
收稿日期：2011-o4—17
基金項目：南京工程學院引進人才科研啟動基金(YKJ201013)；高性能土木工程材料國家重點實驗室開放基金課題(2010CEM019)
· l14·
表2 混凝土試件配合比
編號 ， ¨ ¨
k ¨ ¨
G。——凍融前試件的質(zhì)量，g； ．
G ——經(jīng)過次凍融循環(huán)后試件的質(zhì)量，g。
2 試驗結(jié)果與討論
2．1 纖維的作用
吳中偉認為，復合化是水泥基材料高性能化的主要途徑，
纖維增強則是核心2j。通過在混凝土中摻人纖維可以提高混凝
土的抗拉強度、改善混凝土的脆性和抗裂性能等。目前關于纖維
增強混凝土材料的力學性能、抗裂性能方面的研究較多，而對
混凝土凍融破壞的抑制機理研究相對較少。為進一步分析纖維
對混凝土凍融破壞的抑制機理，分別研究了凍融過程中混凝土
試樣的質(zhì)量損失以及動彈性模量的變化。
圖1給出了聚丙烯纖維混凝土在凍融循環(huán)過程中的質(zhì)量
損失。如圖1所示，無論是W／C=0．4還是W／C=0．45，隨著循環(huán)
次數(shù)的增加，聚丙烯纖維混凝土和普通混凝土的質(zhì)量損失率均
增加，但是聚丙烯纖維}昆凝土質(zhì)量損失率明顯小于普通混凝土
的質(zhì)量損失。兩種水灰比普通混凝土分別在175次和150次凍
融循環(huán)時，質(zhì)量損失就已經(jīng)超過5％，而兩種水灰比聚丙烯纖維
混凝土質(zhì)量損失分別為1．27％以及1．56％，兩種水灰比的聚丙
烯纖維混凝土直到275次質(zhì)量損失率僅為2．50％和2．97％，均
未達到標準規(guī)定的極限值5％。聚丙烯纖維混凝土在凍融循環(huán)
過程中相對動彈性模量見圖2。從圖2可以看出，聚丙烯纖維混
凝土的動彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈減小的趨勢。
w／c=0．4聚丙烯纖維混凝土在200次循環(huán)時，相對動彈性模量
只有61％，接近60％的破壞標準，之后由于表面剝落嚴重，不能
精確地檢測動彈性模量。W／C=0．45聚丙烯纖維混凝土在200次
循環(huán)時，相對動彈性模量只有55％，達到60％的破壞標準。圖3
芝
敏
凍融循環(huán)次數(shù) 凍融循環(huán)次數(shù)
(a)W／C=0 40 (b)W／C=0．45
圖1 纖維混凝±試樣在凍融循環(huán)過程中的質(zhì)量損失
凍融循環(huán)次數(shù) 凍融循環(huán)次數(shù)
(a)W／C=0．40 (b)W／C=0．45
圖2 混凝士試件凍融循環(huán)過程中的動彈性模量的變化
圖3 纖維混凝土試件循環(huán)過程中的外觀
給出了W／C=0．4纖維混凝土試件分別在175次循環(huán)的外觀。從
圖3可以看出，175次循環(huán)時，表面幾乎沒有出現(xiàn)明顯的開裂或
剝落。纖維具有抗裂性能這點是被廣大學者一致認同的，所以纖
維很可能是通過改善混凝土的抗裂性能，抑制混凝土表面的開
裂和剝落來提高抗凍性。
2．2 引氣劑的作用
凍融循環(huán)過程中混凝土的質(zhì)量損失如圖4所示，無論W／C=
0．4還是W／C=0．45，引氣混凝土的質(zhì)量損失明顯小于普通混凝
土的質(zhì)量損失。對于W／C=0．4普通混凝土，在175次凍融循環(huán)時，
質(zhì)量損失達到9．19％，超過標準(GBJ 82—1985)規(guī)定的極限值
5％，}昆凝土完全破壞，而引氣混凝土質(zhì)量損失率僅為1．02％左
右。對于W／C=0．45普通混凝土，在150次凍融循環(huán)時，質(zhì)量損
