混凝土桥梁结构抗冻耐久性后评估共43张课件.ppt

1、 北京工业大学北京工业大学 道路与桥梁工程研究所道路与桥梁工程研究所 北京市交通工程重点实验室北京市交通工程重点实验室 20192019年年4 4月月2020日日张金喜张金喜主要内容4关于混凝土材料耐久性问题关于混凝土材料耐久性问题1235混凝土桥梁结构抗冻性后评估的现状与问题混凝土桥梁结构抗冻性后评估的现状与问题气泡间隔系数与抗冻耐久性指数的关系研究气泡间隔系数与抗冻耐久性指数的关系研究 混凝土结构抗冻性后评估的指导程序与方法混凝土结构抗冻性后评估的指导程序与方法结论及建议结论及建议1关于混凝土材料耐久性问题关于混凝土材料耐久性问题n对于道路而言，桥梁是不可或缺的一部分。n特别是在高速度、大

2、容量的城市快速路和高速公路中，桥梁结构的安全性和耐久性更是道路畅通的关键所在。u 以北京为例，城区立交桥数目已达以北京为例，城区立交桥数目已达到到200余座，已建成的桥梁中，余座，已建成的桥梁中，90%以以上的结构均是混凝土结构。上的结构均是混凝土结构。n众多实例表明，混凝土结构过早破坏的事例已经屡见不鲜，混凝土结构的破坏除强度因素外，混凝土材料耐久性不足是一个主要原因，正面临着严重的“耐久性危机”。混凝土的冻融破坏混凝土的冻融破坏混凝土材料混凝土材料耐久性问题耐久性问题碱碱-骨料反应骨料反应混凝土的碳化混凝土的碳化化学侵蚀化学侵蚀混凝土中钢筋锈蚀混凝土中钢筋锈蚀混凝土的表面磨损混凝土的表面磨

3、损盐冻破坏、冰冻破坏、钢筋锈蚀盐冻破坏、冰冻破坏、钢筋锈蚀是我国混凝土桥梁结构面是我国混凝土桥梁结构面临的最为严重的耐久性问题！临的最为严重的耐久性问题！1关于混凝土材料耐久性问题关于混凝土材料耐久性问题骨料露出骨料露出析白析白1关于混凝土材料耐久性问题关于混凝土材料耐久性问题冻害冻害1关于混凝土材料耐久性问题关于混凝土材料耐久性问题盐害盐害1关于混凝土材料耐久性问题关于混凝土材料耐久性问题碱骨料反应碱骨料反应1关于混凝土材料耐久性问题关于混凝土材料耐久性问题u桥梁混凝土结构自身特点桥梁混凝土结构自身特点n多为薄壁结构，自身断面小；n同时遭受自然环境和行车荷载的双重作用；n冬季经常在桥面上撒除

4、冰盐，盐和冻共同作用，加速了混凝土的冻融破坏。西直门匝道桥（西直门匝道桥（1980年建成）悬臂年建成）悬臂大面积的混凝土片状剥落，骨料外大面积的混凝土片状剥落，骨料外露，是比较明显的冻融破坏现象。露，是比较明显的冻融破坏现象。u盐冻破坏和冰冻破坏是桥梁混凝土结构面临的最重要的耐久性问题之一。1关于混凝土材料耐久性问题关于混凝土材料耐久性问题 在抗冻性方面需要大力开展的工作在抗冻性方面需要大力开展的工作p抗冻耐久性是水泥混凝土最重要的耐久性指抗冻耐久性是水泥混凝土最重要的耐久性指标；我国的基础研究相对薄弱，急需针对我国标；我国的基础研究相对薄弱，急需针对我国的情况开展深入研究；的情况开展深入研究

5、；p对在役混凝土桥梁结构的抗冻性能进行科学对在役混凝土桥梁结构的抗冻性能进行科学的调查、监测和评估，从而的调查、监测和评估，从而“对症下药对症下药”，是，是一项意义重大的基础性工作。一项意义重大的基础性工作。p新建工程中，对抗冻耐久性的快速检测和判新建工程中，对抗冻耐久性的快速检测和判定，保证工程进度和工程质量。定，保证工程进度和工程质量。1关于混凝土材料耐久性问题关于混凝土材料耐久性问题2 混凝土结构抗冻性后评估的现状与问题混凝土冻融破坏流程图混凝土冻融破坏流程图 压力太大！内部有较小的孔隙，水分没有冻结，舒服！2 混凝土结构抗冻性后评估的现状与问题混凝土抗冻性评价方法（直接法和间接法）u直

