一种生态型多孔混凝土抗冻性试验方法

摘要

生态型多孔混凝土抗冻性试验方法采用多孔混凝土快速冻融法对多孔混凝土的抗冻性能进行评价，一般100次左右的冻融循环试件破坏，若采用“快冻法”仅数个循环试件破坏，采用“慢冻法”数百次循环试件仍无破坏。相比“快冻法”和“慢冻法”，多孔混凝土快速冻融法能够准确有效地评价多孔混凝土的抗冻性能，多孔混凝土快速冻融法试验的特点在于冻结过程中多孔混凝土空隙内大体积水结冰压力可以向未冻结水中释放，模拟了自然环境中多孔混凝土的冻融过程。

说明书

技术领域

本发明是一种多孔混凝土抗冻性的试验方法，属于土木工程材料性能测试的技术领域。

背景技术

常规河堤护岸工程中采用的混凝土、砖石等硬质化结构，阻碍了河岸带生物栖息地功能的发挥，使河流生态系统结构的整体性受到影响。生态型多孔混凝土内部存在许多连续的空隙，具有良好的透水、透气特性，可以大大改善周围环境。此外，生态型多孔混凝土具有一定的力学性能，在日本、欧美等国，被广泛用于河堤护岸工程。

多孔混凝土应用于河堤护岸时会遭受到冻融循环的破坏作用。与普通混凝土相比，其冻融过程的主要特征是：(1).受空隙中大体积水的结冰压力作用；(2).冻融破坏在内部与表面同时发生。其冻融破坏是空隙中大体积水的结冰压力与起黏结作用的水泥浆体冻融破坏两种破坏因素共同作用的结果。不同冻融环境下，大体积水的结冰压力相差很大。目前，通常采用国家标准GBJ82-85《普通混凝土长期性能和耐久性能》中的“快冻法”和“慢冻法”对多孔混凝土抗冻性能进行评价。“快冻法”试验中，多孔混凝土试件空隙中的大体积水冻结过程中试件周围的水先冻结，形成封闭的冰层，使中间未冻结水的结冰压力无法向外释放，如图1a所示，造成结冰压力偏高；“慢冻法”其冻融特点是“气冻水融”，即在空气中冻结，水中融解，其冻结过程中没有空隙中大体积水的参与，亦不适合评价多孔混凝土的抗冻性能。实际冻融环境中，多孔混凝土的冻结过程从与大气接触的水面开始，向水下进行，空隙中的大体积水结冰压力可以向尚未冻结的水下释放，如图1b所示。因此，设计一种新的冻融实验方法——多孔混凝土快速冻融法及相应的配套技术以便对多孔混凝土在自然环境中的抗冻性能进行评价。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种生态型多孔混凝土抗冻性试验方法，该方法可科学、合理评价生态型多孔混凝土的抗冻性能。

技术方案：多孔混凝土快速冻融法试验的特点在于冻结过程中多孔混凝土空隙内大体积水结冰压力可以向未冻结水中释放，模拟了自然环境中多孔混凝土的冻融过程。

该方法的具体步骤为：

1).试件在28天龄期时开始冻融试验，冻融试验前1天应把试件从养护地点取出，进行外观检查，并自然风干；

2).试件自然风干至恒重，记下此时重量初始值，并按超声波测试法测定试件的初始表面波传播时间；

3).将试件放入试件容器内，为了使试块受温均衡，在试件容器底部铺设3～5mm厚的线状橡胶，在整个试验过程中，容器内水位高度应始终高出试块4cm以上；

4).把装有测温试件的试件容器放在冻融箱的中心位置，并保证试件容器底面距冻融液液面0.5～1.0cm，此时即可开始冻融循环；

5).试件一般应每隔5次循环作一次超声波测量，测定其表面波传播时间，测量前应将试件表面浮渣清洗干净，并自然风干至恒重，检查其浆体剥落情况及重量损失，测完后将试件重新放入试件容器内；

6).为保证试块在冷液中冻结时温度稳定均衡，当有一部分试件停冻取出时，应另用试件填充其空位；冻融到达以下3种情况之一即可停止试验：

a.已达到150次循环；

b.相对动弹性模量下降到60％以下；

c.重量损失率达5％。

所述的冻融循环过程应符合下列要求：

a.每次冻融循环应在2～4小时内完成，其中用于融化的时间不得小于整个冻融时间的1/4；

b.在冻结和融化终了时，试件中心温度应分别控制在—13±2℃和8±2℃；

c.冻融循环过程中，冻融液的温度控制在-25～+20℃范围内；

d.每块试件从6℃降至—15℃所用的时间不得少于冻结时间的1/2，每块试块从—15℃升至6℃所用的时间也不得少于整个融化时间的1/2；

e.冻和融之间的转换时间不宜超过10分钟。

所述试件采用40×40×160mm的棱柱体试件，多孔混凝土试件每组6块，在试验过程中可连续使用。

多孔混凝土快速冻融法试验的基本原理如下：冻融实验机使用TDR—I型快速冻融实验机，冻融槽中充满冻融液乙二醇，依靠冻融液的温度变化进行冻融循环。冻融液液面放置不锈钢容器，容器底面位于液面下0.5-1.0cm，依靠网格架支撑，如图2b所示。容器内放置多孔混凝土试件，尺寸为40mm×40mm×160mm。容器内放水，水面没过试件顶部4cm左右。一次冻融循环约3小时，其中冻结时间1.5小时，融解时间1.5小时。每5个冻融循环后取出将试件烘干测量相对动弹模量。