失達到10．30％，試件完全破壞，而引氣混凝土此時的質(zhì)量損失
率僅為0．60％左右。在300次凍融循環(huán)的時候，W／C=0．4引氣混
凝土和W／C=0．45引氣混凝土質(zhì)量損失分別為1．55％、1．89％，
遠遠低于5％的極限值，為高抗凍混凝土。試驗過程中發(fā)現(xiàn)，開始
凍融循環(huán)期間出現(xiàn)質(zhì)量不損失反而增加的現(xiàn)象，可能是由于破
壞前試件內(nèi)部可能存在微裂紋，這些微裂紋吸水飽和引起質(zhì)量
增加所致，這種情況之前學者也有發(fā)現(xiàn) 。
L 羹
凍融循環(huán)次數(shù) 凍融循環(huán)次數(shù)
(a)W／C=0．40 (b)W／C=0．45
圖4 混凝土試件在凍融循環(huán)過程中的質(zhì)置損失
混凝土動彈性模量損失與凍融循環(huán)次數(shù)的關系見圖5。試
驗結(jié)果表明：隨著凍融次數(shù)的增加，普通混凝土與引氣混凝土
的動彈性模量損失率均增加，且普通混凝土試樣動彈性模量損
失率增加的比較快。對于W／C=0．4普通混凝土試樣，在150次循
環(huán)的時候相對動彈性模量達到65．0％，接近于60％極限值，而此
時摻引氣劑混凝土試樣相對動彈性模量為90．0％，在300次循環(huán)
時引氣劑}昆凝土相對動彈性模量只有74％。對于W／C=0．45混
凝土試樣，普通混凝土在150次循環(huán)的時候相對動彈性模量達
到61．0％o，接近于60％極限值，已經(jīng)破壞，而此時摻引氣劑混凝
土試樣相對動彈性模量僅為88．0％，在300次循環(huán)時引氣劑混凝
土相對動彈性模量則達到70．0％。質(zhì)量損失主要是由于試樣表
面剝落所致，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土試件表面呈層
· 下轉(zhuǎn)第118頁
· l15·
(2)注漿設計壓力是指注漿孔孑L口壓力，而不是泵的工作
壓力。
(3)要注意保證注漿泵能正常工作，注漿管路暢通，壓力顯
示系統(tǒng)正確無誤。
(4)正常情況下漿液要從管片的對稱位置注入，防止產(chǎn)生
偏壓使管片發(fā)生錯臺或損壞。
(5)注漿過程中要密切關注管片的變形情況，若發(fā)現(xiàn)管片
有破損、錯臺、上浮等現(xiàn)象應立即停止注漿。
(6)注漿過程中，若在不提高注漿壓力而注漿量很大，或注
漿量突然增加時應檢查是否發(fā)生了漏漿或注入掌子面，若發(fā)生
前述現(xiàn)象應停止注漿，妥善處理后再繼續(xù)注入。
(7)注漿過程中若發(fā)生管路堵塞，應立即處理以防止管中
漿液凝結(jié)。
(8)作業(yè)完畢后，攪拌機、運輸機、泵、注漿管路一定要及時
清理干凈，每一個工作班清理一次。
(9)在需要長時間停機時，必須拆除注漿管路，將注漿管路
清洗干凈；砂漿注漿罐內(nèi)若有余料，用注漿機將砂漿輸入運輸
車，在豎井內(nèi)用門吊轉(zhuǎn)運至另一條洞內(nèi)使用。
2．13 注漿質(zhì)量控制措施
(I)注漿要是按特殊控制程序進行控制：人員需培訓上崗；
所用設備、計量器具等需經(jīng)過鑒定；施工過程施行連續(xù)監(jiān)控，并
形成記錄。
(2)注漿前進行詳細的漿材配合比試驗，選定合適的注漿
· 上接第115頁
10O
囊9 0。
咖I 7O
60
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皤
口刪
融
凍融循環(huán)次數(shù) 凍融循環(huán)次數(shù)
