李沛 ，魏連雨 ，王娜

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；2.河北工業(yè)大學(xué)，天津 300401）

0 引言

大量的工程病害已經(jīng)表明，我國(guó)混凝土結(jié)構(gòu)存在“南銹北凍”的耐久性破壞特征。位于北方地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)，在運(yùn)營(yíng)一段時(shí)間后，經(jīng)常出現(xiàn)由于凍融循環(huán)作用導(dǎo)致混凝土保護(hù)層剝落、鋼筋外露等現(xiàn)象。在我國(guó)北方地區(qū)，冬季海港及海水建筑物，水位變動(dòng)區(qū)附近的混凝土遭受非飽水狀態(tài)下的單面凍融循環(huán)破壞作用。

然而，GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[1]在評(píng)價(jià)混凝土處于單面不飽水鹽溶液凍融情況下的抗凍性能時(shí)，評(píng)價(jià)指標(biāo)不明確。鑒于目前混凝土抗凍機(jī)理研究仍不完善的研究現(xiàn)狀[2]，評(píng)價(jià)指標(biāo)不明確很可能導(dǎo)致人們對(duì)混凝土單面抗凍性能做出不一致的評(píng)價(jià)。本文以鹽溶液中凍融作為試驗(yàn)條件，研究混凝土單面凍融劣化過程中超聲波相對(duì)動(dòng)彈性模量、單位表面剝落物、凍融循環(huán)次數(shù)的劣化規(guī)律，為混凝土單面凍融劣化評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定提供參考。

1 試件設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)條件

混凝土試塊設(shè)計(jì)條件為：1）一般港口工程結(jié)構(gòu)混凝土，安全等級(jí)為二級(jí)；2）永久性港口建筑物，設(shè)計(jì)使用年限為50 a；3）天津地區(qū)，混凝土結(jié)構(gòu)碼頭，海水環(huán)境，最冷月月平均氣溫-4～-8℃；4） 浪濺區(qū)、水位變動(dòng)區(qū)混凝土；5） 混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30～C50；6） F300抗凍混凝土。

1.2 設(shè)計(jì)配合比

考慮上述設(shè)計(jì)條件，按照J(rèn)TS 202—2011《水運(yùn)工程混凝土施工規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，確定混凝土試塊配合比如表1。

其中，水泥為河北盾石P.O42.5普通硅酸鹽水泥；細(xì)骨料為綏中河砂，細(xì)度模數(shù)2.9；粗骨料產(chǎn)自天津薊縣，連續(xù)級(jí)配5～20 mm；減水劑為江蘇博特生產(chǎn)氨基磺酸鹽系高效減水劑CAN，減水率約25%；引氣劑為秦皇島PC-2型；拌和用水采用天津飲用水。

表1 混凝土配料單Table 1 Concrete batching sheet

2 試驗(yàn)概況

2.1 試塊制作

按表1混凝土配料單，依據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[1]每個(gè)配比成型2組共10塊混凝土試塊。試塊制作過程如下：

1） 在150 mm×150 mm×150 mm立方體試模正中間垂直插入1片150mm×150mm×2mm聚四氟乙烯片，按照抗凍等級(jí)要求，成型混凝土試塊；試塊成型后，帶模自然養(yǎng)護(hù)（24±2）h，然后將試塊脫模并置于（20±2）℃水中養(yǎng)護(hù)至7 d齡期。

2）在水中養(yǎng)護(hù)至7 d齡期后，使用混凝土切割機(jī)切除40 mm厚試塊成型面，放置于試塊正中間的聚四氟乙烯片將試塊分成2個(gè)尺寸為150mm×110 mm×75 mm（±2 mm）的試塊，其中接觸聚四氟乙烯片的面即為試驗(yàn)測(cè)試面。

3） 將試驗(yàn)試塊放置于溫度（20±2）℃、相對(duì)濕度（65±5）%的實(shí)驗(yàn)室中干燥至25 d齡期，清潔試塊，將試塊除測(cè)試面和與測(cè)試面平行的頂面外的其他側(cè)面采用環(huán)氧樹脂進(jìn)行密封。試塊密封后，繼續(xù)在實(shí)驗(yàn)室中干燥至28 d齡期。