6、接评价方法：进行冻融试验，以抗冻次数、抗冻标号或抗冻耐久性指数DF值来评价混凝土抗冻性。q快冻法快冻法q美国美国ASTM C666ASTM C666（A A法：水中快冻水中融化；法：水中快冻水中融化；B B法：空气中冻结水中融化）法：空气中冻结水中融化）q我国我国水工混凝土试验规程（水工混凝土试验规程（DLDL5150-20195150-2019）、公路工程水泥及水泥公路工程水泥及水泥混凝土试验规程（混凝土试验规程（JTG E30-2019JTG E30-2019）、普通混凝土长期性能和耐久性能普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法（试验方法（GBJ8285GBJ8285）均列入此方法。均列入此

7、方法。q快冻法适用于以动弹性模量、质量损失率和相对耐久性指数作为指标评定快冻法适用于以动弹性模量、质量损失率和相对耐久性指数作为指标评定混凝土抗冻性的试验混凝土抗冻性的试验 。对耐久性好能经受数百次冻融循环的混凝土，需。对耐久性好能经受数百次冻融循环的混凝土，需要两三个月的试验时间，周期长，能耗大，人力投入大。要两三个月的试验时间，周期长，能耗大，人力投入大。2 混凝土结构抗冻性后评估的现状与问题n快冻试验使用的冻融试验机和动弹性模量测定仪快冻试验使用的冻融试验机和动弹性模量测定仪冻融试验机冻融试验机动弹性模量测定仪动弹性模量测定仪2 混凝土结构抗冻性后评估的现状与问题u直接评价方法：慢冻法慢

8、冻法n前苏联和东欧国家采用慢冻法，我国水工混凝土试验规程（SD 105-82），普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法（GBJ8285）中也列入慢冻法。n慢冻法适用于以抗压强度作为评定指标的混凝土抗冻性试验。以强度损失率不超过25%的冻融循环次数划分混凝土的抗冻标号。n慢冻法的冻结状态模拟实际环境，在空气中冻结。但存在试验周期更长、工作量大、试验误差大等缺点，目前国内各行业规范正逐步取消慢冻法，改用快冻法。2 混凝土结构抗冻性后评估的现状与问题u间接评价方法：通过进行混凝土内部孔隙结构（气泡特征参数）分析，进行间接评定。n美国 ASTM C 457-71气泡特征参数法n我国水工混凝土试验规程中列

9、出了气泡特征参数的人工显微镜测定方法。n气泡特征参数法与“快冻试验”相比具有周期短、能耗低等优点，特别是基于图像识别的硬化混凝土气泡特征参数自动测试技术的出现，使其具有相当广阔的前景。2 混凝土结构抗冻性后评估的现状与问题u硬化混凝土的气泡体系特征参数对混凝土抗冻性有着显著的本质影响，表征硬化混凝土气泡体系特征的参数主要有三个，即含气量、气泡比表面积（或平均气泡直径）和气泡间隔系数，其中气泡间隔系数最为重要，气泡间隔系数值就越小，则混凝土抗冻性能越好。u气泡特征参数是研究混凝土抗冻性的有效途径和方法。2 混凝土结构抗冻性后评估的现状与问题u水工混凝土试验规程中有关于气泡特征参数的测试和计算方法

10、，但主要是采用光学显微镜人工测试，非常繁复、费时、测试误差较大。u受测试手段等因素的局限，国内关于硬化混凝土气泡特征参数方面的研究还很不系统，数据很少，或仅来源于国外文献。u “混凝土结构耐久性设计与施工指南混凝土结构耐久性设计与施工指南”（CCES01-2019）规定：冻融环境下的引气混凝土，）规定：冻融环境下的引气混凝土，其气泡间距系数（平均值）在高度饱水、中度饱水和其气泡间距系数（平均值）在高度饱水、中度饱水和盐冻条件下宜不大于盐冻条件下宜不大于250、300和和200m。u 规范中虽然提出了硬化混凝土气泡间隔系数指标规范中虽然提出了硬化混凝土气泡间隔系数指标要求，但显然还过于简单和笼统

