不同抗凍設(shè)計(jì)等級(jí)水工混凝土的抗凍性能
水工混凝土的凍融破壞主要是由一定凍結(jié)溫度下結(jié)冰的水和過冷的水引起，下面是小編搜集的一篇探究不同抗凍設(shè)計(jì)等級(jí)水工混凝土抗凍性能的論文范文，歡迎閱讀借鑒。
前言
我國現(xiàn)已建成各類水庫98000多座，總庫容近9300多億m3[1]，分布在不同氣候區(qū)域，每年經(jīng)受的凍融循環(huán)次數(shù)不盡相同�！稓夂蜃兓瘒以u(píng)估報(bào)告》預(yù)估我國在21世紀(jì)20年代、50年代和80年代平均氣溫分別升高約1。2℃、2。2℃和3。2℃[2]，氣溫變化將對(duì)我國水工混凝土結(jié)構(gòu)物的受凍融作用區(qū)域劃分產(chǎn)生重要影響，大體上導(dǎo)致南北分界線北移，現(xiàn)有分界線處以及北方地區(qū)的年平均凍融循環(huán)次數(shù)有可能顯著增加，從而加速這部分地區(qū)水工混凝土結(jié)構(gòu)物的凍融破壞。另外，氣候變暖導(dǎo)致極端氣候出現(xiàn)的頻次增加，極端低溫甚至是突破歷史極值的低溫使我國北方地區(qū)已考慮抗凍設(shè)計(jì)的水工混凝土的抗凍耐久性面臨新的挑戰(zhàn)。
目前，我國水工混凝土的抗凍融試驗(yàn)一般是在—17℃±2℃的降溫終了低溫，以及8℃±2℃的升溫終了溫度下進(jìn)行，以此對(duì)水工混凝土的抗凍性能進(jìn)行評(píng)估。水工混凝土抗凍等級(jí)的設(shè)計(jì)原則為：在最冷月評(píng)價(jià)溫度低于—10℃的嚴(yán)寒區(qū)一般設(shè)計(jì)F300，而在最冷月評(píng)價(jià)溫度大于—3℃的溫和區(qū)設(shè)計(jì)F50或F100。國內(nèi)外開展的水工混凝土抗凍耐久性方面的研究比較多，取得了一些重要的研究成果[3—9]。
根據(jù)調(diào)研，我國南方地區(qū)最冷月（1月）極端低溫氣溫平均值為—8。4℃，東北、西北、華北地區(qū)最冷月（1月）極端低溫氣溫平均值為—32。7℃[10]。針對(duì)現(xiàn)行抗凍耐久性設(shè)計(jì)原則、抗凍試驗(yàn)方法以及我國南方和北方地區(qū)的最冷月氣溫現(xiàn)狀，本文采用F50、F100、F300等3種抗凍等級(jí)的水工混凝土，在—5℃、—10℃、—17℃、—30℃、—40℃等5種降溫終了混凝土試件中心溫度下進(jìn)行凍融試驗(yàn)，研究不同凍融溫度條件下不同抗凍設(shè)計(jì)等級(jí)水工混凝土的抗凍性能。
1原材料、配合比與試驗(yàn)方法
1。1原材料
水泥采用P·O42。5普通硅酸鹽水泥，Ⅰ級(jí)粉煤灰。細(xì)骨料為天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2。71。粗骨料為灰?guī)r人工碎石，粒徑范圍為5~40mm。外加劑為萘系高效減水劑和Air—202引氣劑。經(jīng)檢測(cè)，水泥、粉煤灰、外加劑的品質(zhì)和參數(shù)均符合相應(yīng)現(xiàn)行規(guī)程規(guī)范的技術(shù)要求，可用于試驗(yàn)研究。
1。2配合比
根據(jù)氣候嚴(yán)寒區(qū)、溫和區(qū)分別要求的水工混凝土抗凍等級(jí)情況，通過優(yōu)化配合比以及控制體積含氣量，設(shè)計(jì)了F50、F100、F300等3種抗凍等級(jí)的水工混凝土。經(jīng)測(cè)試，F(xiàn)50、F100、F300水工混凝土實(shí)際含氣量分別為2。8%、3。7%、5。8%，配合比見表1。
1。3試驗(yàn)方法
采用自行研制的GDJS—800氣候模擬系統(tǒng)進(jìn)行水工混凝土凍融試驗(yàn)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)混凝土試件中心溫度—70~150℃的變化范圍，實(shí)時(shí)控制精度為0。1℃，溫度波動(dòng)度為±0。5℃，可通過程序設(shè)定改變溫降速率與溫度恒定時(shí)間等試驗(yàn)參數(shù)。水工混凝土抗凍試件的成型、制作與養(yǎng)護(hù)按照SL352—2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行。