冻融时容器底部水先结冰，结冰过程由容器底部向水面进行，多孔混凝土试件空隙中大体积水的结冰压力向上部未冻结水中释放。冻结过程原理示意图如图2a所示。

有益效果：采用多孔混凝土快速冻融法对多孔混凝土的抗冻性能进行评价，一般100次左右的冻融循环试件破坏，若采用“快冻法”仅数个循环试件破坏，采用“慢冻法”数百次循环试件仍无破坏。相比“快冻法”和“慢冻法”，多孔混凝土快速冻融法能够准确有效地评价多孔混凝土的抗冻性能。

附图说明

图1是本发明“快冻法”的结冰过程与自然环境中的结冰过程两种冻融过程的比较示意图。其中图1a是“快冻法”的结冰过程，图1b自然环境中的结冰过程。

图2是多孔混凝土快速冻融法实验原理示意图。其中图2a是多孔混凝土快速冻融法的冻结过程示意图，图2b是多孔混凝土快速冻融法实验装置示意图。

具体实施方式

1.适用范围

本方法适用于测试粗骨料最大粒径在20mm以下的生态型多孔混凝土抗冻性。

2.规范性应用文件

下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单(不包括勘误的内容)或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。

GB/T 14685-2001建筑用卵石、碎石

JGJ 53-92普通混凝土用碎石或卵石质量标准及检测方法

GB 175通用硅酸盐水泥

JGB 82-85普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法

CECS21：2000超声波检测混凝土缺陷技术规程

3.仪器设备

3.1.快速冻融装置：能使试块静置在水中不动，依靠热交换液体的温度变化而连续、自动地按照本试验方法5.5条的要求进行冻融试验的装置。满载运载时，冻融箱内各点温度的极差和不得超过2℃。

3.2.试件容器：由1～2mm厚的不锈钢板制成，尺寸为300×200×100mm的无盖试验容器。

3.3.案秤：称量1kg以上，感量0.1g以下。

3.4.相对动弹性模量测定仪：超声波检测仪。

3.5.热电偶，电位差计：能在20～—20℃范围内测定试件中心温度，测量精度不低于±0.5℃。

4.试件制作

本试验采用40×40×160mm的棱柱体试件。多孔混凝土试件每组6块，在试验过程中可连续使用，除制作冻融试件外，尚应制备同样形状、尺寸，中心埋有热电偶的测温试件。制作测温试件所用多孔混凝土的抗冻性能应高于冻融试件所用多孔混凝土的抗冻性能。

所成型试件在24小时后脱模，并对40×40mm的两侧面进行抹面处理，之后放入养护室内进行标准养护。

5.试验步骤

5.1.如无特殊规定，试件在28d龄期时开始冻融试验。冻融试验前1天应把试件从养护地点取出，进行外观检查，并自然风干(包括测温试件)。

5.2.试块自然风干至恒重，记下此时重量初始值，并按超声波测试法测定试件的初始表面波传播时间。

5.3.将试块放入试件容器内，为了使试块受温均衡，在试件容器底部铺设3～5mm左右厚的线状橡胶。在整个试验过程中，容器内水位高度应始终高出试块4cm以上。

5.4.把试件容器放入冻融箱内(其中装有测温试件的试件容器放在冻融箱的中心位置)，并保证试件容器底面距冻融液液面0.5-1.0cm左右。此时即可开始冻融循环。

5.5.冻融循环过程应符合下列要求：

a.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时间的1/4；

b.在冻结和融化终了时，试件中心温度应分别控制在—13±2℃和8±2℃；

c.冻融循环过程中，冻融液的温度控制在-25～+20℃范围内；

d.每块试件从6℃降至—15℃所用的时间不得少于冻结时间的1/2，每块试块从—15℃升至6℃所用的时间也不得少于整个融化时间的1/2；

e.冻和融之间的转换时间不宜超过10分钟。

5.6.试件一般应每隔5次循环作一次超声波测量，测定其表面波传播时间。测量前应将试件表面浮渣清洗干净，并自然风干至恒重，检查其浆体剥落情况及重量损失。测完后将试件重新放入试件容器内。

5.7.为保证试块在冷液中冻结时温度稳定均衡，当有一部分试件停冻取出时，应另用试件填充其空位。

如冻融循环因故中断，试件应保持在冻结状态下，并最好能将试块保存在原容器内用冰块围住。如无这一可能，则应在潮湿状态下用防水材料包裹，加以密封，并存放在—13±2℃的冷冻室或冰箱内。

试件在融解下状态下的时间不宜超过两个循环。特殊情况下，超过两个循环周期的次数，在整个试验过程中只允许1～2次。

5.8.冻融到达以下3种情况之一即可停止试验：

a.已达到150次循环；

b.相对动弹性模量下降到60％以下；

c.重量损失率达5％。

6.数据处理与结果判定

6.1.多孔混凝土试件的相对动弹性模量可按下式计算：

$P=\frac{V_r^2}{V_{r0}^2}\times 100=\frac{{T_{r0}}^2}{T_r^2}\times 100$

式中P——经N次东融融循环后试件的相对动弹性模量，以6个试件的平均值计算(％)；

V_r————表面波速度(km/s)；

V_r0———初始表面波速度(km/s)；

T_r————表面波传播时间(μs)；

T_r0————为初始表面波的传播时间(μs)；

6.2.多孔混凝土试件冻融后的重量损失率按下式计算：

$\Delta W_n=\frac{G_0-G_n}{G_n}\times 100$

式中ΔW_n——N次冻融循环后的重量损失率，以6个试件的平均值计算(％)；

G₀——冻融循环试验前的试件重量(kg)；

G_n——N次冻融循环后的试件重量(kg)。

6.3.多孔混凝土耐快速冰融循环次数应取满足相对动弹性模量不小于60％和重量损失率不超过5％时的最大循环次数来表示。