(a)W／C=0．40 (b)W／C=O．45
圖5 混凝土試件凍融循環(huán)過程中的動彈性模量的變化
圖6 引氣混凝土試件在300次循環(huán)時的外觀
狀剝落，剝落較多時，粗骨料外露，最嚴重的情況可以使整個試件
解體。300次凍融循環(huán)的時候，引氣混凝土表面砂漿開始剝落，骨
料外露，但整體結(jié)構(gòu)依然較密實，沒有出現(xiàn)疏松現(xiàn)象，見圖6。引氣
劑則通過細化混凝土內(nèi)部孔隙，改善孔結(jié)構(gòu)，從而提高抗凍性l5】。
從以上試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，未摻引氣劑的普通混凝土在凍
融循環(huán)過程中，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到比較大的
影響，產(chǎn)生了比較嚴重的損傷，而摻引氣劑混凝土動彈性模量
損失相對普通混凝土來說不是很明顯，內(nèi)部損傷沒有普通混凝
· 11 8·
材料及漿液配合比，保證所選漿材配合比、強度、耐久性等物理
力學指標符合設計要求。
(3)注漿過程中嚴格做到“不注漿、不掘進”。
(4)制訂詳細的注漿施工設計和工藝流程及注漿質(zhì)量控制程
序，嚴格按要求實施注漿、檢查、記錄、分析，及時做出P(注漿壓
力)一p(注漿量) (時間)曲線，分析注漿效果，反饋指導下次注漿。
(5)根據(jù)洞內(nèi)管片襯砌變形和地面及周圍建筑物變形檢測
結(jié)果，進行信息反饋，修正注漿參數(shù)設計，發(fā)現(xiàn)問題及時解決。
(6)做好注漿設備的維修保養(yǎng)，注漿材料供應，保證注漿作
業(yè)順利連續(xù)不中斷進行。
3 結(jié)束語
同步注漿材料受地質(zhì)條件、地下水狀況、施工技術等多方
面因素的影響，在滿足設計的前提下，有針對性的進行配合比
設計，并根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行調(diào)整，這樣所配制的漿液，不但
各項指標能滿足施工要求，而且有良好的經(jīng)濟性，有利于降低
施工成本。同步注漿的好壞直接關系到盾構(gòu)隧洞的穩(wěn)定性和地
表環(huán)境的安全性，相信同步注漿技術也將日臻完善。
作者簡介
聯(lián)系地址
聯(lián)系電話
王曉霞(1972一)，女。
太原市小店區(qū)平陽路西一巷7號中鐵十七局集團工程檢
測中1~(030012)
l3934501219
土嚴重。
3 結(jié)論
纖維通過改善混凝土的抗裂性能，抑制混凝土表面的開裂
和剝落來提高抗凍性；引氣劑則通過細化混凝土內(nèi)部孔隙，改善
孑L結(jié)構(gòu)，從而提高抗凍性。總體來說，纖維與引氣劑的摻入均有
利于提高混凝土試件的抗凍性，且引氣劑對混凝土抗凍性的改
善效果要稍微優(yōu)于纖維。本文只研究了聚丙烯纖維，對于其他種
類的纖維是否也是這種結(jié)果還需要開展進一步的研究工作。
參考文獻：
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工大學學報，2008，30(6)：56—59．
作者簡介
聯(lián)系地址
聯(lián)系電話
張士萍(1982一)，女，博士，主要研究方向為水泥混凝土材
料的耐久性。
江蘇省南京市江寧科學園弘景大道1號南京工程學院建
筑工程學院(21 1 167)
13770604152

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