CN101788442A - 一种水泥基材料超低温冻融循环试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种水泥基材料超低温冻融循环试验方法，它是采用液态氮气作为冻结原材料，利用其气化时的超低温效应，从凝胶孔层次上破坏水泥基材料基体，加快冻融破坏进度，快速评价出水泥基材料的抗冻耐久性能。本发明实现了水泥基材料冻融循环试验的方便性和快速性，解决了由于冻融循环试验过程缓慢而造成工程施工和质量控制不便的问题。具有方便、快捷、经济效益好等优点。

Description

一种水泥基材料超低温冻融循环试验方法

技术领域

本发明涉及水泥基材料冻融循环试验方法，具体为一种水泥基材料超低温冻融循环试验方法。

背景技术

水泥混凝土是当今世界应用最广、用量最大的建筑材料，其在所使用的环境中能长期保持性能稳定，因此，常被认为是耐久性材料。然而，实际情况并不总是如此，环境因素和自身条件都会对其耐久性造成严重影响。水泥混凝土冻融破坏是一项常见的耐久性问题，我国北方大部分地区，冻害是混凝土结构物过早劣化的主要原因，一些重要工程，一旦遭受破坏，将会给国家造成巨大经济损失，给人民带来安全隐患，因此，研究水泥基材料冻融破坏对确保混凝土工程的耐久性意义深远。

混凝土冻融破坏的研究与其试验方法密不可分，随着研究的进行，人们同时也在探索有效可行的试验方法来评价混凝土的抗冻耐久性能。由于混凝土冻融破坏是“冻”和“融”反复作用的结果，该过程需要较长时间，若完全模拟现场条件进行混凝土抗冻耐久性试验，势必会拖延工程进度，造成质量控制滞后等现象。因此，许多研究者着力于探索更方便、更快捷的试验方法来评价混凝土的抗冻耐久性能。目前，水泥基材料冻融循环试验方法主要有快冻法、慢冻法和盐冻法。国外针对不同的工程概况，三种方法都应用较多，国内则主要采用快冻法和慢冻法。慢冻法完成一次冻融循环试验至少需要8h，盐冻法则需要12h。两种方法试验周期长，工作量大，容易拖延工程进度，造成质量控制滞后。快冻法在2-4h内完成一次冻融循环，大量缩短了试验时间，有利于加快工程进度。然而，即使是采用快冻法进行冻融循环试验，从混凝土成型、养护到试验结束也需要近三个月时间，给工程施工和质量控制带来不便。且用于试验的混凝土试件体积较大，增加了工作量，试验设备耗电量大，经济效益相对较差。基于此，探索更方便、更快捷的冻融循环试验方法势在必行。

发明内容

本发明的目的是提供一种水泥基材料超低温冻融循环试验方法，它利用液态氮气气化时的超低温效应加快试验进度，快速评价出水泥基材料的抗冻耐久性能。

本发明所述的一种水泥基材料超低温冻融循环试验方法包括以下步骤：

1).将按设计配合比拌制的水泥混凝土或砂浆，成型为长宽高为70.7×70.7×70.7mm³的立方体试件；其中混凝土应过20mm筛后再成型，成型后24h拆模，标养室养护至28d；

2).试件在28天龄期时开始冻融试验，冻融前72小时把试件从养护地点取出，进行外观检查，然后在温度为20±5℃的水中浸泡，水面应至少高出试件顶面10mm；浸泡72小时后进行冻融试验；

3).浸泡完毕，取出试件，用湿布擦除表面水分，称重，并按超声波测试法测定试件垂直于抹面的两对侧面的初始脉冲速度；

4).将试件均匀放置于试件容器中，试件容器为方形钢盒，外套保温层，为了使试件受温均衡，在试件容器底部及试件层间垫放适当宽度和厚度的橡胶；每次试验所用试件数量为冻融试件和对比试件各4组，每组试件为3个；

5).向盛样试件容器中加入液态氮气，每次冻结加入液氮量约为5L，分三次加入，加入液氮后立即加由保温材料制成的盖封闭；整个冻结过程在20-30分钟内完成；

6).将冻结后的试件取出，立即放入能使水温保持在20±5℃的流动水槽中进行融化；此时，水槽中水面应至少高出试件表面10mm，试件在水中的融化时间为1-1.5h；融化完毕即为该次冻融循环试验结束，取出试件进行下一次循环试验；

7).试验过程中密切观察试件外观变化，若有严重破损时应称量试件重量，如试件平均失重率超过5％，即可停止其冻融循环试验；

8).试件一般应每隔10次循环做一次超声波测试，测定试件垂直于抹面的两对侧面的脉冲速度，测试前应将试件表面擦拭干净，并擦去表面积水，同时检查试件外部损伤和重量损失；测试完毕将试件重新放入试件容器中；