凍融試驗(yàn)降溫終了試件中心低溫分別設(shè)為—5℃、—10℃、—17℃、—30℃、—40℃，降溫歷時(shí)均為2h，升溫終了試件中心溫度統(tǒng)一設(shè)為8℃，升溫歷時(shí)均為1h。經(jīng)過若干個(gè)凍融循環(huán)后，采用動(dòng)彈性模量測(cè)定儀（頻率100~10000kHz）、電子天秤（稱量10kg，感量5g）分別測(cè)試混凝土的動(dòng)彈性模量和質(zhì)量，進(jìn)而對(duì)抗凍耐久性進(jìn)行評(píng)估。
2試驗(yàn)結(jié)果與討論
2。1水工混凝土的凍融質(zhì)量損失
F50、F100、F300等3種抗凍設(shè)計(jì)等級(jí)的水工混凝土在—5℃、—10℃、—17℃、—30℃、—40℃等5種降溫終了試件中心溫度下，經(jīng)受若干凍融循環(huán)次數(shù)后的質(zhì)量損失率如圖1所示。從圖1可以看出，隨著凍融試驗(yàn)降溫終了水工混凝土試件中心溫度的降低，水工混凝土的質(zhì)量損失率逐漸增大。200次凍融循環(huán)后，降溫終了試件中心溫度從—5℃降到—40℃，中低抗凍設(shè)計(jì)等級(jí)的F50、F100水工混凝土的質(zhì)量損失率分別從2。6%增大到12。4%，以及從2。2%增大到9。2%。對(duì)于高抗凍設(shè)計(jì)等級(jí)的F300水工混凝土而言，350次凍融循環(huán)后，降溫終了試件中心溫度從—5℃降到—40℃，其質(zhì)量損失率從0。6%增大到7。5%。
2。2水工混凝土的動(dòng)彈性模量變化
3種抗凍設(shè)計(jì)等級(jí)的水工混凝土在測(cè)試完凍融質(zhì)量損失后，分別進(jìn)行動(dòng)彈性模量測(cè)試，根據(jù)動(dòng)彈性模量變化，并結(jié)合凍融質(zhì)量損失情況，可對(duì)不同抗凍設(shè)計(jì)等級(jí)的水工混凝土在不同降溫終了試件中心溫度條件下的凍融耐久性進(jìn)行評(píng)估。不同凍融循環(huán)次數(shù)下水工混凝土的動(dòng)彈性模量試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。
從圖2可以看出，F(xiàn)50抗凍設(shè)計(jì)等級(jí)的水工混凝土試件在—30℃降溫終了試件中心溫度條件下經(jīng)過150次凍融循環(huán)后動(dòng)彈性模量?jī)H為初始值的31%，凍融循環(huán)次數(shù)繼續(xù)增加試件被凍斷;當(dāng)降溫終了試件中心溫度降低至—40℃時(shí)，經(jīng)過100次凍融循環(huán)后動(dòng)彈性模量為初始值的30%，凍融循環(huán)次數(shù)繼續(xù)增加試件被凍斷。F100抗凍設(shè)計(jì)等級(jí)的水工混凝土在降溫終了試件中心溫度達(dá)到—40℃時(shí)，經(jīng)過150次凍融循環(huán)后動(dòng)彈性模量為初始值的30%，繼續(xù)凍融試驗(yàn)試件被凍斷。在降溫終了試件中心溫度從—5℃降低到—40℃的過程中，經(jīng)過350次凍融循環(huán)后，F(xiàn)300抗凍設(shè)計(jì)等級(jí)的水工混凝土的動(dòng)彈性模量從初始值的81%下降至39%，表明即使是F300高抗凍設(shè)計(jì)等級(jí)的水工混凝土，隨著凍融降溫終了試件中心溫度的降低，其抗凍性能也下降較快。
2。3水工混凝土能經(jīng)受的最大凍融循環(huán)次數(shù)
按照現(xiàn)行SL352—2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中水工混凝土質(zhì)量損失5%、動(dòng)彈性模量下降至初始值的60%的抗凍性能評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，圖3給出了F50、F100、F300抗凍設(shè)計(jì)等級(jí)的水工混凝土在—5℃、—10℃、—17℃、—30℃、—40℃等5個(gè)凍融試驗(yàn)降溫終了試件中心溫度條件下能經(jīng)受的最大凍融循環(huán)次數(shù)。
