國外混凝土抗凍性控制要求和試驗(yàn)方法綜述（上）
2005-09-14 00:00
[摘 要] 不同國家由于氣候、地理位置和理論基礎(chǔ)等方面的原因，對混凝土的抗凍性和試驗(yàn)方法有著不同的要求。為了闡明世界各國對混凝土抗凍性控制的區(qū)別，本文中選取了部分處于寒冷氣候并對混凝土抗凍性有要求國家(美國、加拿大、德國、瑞典、挪威、丹麥和芬蘭) 的規(guī)范，對其進(jìn)行了混凝土抗凍性控制和試驗(yàn)方法的比較。
[關(guān)鍵詞] 抗凍性； 環(huán)境條件； 試驗(yàn)方法
Requirement and test method of concrete frost resistance in various countries
J IA Yao2dong ， XI E Yong2jiang ， ZHU Chang2hua
(China Academy of Railway Sciences ，Beijing 100081 ，China)
Abstract: Because various countries have some differences in climate condition ，geography and theoretical basis ，the requirement and test method on frost resistance of concrete vary from country to country. In order to clarify the differences in frost resistance of concrete in various countries， a comparison in several countries (America ，Canada ，Germany ，Sweden ，Norway ，Denmark and Finland) in cold climate was made.
Key words : frost resistance; environment condition; test method
0 引言
混凝土的抗凍性是混凝土耐久性的一項(xiàng)重要指標(biāo)，世界各國對此都十分重視，因此制定了各種規(guī)范對其進(jìn)行控制。由于氣候、地理位置和理論基礎(chǔ)等方面的原因，各國規(guī)范對混凝土抗凍性規(guī)定的側(cè)重點(diǎn)不盡相同。為了對世界各國混凝土抗凍性的控制有一個全面的認(rèn)識，也為了配合國家標(biāo)準(zhǔn)“GBJ 82 - 85 普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法”的修訂工作，我們對各國混凝土抗凍性的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)展開了調(diào)研，本文內(nèi)容是本次調(diào)研結(jié)果的一部分。
1 美國
1.1 抗凍性控制要求
美國各個州都有各自制定的抗凍性規(guī)范。就應(yīng)用范圍的廣度而言，其中比較重要和有代表性的是美國混凝土協(xié)會(ACI) 制定的相關(guān)規(guī)范。ACI 關(guān)于混凝土抗凍性控制要求的主要規(guī)范有:
ACI318 - 95 混凝土結(jié)構(gòu)建筑要求[1]
ACI318R - 95 注釋[2]
ACI301 結(jié)構(gòu)混凝土標(biāo)準(zhǔn)分類[3]
在這些規(guī)范中，混凝土所處的環(huán)境被分成了嚴(yán)酷環(huán)境和一般環(huán)境兩種。一般認(rèn)為橋面板，路沿石，車庫和蓄水池等結(jié)構(gòu)物是處于嚴(yán)酷環(huán)境中的結(jié)構(gòu)物，部分不與土壤直接接觸的梁、柱和板是處于一般環(huán)境中的結(jié)構(gòu)物。在混凝土遭受凍融或鹽凍破壞時，ACI 規(guī)定應(yīng)對混凝土進(jìn)行引氣，同時對混凝土的最大水膠比和最低強(qiáng)度進(jìn)行控制，如表1 和表2 所示。
1.2 抗凍性試驗(yàn)方法
美國的抗凍性試驗(yàn)方法主要有以下兩種:
ASTM C666 - 97 檢測混凝土抵抗快速凍融能力的標(biāo)準(zhǔn)方法[4]
ASTM C672 - 2003 混凝土表面暴露于除冰鹽時抗鹽凍性的試驗(yàn)方法[5]
其中ASTM C666 中有A 法和B 法兩種，A 法采用試件全部浸泡在清水(或鹽水) 中快速凍融，我國GBJ 82 - 85 中的快凍法與之類似;B 法采用試件在空氣中凍結(jié)，水中溶解，我國GBJ 82 - 85 中的慢凍法與之類似。ASTM C672 方法類似于瑞典規(guī)范SS 13 7244[6]和RELIM 規(guī)范中的平板法，即密封試件四周，僅在試件頂部使用NaCl鹽溶液進(jìn)行凍融。凍融循環(huán)結(jié)束后，通過測量試件超聲傳播時間和表面剝蝕量的變化來評價混凝土的抗凍性。