2.2 凍融循環(huán)制度

試驗(yàn)選用北京首瑞測(cè)控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的CDF-10B型混凝土單面凍融試驗(yàn)機(jī)。一次凍融循環(huán)為12 h：凍融循環(huán)從20℃開始，以（10±1）℃/h的速度均勻降至-（20±1）℃，并持續(xù)3 h；然后從-20℃開始，以（10±1）℃/h的速度均勻升至（20±1）℃，并持續(xù)1 h。

每4個(gè)凍融循環(huán)，在（20±2）℃的恒溫室中測(cè)試1次試塊的剝落物質(zhì)量和超聲波相對(duì)傳播時(shí)間[2]。試驗(yàn)腐蝕介質(zhì)為取自天津港的海水，經(jīng)試驗(yàn)室檢測(cè)，NaCl的濃度為3.5%。

2.3 試驗(yàn)終止條件

當(dāng)凍融循環(huán)出現(xiàn)下列情況之一時(shí)，可停止試驗(yàn)：1） 達(dá)到28次凍融循環(huán)；2） 試塊單位表面面積剝落物總質(zhì)量大于1 500 g/m2；3） 試塊的超聲波相對(duì)動(dòng)彈性模量降低到80%。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試塊單面凍融性能分析

為便于分析，分別計(jì)算各組試塊單位表面剝落物總質(zhì)量損失率和超聲波相對(duì)動(dòng)彈性模量損失率（圖1、圖2）。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：

圖1 質(zhì)量損失率試驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Test resultsofmass loss rate

圖2 超聲波相對(duì)動(dòng)彈性模量損失率試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Test resultsof ultrasonic relative dynam ic elastic modulus loss rate

1） 試塊抗凍設(shè)計(jì)等級(jí)為F300，所有試塊均因達(dá)到28次凍融循環(huán)而終止試驗(yàn)。所以，若以試塊單位表面面積剝落物總質(zhì)量大于1 500 g/m2或超聲波相對(duì)動(dòng)彈性模量降低到80%作為單面凍融損傷極限判據(jù)，F(xiàn)300混凝土試塊應(yīng)能滿足28次單面凍融循環(huán)要求。據(jù)此推算，天津港1 a的自然凍融循環(huán)次數(shù)約為82次[3]，以水工建筑物設(shè)計(jì)使用年限50 a計(jì)，室內(nèi)1次單面凍融相當(dāng)于自然條件下146次單面凍融。

2）眾所周知，在一定范圍內(nèi)降低水膠比和提高含氣量，可有效改善混凝土的抗凍性。水膠比是混凝土設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù)，它的變化影響混凝土可凍水的含量，水膠比越小，抗凍性越好。而含氣量越高，混凝土的抗凍性越好。如表1所示，C30～C50混凝土水膠比從0.40～0.33依次減小，而含氣量從5%～7%依次增大。從測(cè)試的結(jié)果來(lái)看，各組試塊的單面抗凍性未表現(xiàn)出明顯差異，符合本文混凝土試塊設(shè)計(jì)特征。

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)比較

鑒于各組試塊的單位表面剝落物總質(zhì)量損失率和超聲波相對(duì)動(dòng)彈性模量損失率比較結(jié)果基本相同，限于篇幅原因，本文僅列出C30和C50比較結(jié)果（圖3、圖4），得到如下結(jié)論：

1）現(xiàn)已經(jīng)有很多假說解釋混凝土的凍融破壞機(jī)理[4-5]。實(shí)際上，混凝土凍融破壞時(shí)可能是各種假說破壞作用綜合所致。超聲波相對(duì)動(dòng)彈性模量損失率、單位表面剝落物總質(zhì)量損失率都能反映混凝土結(jié)構(gòu)的劣化。