11、，远不能满足混凝土要求，但显然还过于简单和笼统，远不能满足混凝土实体抗冻性后评估工作的实际需要。实体抗冻性后评估工作的实际需要。2 混凝土结构抗冻性后评估的现状与问题n对新竣工的混凝土工程进行抗冻质量验收，以及对在役混凝土建筑对新竣工的混凝土工程进行抗冻质量验收，以及对在役混凝土建筑物抗冻耐久性进行调查、监测，均属于抗冻性后评估的范畴。物抗冻耐久性进行调查、监测，均属于抗冻性后评估的范畴。n新开工混凝土设施可以同时制备抗冻性试样，进行抗冻性实验。但是时间长，实验需要3个月，试验结果出来后混凝土施工已经完成，不能起到质量控制作用。n对于在用混凝土设施，通过取芯采取混凝土抗冻实验的试样进行抗冻性实

12、验，但试验结果缺乏准确性。建设部建设部混凝土结构耐久性设计规范混凝土结构耐久性设计规范（征求意见稿）（征求意见稿）中明确提出中明确提出“从现场的从现场的硬化混凝土可取芯测定气泡间隔系数，但硬化混凝土可取芯测定气泡间隔系数，但不能用于抗冻耐久性指数不能用于抗冻耐久性指数DFDF值的测定值的测定”2 混凝土结构抗冻性后评估的现状与问题气泡特征参数测试手段落后气泡特征参数测试手段落后缺少标准的评估程序和方法缺少标准的评估程序和方法 关于混凝土气泡特征参数与抗关于混凝土气泡特征参数与抗冻耐久性的基础性研究不足冻耐久性的基础性研究不足混凝土实体抗冻性混凝土实体抗冻性后评估在我国的开后评估在我国的开展并不

13、广泛；展并不广泛；在桥梁混凝土结构在桥梁混凝土结构上的应用更是鲜有上的应用更是鲜有所闻。所闻。本文通过试验对有关问题进行了研究和探讨，以期对本文通过试验对有关问题进行了研究和探讨，以期对混凝土实体抗冻性后评估的开展有所裨益。混凝土实体抗冻性后评估的开展有所裨益。冻融法不能用于抗冻性后评估冻融法不能用于抗冻性后评估3 气泡间隔系数与抗冻耐久性指数的关系研究n原材料q水泥：水泥：北水京都北水京都42.542.5级普硅水泥。级普硅水泥。q粗集料：粗集料：5 525mm25mm连续级配碎石，石粉含量连续级配碎石，石粉含量0.4%0.4%，压碎指标，压碎指标5.5%5.5%。q细集料：细集料：细砂，细度

14、模数细砂，细度模数1.01.0，属特细砂；机制砂，细度模数，属特细砂；机制砂，细度模数3.53.5，属属区粗砂。区粗砂。q粉煤灰：粉煤灰：山东德州华能山东德州华能级低钙粉煤灰。级低钙粉煤灰。q减水剂：减水剂：SHP-1SHP-1缓凝型减水剂。缓凝型减水剂。q引气剂：引气剂：选用国内常用的三种品牌引气剂选用国内常用的三种品牌引气剂 A A：皂素类引气剂，非离子型表面活性剂，主要成份三萜皂甙，褐色粉剂；：皂素类引气剂，非离子型表面活性剂，主要成份三萜皂甙，褐色粉剂；B B：松香类引气剂，阴离子表面活性剂，主要成份改性松香酸盐，棕色液体；：松香类引气剂，阴离子表面活性剂，主要成份改性松香酸盐，棕色液