2 加拿大
2.1 抗凍性控制要求
加拿大在國家建筑規(guī)范中對混凝土的抗凍性進(jìn)行了規(guī)定，主要規(guī)范有:
CSA A2311 - 94 混凝土建筑的材料和方法[7]
CSA A234 - 94 預(yù)制混凝土- 材料和建筑[8]
CSA A2311 - 94 規(guī)定，在不包含氯離子的情況下，混凝土所處的環(huán)境被分成三種:
F1 暴露在凍融條件下的飽水混凝土，如水池底板、天井、網(wǎng)球場和浸泡在淡水中的設(shè)施等。
F2 暴露在凍融條件下的不飽水混凝土，如建筑物的外墻和外柱等。
N 暴露在沒有凍融也沒有氯離子環(huán)境下的混凝土，如建筑物的內(nèi)墻和內(nèi)柱等。
CSA A2311 - 94 規(guī)定了在不同環(huán)境下混凝土28d的最小強(qiáng)度和最小水膠比，如表3 所示。
注: 3 測試強(qiáng)度采用<150mm ×300mm 圓柱體試件
當(dāng)環(huán)境中有除冰鹽凍融情況存在時，CSA 規(guī)定：結(jié)構(gòu)部位混凝土最小強(qiáng)度為35MPa ，最大水膠比為0.4；非結(jié)構(gòu)部位混凝土最小強(qiáng)度為32MPa ，最大水膠比為0.45 。對于有除冰鹽存在的F1環(huán)境，混凝土還應(yīng)滿足氣泡間距的相關(guān)要求，即：所有試驗(yàn)氣泡的平均間距不應(yīng)超過230μm；單個試驗(yàn)的氣泡平均間距不超過260μm。考慮到測試氣泡間距采用“ASTMC457 - 98 硬化混凝土中空隙系統(tǒng)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)測定方法”[9]所帶來的測量誤差，CSA 推薦采用的最優(yōu)值為不大于170μm。
對預(yù)制混凝土，CSA A2314 特別規(guī)定，只要結(jié)構(gòu)物處在受凍地區(qū)，混凝土的最低含氣量就應(yīng)大于5 % ，最大水膠比應(yīng)小于0.45 ，最小的強(qiáng)度應(yīng)大于30 MPa。
2.2 抗凍性試驗(yàn)方法
加拿大的抗凍性試驗(yàn)方法只有一種，即：
CSA - A2312 - 94 混凝土抗凍性的快速凍融法[10]
該方法全文引用ASTM C666 ，并與之完全相同。雖然加拿大國家規(guī)范中只有一種混凝土抗凍性試驗(yàn)方法，但在評價及測試混凝土抗凍性時，除快凍法外鹽凍法也被使用。
3 歐洲標(biāo)準(zhǔn)委員會
3.1 抗凍性控制要求
歐洲標(biāo)準(zhǔn)委員會出版的EN 206-1:2000[11]中，將有抗凍要求的混凝土環(huán)境分成了4 類，分別為:
XF1：中等程度飽水，無除冰鹽存在的環(huán)境；
XF2：中等程度飽水，有除冰鹽存在的環(huán)境；
XF3：高程度飽水，無除冰鹽存在的環(huán)境；
XF4：高程度飽水，有除冰鹽存在的環(huán)境。
在標(biāo)準(zhǔn)附錄F 中，對混凝土最大水膠比，最小強(qiáng)度等級，最小水泥含量，最小含氣量進(jìn)行了規(guī)定，如表4 所示。
3.2 抗凍性試驗(yàn)方法
雖然歐洲EN 標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)于抗凍性的試驗(yàn)方法，但在歐洲應(yīng)用更廣泛的是國際材料試驗(yàn)協(xié)會(RILEM) 制定的抗凍性試驗(yàn)方法，因此本文著重研究了RIL EM 的抗凍性試驗(yàn)方法。
RILEM 的抗凍性試驗(yàn)方法近30年來一直處于變化之中，具體的過程為：
a) 1977年國際材料試驗(yàn)學(xué)會頒布了RILEM TC4-CDC[12]，當(dāng)時的標(biāo)準(zhǔn)中包括三種方法，分別為鹽凍法，快凍法和極限充水程度法。此時快凍法依然是RILEM推薦的方法之一。
b) 1995 年國際材料試驗(yàn)學(xué)會頒布了RILEM TC117- FDC[13] ，包括三種方法， CDF (CF) 法，平板法(類似于SS 13 72 43) 和立方體法。CDF 全名為Capillary Suction of Deicing Chemicals and Freeze - thawtest ，即毛細(xì)吸鹽凍融試驗(yàn)方法。CD 法就是用水代替鹽溶液進(jìn)行試驗(yàn)。采用CDF (CF) 法試驗(yàn)時，除頂部和底部外，試件四周密封，底部浸泡在3%的NaCl鹽溶液(或水) 中進(jìn)行凍融試驗(yàn)。28 (或56)次凍融循環(huán)后，通過測量試件超聲傳播時間和表面剝蝕量的變化來評價混凝土的抗凍性。
平板法類似于瑞典的SS 13 72 44 方法，試驗(yàn)時除頂部和底部外，混凝土試件四周密封，鹽溶液位于混凝土試件頂部進(jìn)行凍融。56次凍融循環(huán)后，通過測量試件表面的剝蝕量對混凝土的抗凍性進(jìn)行評價。