2）超聲波相對(duì)動(dòng)彈性模量損失率可在無(wú)損檢測(cè)狀態(tài)下反映混凝土內(nèi)部劣化的總體發(fā)展趨勢(shì)，單位表面剝落物總質(zhì)量損失率則反映混凝土在凍融破壞過程中的表面剝落情況。在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中，往往無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)得剝落物質(zhì)量，所以，單位表面剝落物總質(zhì)量損失率很難反映實(shí)體混凝土的凍融破壞程度。

3）對(duì)于抗凍性較好的混凝土試塊，其超聲波相對(duì)動(dòng)彈性模量損失率和單位表面剝落物總質(zhì)量損失率都較小，同時(shí)，試塊直至凍融循環(huán)結(jié)束也未出現(xiàn)明顯的表面剝落現(xiàn)象。所以，對(duì)于抗凍性較好的混凝土，單位表面剝落物總質(zhì)量損失率很難準(zhǔn)確反映混凝土凍融劣化過程。

4）在凍融過程中，超聲波相對(duì)動(dòng)彈性模量損失率明顯大于單位表面剝落物總質(zhì)量損失率，且其變化程度更為明顯，所以，超聲波相對(duì)動(dòng)彈性模量損失率比單位表面剝落物總質(zhì)量損失率更為敏感，可敏感地反映混凝土凍融破壞狀況。

圖3 C30評(píng)價(jià)指標(biāo)比較Fig.3 Comparison of C30 evaluation index

圖4 C50評(píng)價(jià)指標(biāo)比較Fig.4 Com parison of C50 evaluation index

4 結(jié)語(yǔ)

1） 按照J(rèn)TS 202—2011《水運(yùn)工程混凝土施工規(guī)范》相關(guān)規(guī)定設(shè)計(jì)的F300混凝土試塊能滿足28次單面凍融循環(huán)要求。據(jù)此推算，以水工建筑物設(shè)計(jì)使用年限50 a計(jì)，室內(nèi)1次單面凍融相當(dāng)于天津港自然條件下146次單面凍融。

2）在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中，往往無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)得混凝土表面剝落數(shù)據(jù)，所以，單位表面剝落物總質(zhì)量損失率很難反映實(shí)體混凝土的凍融破壞程度。

3）超聲波相對(duì)動(dòng)彈性模量損失率明顯大于單位表面剝落物總質(zhì)量損失率，且其變化程度更為明顯，所以，超聲波相對(duì)動(dòng)彈性模量損失率比單位表面剝落物總質(zhì)量損失率更為敏感地反映混凝土凍融劣化狀況。

[1]GB/T 50082—2009，普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].GB/T 50082—2009,Standard for testmethodsof long-term performanceand durability ofordinary concrete[S].

[2] 王久立，王丹江.混凝土的凍融研究現(xiàn)狀[C]//高性能混凝土的研究與應(yīng)用——第五屆全國(guó)高性能混凝土學(xué)術(shù)交流會(huì)論文.北京：《中國(guó)學(xué)術(shù)期刊（光盤版）》電子雜志社，2004：350-356.WANG Jiu-li,WANG Dan-jiang.Research status of concrete freeze-thaw[C]//Research and application of high performance concrete:Proceedings of the 5th national academic exchange of high performance concrete.Beijing:China Academic Journal(CD)Electronic PublishingHouse,2004：350-356.

[3]林寶玉，蔡銳華.海港工程混凝土和鋼筋混凝土耐久性技術(shù)指標(biāo)的確定[J].水運(yùn)工程，1982（2）：50-54.LIN Bao-yu,CAIRui-hua.Determine the durability index of marine concrete and reinforced concrete[J].Port&Waterway Engineering,1982（2）：50-54.

[4]黃士元.混凝土的抗凍性及其試驗(yàn)方法[J].混凝土及加筋混凝土，1983（2）：2-9.HUANGShi-yuan.Concrete freezing resistanceand its testmethod[J].Concreteand Reinforced concrete,1983(2):2-9.

[5] FAGERLUNDG.Equations for calculating themean free distance between aggregates particles or air pores in concrete[J].CBIResearch,1997(8).