15、体；C C：松香类引气剂，阴离子表面活性剂，主要成份松香热聚物，液体。：松香类引气剂，阴离子表面活性剂，主要成份松香热聚物，液体。3 气泡间隔系数与抗冻耐久性指数的关系研究n引气混凝土配合比水胶比水胶比砂率砂率/%/%材料用量材料用量/（Kg/mKg/m3 3）减水剂减水剂/%/%水水水泥水泥粉煤灰粉煤灰机制砂机制砂细砂细砂碎石碎石0.60461802406034852110211.00.50451752807042242210311.00.40411703408537437410771.0n试验方案与试验方法对水胶比为对水胶比为0.60、0.50和和0.40的的2727组引气混凝土及组引气混

16、凝土及1111组非引气混凝土组非引气混凝土进行了新拌混凝土含气量、抗冻耐久性指数及硬化混凝土气泡特征进行了新拌混凝土含气量、抗冻耐久性指数及硬化混凝土气泡特征参数的测定。试件采取统一成型制度（低频振动台参数的测定。试件采取统一成型制度（低频振动台1520s），设计），设计含气量为含气量为02%（基准，非引气混凝土）（基准，非引气混凝土）、34%、45%、56%四四个等级。个等级。3 气泡间隔系数与抗冻耐久性指数的关系研究n含气量及抗冻性试验混凝土抗冻性试验混凝土抗冻性试验混凝土拌合物含气量试验混凝土拌合物含气量试验按照按照公路工程水泥及水泥混凝土试验规程公路工程水泥及水泥混凝土试验规程(JTG

17、 E30-2019)(JTG E30-2019)的相关规定进行的相关规定进行 3 气泡间隔系数与抗冻耐久性指数的关系研究n硬化混凝土气泡特征参数试验u混凝土试样的测试范围为混凝土试样的测试范围为60mm60mm60mm60mm，圆形度值取，圆形度值取0.60.6，像素删除标，像素删除标准取准取1010个像素，二值化阈值根据具体情况取个像素，二值化阈值根据具体情况取200200左右。左右。MIC-840-01MIC-840-01型硬化混凝土型硬化混凝土孔隙结构分析仪孔隙结构分析仪硬化混凝土气泡分布的硬化混凝土气泡分布的数字图像数字图像气泡特征参数测试过程气泡特征参数测试过程气泡间隔系数自动测试设

18、备3 气泡间隔系数与抗冻耐久性指数的关系研究u 混凝土抗冻耐久性指数混凝土抗冻耐久性指数DF值随气泡间隔系数的增大而迅速减小，值随气泡间隔系数的增大而迅速减小，抗冻耐久性指数与气泡间隔系数呈指数分布的关系抗冻耐久性指数与气泡间隔系数呈指数分布的关系。u 相关系数相关系数R=0.97，n=38 3 气泡间隔系数与抗冻耐久性指数的关系研究3 气泡间隔系数与抗冻耐久性指数的关系研究u 对引气混凝土而言，当气泡间隔系数小于对引气混凝土而言，当气泡间隔系数小于250m时，耐时，耐久性指数久性指数DF值均可大于值均可大于60%（其中，水胶比为（其中，水胶比为0.40的混凝的混凝土耐久性指数土耐久性指数DF

19、值大于值大于80%），属于抗冻合格混凝土的范），属于抗冻合格混凝土的范围；围；u 当气泡间隔系数落在当气泡间隔系数落在250m350m之间时，是一个模之间时，是一个模糊区域，耐久性指数糊区域，耐久性指数DF值大致在值大致在40%80%范围内偏移；范围内偏移；u 当气泡间隔系数大于当气泡间隔系数大于350m时，耐久性指数时，耐久性指数DF值均小于值均小于40%，属于抗冻不合格混凝土的范围。，属于抗冻不合格混凝土的范围。u 非引气混凝土的气泡间隔系数基本在非引气混凝土的气泡间隔系数基本在500m以上，耐久以上，耐久性指数性指数DF值小于值小于20%。u 抗冻耐久性指数不仅取决于混凝土的气泡间距，还