在RIL EM TC117 - FDC 中，快凍法被刪除，新增了立方體法。立方體法是采用邊長為100mm 的立方體試件，每兩個為一組，浸泡在3 %的NaCl鹽溶液中，在20℃～-25 ℃的條件下凍融循環(huán)。經(jīng)過56 次凍融循環(huán)之后，通過測量試件的質(zhì)量損失來評價混凝土的抗凍性。
c) 2002 年國際材料試驗(yàn)學(xué)會頒布了RILEM TC176 - IDC 2002[14] ，包括兩種方法，CIF(CF) 法和平板法，立方體法被刪除。CIF 法是由CDF 法轉(zhuǎn)化而來的，除了名字由Capillary Suction of Deicing Chemicals and Freeze thaw test 改為Capillary Suction ， Internal damage and Freeze thaw Test 以外，其余并未做太多改動。
目前，CIF 法在西歐(德、法) 應(yīng)用比較普遍，平板法在北歐(瑞典、挪威、丹麥、芬蘭) 應(yīng)用比較普遍。雖然CF 法與CIF 法只有在試驗(yàn)溶液上存在差別(即將3 %的NaCl鹽溶液換成去礦物質(zhì)水) ，但該法目前在歐洲很少被使用。
4 德國
4.1 抗凍性控制要求
德國關(guān)于混凝土抗凍性控制的主要規(guī)范有：
DIN 1045/ A1 用于結(jié)構(gòu)的混凝土———設(shè)計(jì)和制造[15]
在DIN 1045/ A 中，混凝土被分為兩個基本的等級：BⅠ(強(qiáng)度等級為B2～B25) 和B Ⅱ(強(qiáng)度等級大于B35) 。
規(guī)范規(guī)定，當(dāng)混凝土處在潮濕的凍融循環(huán)條件下時，混凝土應(yīng)具有很好的抗凍性。為此除了水膠比小于0.40 的非常干硬的混凝土以外，無論處于BⅠ級還是BⅡ級，混凝土中都必須摻加引氣劑，且含氣量需滿足表5的要求。
除了滿足含氣量的規(guī)定外，規(guī)范還規(guī)定，無論處于BⅠ級還是BⅡ級，混凝土還需滿足下列要求:混凝土最小水泥用量為300kg/m3 (用高強(qiáng)水泥的時候至少為270kg/m3 ) ，最小的強(qiáng)度為32MPa ，環(huán)境中沒有除冰鹽存在時水膠比不大于0.60 ，環(huán)境中有除冰鹽存在時水膠比不大于0.50 。
4.2 抗凍性試驗(yàn)方法
德國國家規(guī)范中混凝土的抗凍性試驗(yàn)方法為:
DIN EN 13687 - 1 ：2002 除冰鹽浸泡凍融循環(huán)試驗(yàn)[16]
該方法類似于RILEM 規(guī)范中的平板法，已作為歐洲規(guī)范。但目前德國在實(shí)際的研究和應(yīng)用中采用最多的是RILEM 標(biāo)準(zhǔn)中的CIF 法。
5 瑞典
5.1 抗凍性控制要求
在瑞典建筑部出版的混凝土建筑手冊(Boverket’s handbook on concrete const ruction ，以下簡稱BBK94)中，將有抗凍性要求的混凝土環(huán)境分成了以下四類：
B1：可忽略的嚴(yán)酷環(huán)境。
B2 ：輕微的嚴(yán)酷環(huán)境———中等濕度的沒有氯離子存在的凍融環(huán)境。包括處于室外與地平線夾角超過30°的建筑物表面，如建筑物的立面。
B3 ：中等嚴(yán)酷環(huán)境———處在潮濕或者非常潮濕的環(huán)境中沒有或者只有少量的氯離子存在并經(jīng)受凍融循環(huán)作用的環(huán)境。包括處于室外與地平線夾角不超過30°的建筑物表面，如陽臺、泡在清水中的大壩和碼頭等。
B4 ：非常嚴(yán)酷的環(huán)境———結(jié)構(gòu)物處在潮濕或者非常潮濕的環(huán)境中，有中等或大量氯離子存在，并伴隨凍融循環(huán)的環(huán)境。如處于海水浸泡和位于浪濺區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)物。
當(dāng)環(huán)境條件為B3 或B4 時，BBK94 通常要求摻加引氣劑。根據(jù)骨料粒徑不同，混凝土的最小含氣量和最大水膠比如表6 所示。
5.2 抗凍性試驗(yàn)方法
瑞典的抗凍性試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)為：
SS 13 72 44 混凝土試驗(yàn)- 硬化混凝土- 鹽凍法
該方法類似于ASTM C672 和REL IM 規(guī)范中的平板法，在歐洲尤其是北歐國家，如挪威、芬蘭、丹麥、冰島應(yīng)用較為廣泛。試驗(yàn)時除頂部和底部外，混凝土試件四周密封，鹽溶液位于混凝土試件頂部進(jìn)行凍融。通過測量試件表面的剝蝕量將混凝土的抗凍性分為非常好、好、可接受和不可接受四個等級。
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