根據(jù)圖3中的試驗(yàn)結(jié)果，低、中、高3種抗凍設(shè)計(jì)等級(jí)的水工混凝土在不同凍融降溫終了低溫條件下能經(jīng)受的最大凍融循環(huán)次數(shù)的演變規(guī)律是一樣的，均是隨著降溫終了試件中心溫度的降低而減少。
按照—17℃降溫終了試件中心溫度條件凍融確定的F50抗凍設(shè)計(jì)等級(jí)水工混凝土，在—10℃或—5℃低溫條件下能經(jīng)歷最大凍融循環(huán)次數(shù)在100次以上，而目前處于氣候溫和區(qū)的水利工程很少能經(jīng)歷—17℃低溫條件。而對(duì)于嚴(yán)寒地區(qū)的水利工程而言，即使是依據(jù)—17℃降溫終了試件中心溫度條件凍融確定的`F300抗凍設(shè)計(jì)等級(jí)水工混凝土，當(dāng)溫度繼續(xù)降低至—30℃甚至—40℃時(shí)，其能經(jīng)受的最大凍融循環(huán)次數(shù)在200次以下，而目前該氣候區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)—30℃~—40℃的低溫條件是完全有可能的。
2。4機(jī)理分析
水工混凝土的凍融破壞主要是由一定凍結(jié)溫度下結(jié)冰的水和過冷的水引起，結(jié)冰的水產(chǎn)生體積膨脹、過冷的水發(fā)生遷移，這兩種行為均能引起混凝土內(nèi)部孔壓增大，產(chǎn)生破壞。毛細(xì)孔中的含水率超過一定限值時(shí)，凍結(jié)會(huì)產(chǎn)生很大的壓力，該壓力值除了與毛細(xì)孔中的含水率有關(guān)外，還與凍結(jié)速度有關(guān)，5個(gè)凍融降溫終了混凝土試件中心溫度（—5℃、—10℃、—17℃、—30℃、—40℃）對(duì)應(yīng)的降溫速率分別為6。5℃/h、9℃/h、12。5℃/h、19℃/h和24℃/h，與之相對(duì)應(yīng)的是水工混凝土抗凍耐久性呈現(xiàn)降溫速率和劣化程度增大的規(guī)律。
另外，在現(xiàn)行—17℃降溫終了混凝土試件中心溫度的標(biāo)準(zhǔn)凍融試驗(yàn)方法中，毛細(xì)孔中的水會(huì)結(jié)冰，凝膠孔水一般處于過冷狀態(tài)，過冷水的蒸氣壓比相同溫度下冰的蒸氣壓要高，由此導(dǎo)致凝膠孔水向毛細(xì)孔中冰的界面滲透的現(xiàn)象，直至達(dá)到平衡狀態(tài)。
滲透過程中產(chǎn)生的滲透壓力對(duì)水工混凝土的抗凍耐久性也會(huì)產(chǎn)生影響。在降低降溫終了混凝土試件中心溫度至—30℃甚至—40℃時(shí)，凝膠孔中處于過冷狀態(tài)的水量可能會(huì)比中心溫度為—17℃時(shí)增加，進(jìn)而更多的過冷水發(fā)生滲透遷移現(xiàn)象，大量過冷水的滲透遷移進(jìn)一步導(dǎo)致滲透壓力的增大，這也是降低凍融過程中水工混凝土試件中心溫度后，水工混凝土抗凍耐久性下降的主要原因之一。
3結(jié)論
a。隨著凍融過程中降溫終了試件中心溫度的降低，F(xiàn)50、F100、F300等3種代表低、中、高不同抗凍設(shè)計(jì)等級(jí)的水工混凝土的質(zhì)量損失、動(dòng)彈性模量損失逐漸增大，水工混凝土能經(jīng)受的最大凍融循環(huán)次數(shù)逐漸減少。
b。按照現(xiàn)行—17℃降溫終了低溫條件凍融方法確定的F50抗凍設(shè)計(jì)等級(jí)水工混凝土，在—10℃或—5℃低溫條件下能經(jīng)歷最大凍融循環(huán)次數(shù)在100次以上;依據(jù)—17℃降溫終了低溫條件凍融方法確定的F300抗凍設(shè)計(jì)等級(jí)水工混凝土，當(dāng)溫度繼續(xù)降低至—30℃甚至—40℃時(shí)，其能經(jīng)受的最大凍融循環(huán)次數(shù)在200次以下。
c。凍融低溫本身對(duì)水工混凝土的抗凍耐久性會(huì)產(chǎn)生影響，主要表現(xiàn)為采用更低的混凝土試件中心溫度后，混凝土凝膠孔中處于過冷狀態(tài)的水量增多，過冷水遷移產(chǎn)生較大滲透壓力，是水工混凝土產(chǎn)生凍融破壞的主要原因之一;另外，凍融過程中的低溫溫降速率對(duì)水工混凝土的抗凍性能也存在一定影響，隨著溫降速率的增大，水工混凝土的劣化程度增大。
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