20、直接取决于水灰比。抗冻耐久性指数不仅取决于混凝土的气泡间距，还直接取决于水灰比。水灰比降低，则混凝土内部可冻水的含量减少，抗压强度增大，有利于抵水灰比降低，则混凝土内部可冻水的含量减少，抗压强度增大，有利于抵抗冻融破坏产生的压力，提高混凝土的抗冻性。抗冻融破坏产生的压力，提高混凝土的抗冻性。uOkadaOkada的研究表明，水灰比小于的研究表明，水灰比小于0.350.35和抗压强度大于和抗压强度大于80MPa80MPa的混凝土，都的混凝土，都可认为是抗冻的，甚至可以不引气，尽管其气泡间隔系数可能远高于混凝可认为是抗冻的，甚至可以不引气，尽管其气泡间隔系数可能远高于混凝土的公认值土的公认值 。3

21、 气泡间隔系数与抗冻耐久性指数的关系研究u对于模糊区，其抗冻耐久性指数可进对于模糊区，其抗冻耐久性指数可进一步通过水灰比来划分一步通过水灰比来划分 ;u本论文仅对水灰比大于本论文仅对水灰比大于0.400.40的混凝土的混凝土气泡间隔系数与抗冻耐久性指数的关系气泡间隔系数与抗冻耐久性指数的关系进行了研究，其规律并不适用于强度大进行了研究，其规律并不适用于强度大于于80Mpa80Mpa的高强混凝土。的高强混凝土。3 气泡间隔系数与抗冻耐久性指数的关系研究u此划分仅适用于水灰比在此划分仅适用于水灰比在0.400.40以上的普通混凝土，对于水灰比小以上的普通混凝土，对于水灰比小于于0.400.40或强

22、度大于或强度大于80MPa80MPa的高强混凝土还需进一步研究。的高强混凝土还需进一步研究。u更加科学和完善，还需要大量数据的积累。更加科学和完善，还需要大量数据的积累。4 混凝土结构抗冻性后评估的指导方法n目的及适用范围 从混凝土桥梁结构上钻取芯样，制备试件测定气泡特征参数，用于对新竣工的混凝土桥梁工程进行抗冻质量的核查和验收，或对在役的混凝土桥梁结构进行抗冻性检查、监测和评价。n仪器设备（1）取芯机：宜采用轻便型混凝土取芯机；）取芯机：宜采用轻便型混凝土取芯机；（2）取芯钻头：宜选用人造金刚石薄壁钻头；）取芯钻头：宜选用人造金刚石薄壁钻头；（3）切割机：可选用岩石切割机，宜采用自动型；）切

23、割机：可选用岩石切割机，宜采用自动型；（4）台式研磨机；）台式研磨机；（5）手提紫光检测灯；）手提紫光检测灯；（6）硬化混凝土孔隙结构自动测定仪。）硬化混凝土孔隙结构自动测定仪。4 混凝土结构抗冻性后评估的指导方法n收集资料 在对混凝土桥梁结构进行抗冻性后评估前，首先应收集该工程的设计、施工及材料等方面的资料。包括混凝土原材料的技术指标、混凝土配合比、引气剂品种与掺量，施工振捣工艺，施工现场检测试验数据等，资料要尽可能要详实、完整。4 混凝土结构抗冻性后评估的指导方法n钻取芯样 （1）从混凝土桥梁结构上钻取芯样，宜采用轻便型混凝土取芯机，取芯钻头宜选用人造金刚石薄壁钻头。（2）在混凝土桥梁结构

24、上钻取芯样后，要用水泥砂浆填充钻芯留下的孔洞。（3）钻取的芯样直径不宜小于100mm，但也不宜大于150mm，芯样的长径比不宜小于2。（4）钻芯后立即将芯样贴上标签，标签内容包括取芯位置、芯样编号，取芯时间等。4 混凝土结构抗冻性后评估的指导方法n制备试样n（1）将钻取的混凝土芯样切割成厚度为1cm左右的圆柱体试件，应在同一芯样上制备三个测试试件，宜选用自动型的岩石切割机切割芯样。n（2）采用转速较低的台式研磨机对试件的一个表面进行研磨，配合使用100#，180#金刚砂，使试件表面基本被磨平。n（3）将研磨机处理完毕的试件表面，用手工在玻璃板上继续进行磨光，研磨中应保持表面的绝对平整，并配合使