9).试件一般应每隔25次循环做一次强度测试，其中砂浆试件每隔15次循环做一次强度测试，测试前应将试件表面擦拭干净，并擦去表面积水，测试过程严格按GB/T 50081-2002执行；

为保证试件在冻结过程中温度稳定均衡，当有部分试件停冻取出后，应另以试件填充其空位。

10).冻融达以下4种情况之一即可停止试验：

a已达到100次冻融循环；

b超声波脉冲速度降低率达30％；

c重量损失率达5％；

d强度损失率达30％。

本发明是利用液态氮气作为冻结原材料，采用气冻水融的试验方法，进行超低温冻融循环试验。由于液态氮气气化时大量吸热，使周围空气温度急剧降低(气化温度在-196℃左右)，在液氮量控制得当的情况下，可使试件周围的气温骤降至-100℃，水泥基材料内孔隙水迅速冻结，由静水压理论可知，冻结速度提高，可明显加快水泥基材料冻融破坏进程，且这一温度足可以让凝胶孔水冻结(凝胶孔水冻结温度在-78℃左右)，增加了水泥基材料产生微裂纹的可能性，进一步加速了水泥基材料冻融破坏。

具体实施方式

本发明的目的通过这样的技术方案实现：

1.按设计配合比拌制水泥混凝土或砂浆，成型70.7×70.7×70.7mm³立方体试件，混凝土应过20mm筛后再成型，成型后24h拆模，标养室养护至28d；

2.试件在28天龄期时开始冻融试验，冻融前72小时把试件从养护地点取出，进行外观检查，然后在温度为20±5℃的水中浸泡72小时后进行冻融试验(水面应至少高出试件顶面10mm)。

3.浸泡完毕，取出试件，用湿布擦除表面水分，称重，并按超声波测试法测定试件垂直于抹面的两对侧面的初始脉冲速度。

4.将试件均匀放置于试件容器中(方形钢盒，外套保温层)，为了使试件受温均衡，在试件容器底部及试件层间垫放适当宽度和厚度的橡胶。每次试验所用试件数量为8组(冻融试件和对比试件各4组)，每组试件为3个立方体试块。

5.向盛样试件容器中加入液态氮气，每次冻结加入液氮量约为5L，分三次加入，加入液氮后立即加盖(保温材料制成)封闭。整个冻结过程在20-30分钟内完成。

6.将冻结后的试件取出，立即放入能使水温保持在20±5℃的流动水槽中进行融化。此时，水槽中水面应至少高出试件表面10mm，试件在水中的融化时间为1-1.5h。融化完毕即为该次冻融循环试验结束，取出试件进行下一次循环试验。

7.试验过程中密切观察试件外观变化，若有严重破损时应称量试件重量，如试件平均失重率超过5％，即可停止其冻融循环试验。

8.试件一般应每隔10次循环做一次超声波测试，测定试件垂直于抹面的两对侧面的脉冲速度，测试前应将试件表面擦拭干净，并擦去表面积水，同时检查试件外部损伤和重量损失。测试完毕将试件重新放入试件容器中。

9.试件一般应每隔25次循环做一次强度测试(砂浆试件每隔15次循环做一次强度测试)，测试前应将试件表面擦拭干净，并擦去表面积水，测试过程严格按GB/T 50081-2002执行。