25、用240#和320#的金刚砂，最终使试件表面平整光滑，不允许出现划痕。（注：金刚砂研磨剂为推荐型号，也可根据需要做出调整）4 混凝土结构抗冻性后评估的指导方法n（4）仔细清洗磨光后的试件表面，先使用毛刷刷洗，然后使用超声波清洗机，清洗时试件的磨光面朝下放置，清洗5min左右。n（5）将清洗完毕的试件在空气中风干12小时，或放在烘箱中温度由低到高逐级烘干。n（6）用小毛刷（牙刷亦可）在干燥的试件磨光面上涂刷荧光剂，要求涂刷均匀、涂刷厚度一致、药液充分渗入到混凝土的孔隙中。n（7）荧光剂涂刷完毕后在空气中风干46小时，使药液充分固化。应注意通风，避免引起实验人员不适。4 混凝土结构抗冻性后评估的指

26、导方法n（8）重复34的实验程序。在玻璃板上采用手工研磨，用力要均匀，不能过猛。研磨的过程中，要不断检查试件表面，要求将混凝土表面的荧光剂研磨掉，而使气孔中的荧光剂完全保留，同时不能磨出新的气孔。宜在手提紫光检测灯照射下检查试件表面，直至试件表面的荧光剂随气孔呈星点状分布，除骨料边隙外没有呈片状或线状分布的情况，停止研磨。n（9）使用超声波清洗机清洗试件，要求试件涂有荧光剂的一面朝下放置，清洗3min左右。4 混凝土结构抗冻性后评估的指导方法n（10）再次在手提紫光检测灯照射下检查试件表面，如观察到表面磨出了新的气孔或气孔中的荧光剂已被研磨掉，则应重复59的实验步骤，重新准备试件。n（11）试

27、件达到标准要求后，则在空气中自然风干后用于测试硬化混凝土的气泡特征参数。4 混凝土结构抗冻性后评估的指导方法n抗冻耐久性评价n对同一芯样上切割的三个试件的气泡间隔系数值取平均作为最后结果，若测定的气泡间隔系数中最大值或最小值之一，与中间值之差超过中间值的10%，则取中间值。若三个试件中的最大值和最小值，与中间值之差均超过中间值的10%时，则该组试验应重做。可由测定的气泡间隔系数值按照下表对桥梁混凝土结构的抗冻性进行评价。（水灰比小于0.40或强度大于80Mpa的高强混凝土不适用此规律）4 混凝土结构抗冻性后评估的指导方法混凝土气泡间隔系数与抗冻耐久性指数混凝土气泡间隔系数与抗冻耐久性指数DFD

28、F值对照表（建议）值对照表（建议）气泡间隔系数气泡间隔系数/m抗冻耐久性指数抗冻耐久性指数/%抗冻性评价抗冻性评价80抗冻性优良抗冻性优良60抗冻性合格抗冻性合格25035040804080W/C0.4W/C0.4，DF 60DF 60模糊区域模糊区域0.4W/C0.60.40.6W/C0.6，DF40DF350DF 500DF 20非引气混凝土非引气混凝土5 结论及建议n混凝土气泡特征参数自动测试设备的出现，使得气泡特征参数法进行混凝土实体抗冻耐久性后评估具有更加广阔的前景。我国城市混凝土桥梁结构普遍面临着的严峻的盐冻破坏，如何科学准确的对其抗冻耐久性能进行监测评估是当前亟待解决的问题。n本文结合引进的硬化混凝土气泡结构自动测试设备，对混凝土气泡间隔系数评价指标进行了初步细化，并提出一个指导性的程序和方法，其科学性和代表性还有待进一步验证和完善，希望能起到“抛砖引玉”的作用，积极推动混凝土桥梁结构抗冻性后评估的发展。今后应继续研究的问题n样本数量相对较少，应加大各种配合比条件、各类混凝土抗冻性与气泡间隔系数关系的研究，得出涵盖范围更广，更具有代表性的成果。n对于高强混凝土，其抗冻性规律与普通混凝土不同，如何对其进行客观评价应进行深入研究。n积极推进抗冻性后评估的试验技术的进步，使该技术能够进行广泛的应用。谢谢！谢谢！