为保证试件在冻结过程中温度稳定均衡，当有部分试件停冻取出后，应另以试件填充其空位。

10.冻融达以下4种情况之一即可停止试验：

1)已达到100次冻融循环；

2)超声波脉冲速度降低率达30％；

3)重量损失率达5％；

4)强度损失率达30％。

11.结果处理与评判

1)水泥基材料冻融循环试验后抗压强度损失率按下式计算：

$\mathrm{\Δ}{f}_n=\frac{f_o-f_n}{f_o}\×100$

式中：Δf_n——N次冻融循环试验后的水泥基材料抗压强度损失率，以3个试件的平均值计算(％)；

f_o——3个对比试件的抗压强度平均值(MPa)；

f_n——N次冻融循环试验后3个试件抗压强度平均值(MPa)。

2)水泥基材料冻融循环试验后重量损失率按下式计算：

$\mathrm{\Δ}{W}_n=\frac{W_o-W_n}{W_n}\×100$

式中：ΔW_n——N次冻融循环试验后的水泥基材料质量损失率，以3个试件的平均值计算(％)；

W_o——冻融循环试验前3个试件的重量平均值(g)；

W_n——N次冻融循环试验后3个试件的重量平均值(g)。

3)水泥基材料冻融循环试验后超声波脉冲速度降低率按下式计算：

$\mathrm{\ΔV}=\frac{V_o-V_n}{V_o}\×100$

式中：ΔV——N次冻融循环试验后水泥基材料超声波脉冲速度降低率，以3个试件6个测试值的平均值计算(％)；

V_o——水泥基材料的初始超声波脉冲速度平均值(km/s)；

V_n——冻融循环试验后水泥基材料超声波脉冲速度平均值(km/s)。

水泥基材料超低温冻融循环次数取同时满足超声波脉冲速度减低率小于30％、重量损失率小于5％和抗压强度损失率小于30％的最大循环次数表示。

本发明实现了水泥基材料冻融循环试验的方便性和快速性，解决了由于冻融循环试验过程缓慢而造成工程施工和质量控制不便的问题。

本发明的优点：

1.方便：试验过程中只需较好的控制用于冻结试件的液氮量，过程操作简便；试验所用试件尺寸较小，工作量相对较小；试验设备要求简单，便于开展试验。

2.快捷：试验过程冻结时间较短，可明显减少每次冻融循环试验所需时间；液态氮气的超低温效应可将凝胶孔水冻结，加速了水泥基材料冻融破坏进程，明显减少冻融循环次数。

Claims (2)

1.一种水泥基材料超低温冻融循环试验方法，包括以下步骤：

1).将按设计配合比拌制的水泥混凝土或砂浆，成型为长宽高为70.7×70.7×70.7mm³的立方体试件；其中混凝土应过20mm筛后再成型，成型后24h拆模，标养室养护至28d；

2).试件在28天龄期时开始冻融试验，冻融前72小时把试件从养护地点取出，进行外观检查，然后在温度为20±5℃的水中浸泡，水面应至少高出试件顶面10mm；浸泡72小时后进行冻融试验；

3).浸泡完毕，取出试件，用湿布擦除表面水分，称重，并按超声波测试法测定试件垂直于抹面的两对侧面的初始脉冲速度；

4).将试件均匀放置于试件容器中，试件容器为方形钢盒，外套保温层，为了使试件受温均衡，在试件容器底部及试件层间垫放适当宽度和厚度的橡胶；每次试验所用试件数量为冻融试件和对比试件各4组，每组试件为3个；

5).向盛样试件容器中加入液态氮气，每次冻结加入液氮量约为5L，分三次加入，加入液氮后立即加由保温材料制成的盖封闭；整个冻结过程在20-30分钟内完成；

6).将冻结后的试件取出，立即放入能使水温保持在20±5℃的流动水槽中进行融化；此时，水槽中水面应至少高出试件表面10mm，试件在水中的融化时间为1-1.5h；融化完毕即为该次冻融循环试验结束，取出试件进行下一次循环试验；

7).试验过程中密切观察试件外观变化，若有严重破损时应称量试件重量，如试件平均失重率超过5％，即可停止其冻融循环试验；

8).试件一般应每隔10次循环做一次超声波测试，测定试件垂直于抹面的两对侧面的脉冲速度，测试前应将试件表面擦拭干净，并擦去表面积水，同时检查试件外部损伤和重量损失；测试完毕将试件重新放入试件容器中；

9).试件一般应每隔25次循环做一次强度测试，其中砂浆试件每隔15次循环做一次强度测试，测试前应将试件表面擦拭干净，并擦去表面积水，测试过程严格按GB/T 50081-2002执行；

10).冻融达以下4种情况之一即可停止试验：

a已达到100次冻融循环；

b超声波脉冲速度降低率达30％；

c重量损失率达5％；

d强度损失率达30％。

2.根据权利要求1所述的水泥基材料超低温冻融循环试验方法，其特征是：

1)水泥基材料冻融循环试验后抗压强度损失率按下式计算：

$\mathrm{\Δ}{f}_n=\frac{f_o-f_n}{f_o}\×100$

式中：Δf_n——N次冻融循环试验后的水泥基材料抗压强度损失率，以3个试件的平均值计算(％)；

f_o——3个对比试件的抗压强度平均值(MPa)，

f_n——N次冻融循环试验后3个试件抗压强度平均值(MPa)；

2)水泥基材料冻融循环试验后重量损失率按下式计算：

$\mathrm{\Δ}{W}_n=\frac{W_o-W_n}{W_n}\×100$

式中：ΔW_n——N次冻融循环试验后的水泥基材料质量损失率，以3个试件的平均值计算(％)；

W_o——冻融循环试验前3个试件的重量平均值(g)，

W_n——N次冻融循环试验后3个试件的重量平均值(g)；

3)水泥基材料冻融循环试验后超声波脉冲速度降低率按下式计算：

$\mathrm{\ΔV}=\frac{V_o-V_n}{V_o}\×100$

式中：ΔV——N次冻融循环试验后水泥基材料超声波脉冲速度降低率，以3个试件6个测试值的平均值计算(％)；

V_o——水泥基材料的初始超声波脉冲速度平均值(km/s)；

V_n——冻融循环试验后水泥基材料超声波脉冲速度平均值(km/s)

水泥基材料超低温冻融循环次数取同时满足超声波脉冲速度减低率小于30％、重量损失率小于5％和抗压强度损失率小于30％的最大循环次数表示。