戈雪良，蘇文德，陸采榮

(1．南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京 210029;2．廈門軌道交通集團(tuán)有限公司，福建 廈門 361004)

我國(guó)現(xiàn)已建成各類水庫(kù)98000多座，總庫(kù)容近9300多億m3［1］，分布在不同氣候區(qū)域，每年經(jīng)受的凍融循環(huán)次數(shù)不盡相同?！稓夂蜃兓瘒?guó)家評(píng)估報(bào)告》預(yù)估我國(guó)在21世紀(jì)20年代、50年代和80年代平均氣溫分別升高約1.2℃、2.2℃和3.2℃［2］，氣溫變化將對(duì)我國(guó)水工混凝土結(jié)構(gòu)物的受凍融作用區(qū)域劃分產(chǎn)生重要影響，大體上導(dǎo)致南北分界線北移，現(xiàn)有分界線處以及北方地區(qū)的年平均凍融循環(huán)次數(shù)有可能顯著增加，從而加速這部分地區(qū)水工混凝土結(jié)構(gòu)物的凍融破壞。另外，氣候變暖導(dǎo)致極端氣候出現(xiàn)的頻次增加，極端低溫甚至是突破歷史極值的低溫使我國(guó)北方地區(qū)已考慮抗凍設(shè)計(jì)的水工混凝土的抗凍耐久性面臨新的挑戰(zhàn)。

目前，我國(guó)水工混凝土的抗凍融試驗(yàn)一般是在－17℃ ±2℃的降溫終了低溫，以及8℃ ±2℃的升溫終了溫度下進(jìn)行，以此對(duì)水工混凝土的抗凍性能進(jìn)行評(píng)估。水工混凝土抗凍等級(jí)的設(shè)計(jì)原則為:在最冷月評(píng)價(jià)溫度低于－10℃的嚴(yán)寒區(qū)一般設(shè)計(jì)F300，而在最冷月評(píng)價(jià)溫度大于－3℃的溫和區(qū)設(shè)計(jì)F50或F100。國(guó)內(nèi)外開展的水工混凝土抗凍耐久性方面的研究比較多，取得了一些重要的研究成果［3-9］。根據(jù)調(diào)研，我國(guó)南方地區(qū)最冷月(1月)極端低溫氣溫平均值為－8.4℃，東北、西北、華北地區(qū)最冷月(1月)極端低溫氣溫平均值為－32.7℃［10］。針對(duì)現(xiàn)行抗凍耐久性設(shè)計(jì)原則、抗凍試驗(yàn)方法以及我國(guó)南方和北方地區(qū)的最冷月氣溫現(xiàn)狀，本文采用F50、F100、F300等3種抗凍等級(jí)的水工混凝土，在－5℃、－10℃、－17℃、－30℃、－40℃等5種降溫終了混凝土試件中心溫度下進(jìn)行凍融試驗(yàn)，研究不同凍融溫度條件下不同抗凍設(shè)計(jì)等級(jí)水工混凝土的抗凍性能。

1 原材料、配合比與試驗(yàn)方法

1．1 原材料

水泥采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，Ⅰ級(jí)粉煤灰。細(xì)骨料為天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2.71。粗骨料為灰?guī)r人工碎石，粒徑范圍為5～40 mm。外加劑為萘系高效減水劑和Air-202引氣劑。經(jīng)檢測(cè)，水泥、粉煤灰、外加劑的品質(zhì)和參數(shù)均符合相應(yīng)現(xiàn)行規(guī)程規(guī)范的技術(shù)要求，可用于試驗(yàn)研究。

1．2 配合比

根據(jù)氣候嚴(yán)寒區(qū)、溫和區(qū)分別要求的水工混凝土抗凍等級(jí)情況，通過優(yōu)化配合比以及控制體積含氣量，設(shè)計(jì)了F50、F100、F300等3種抗凍等級(jí)的水工混凝土。經(jīng)測(cè)試，F(xiàn)50、F100、F300水工混凝土實(shí)際含氣量分別為2.8%、3.7%、5.8%，配合比見表1。

表1 不同抗凍等級(jí)的水工混凝土試驗(yàn)配合比

1．3 試驗(yàn)方法

采用自行研制的GDJS-800氣候模擬系統(tǒng)進(jìn)行水工混凝土凍融試驗(yàn)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)混凝土試件中心溫度－70～150℃的變化范圍，實(shí)時(shí)控制精度為0.1℃，溫度波動(dòng)度為±0.5℃，可通過程序設(shè)定改變溫降速率與溫度恒定時(shí)間等試驗(yàn)參數(shù)。水工混凝土抗凍試件的成型、制作與養(yǎng)護(hù)按照SL352—2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行。

凍融試驗(yàn)降溫終了試件中心低溫分別設(shè)為－5℃、－10℃、－17℃、－30℃、－40℃，降溫歷時(shí)均為2h，升溫終了試件中心溫度統(tǒng)一設(shè)為8℃，升溫歷時(shí)均為1h。經(jīng)過若干個(gè)凍融循環(huán)后，采用動(dòng)彈性模量測(cè)定儀(頻率100～ 10000 kHz)、電子天秤(稱量10 kg，感量5 g)分別測(cè)試混凝土的動(dòng)彈性模量和質(zhì)量，進(jìn)而對(duì)抗凍耐久性進(jìn)行評(píng)估。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2．1 水工混凝土的凍融質(zhì)量損失

F50、F100、F300等3種抗凍設(shè)計(jì)等級(jí)的水工混凝土在 －5℃、－10℃、－17℃、－30℃、－40℃等5種降溫終了試件中心溫度下，經(jīng)受若干凍融循環(huán)次數(shù)后的質(zhì)量損失率如圖1所示。從圖1可以看出，隨著凍融試驗(yàn)降溫終了水工混凝土試件中心溫度的降低，水工混凝土的質(zhì)量損失率逐漸增大。200次凍融循環(huán)后，降溫終了試件中心溫度從－5℃降到－40℃，中低抗凍設(shè)計(jì)等級(jí)的 F50、F100水工混凝土的質(zhì)量損失率分別從2.6%增大到12.4%，以及從2.2%增大到9.2%。對(duì)于高抗凍設(shè)計(jì)等級(jí)的F300水工混凝土而言，350次凍融循環(huán)后，降溫終了試件中心溫度從－5℃降到－40℃，其質(zhì)量損失率從0.6%增大到7.5%。

1 不同抗凍設(shè)計(jì)等級(jí)水工混凝土的凍融質(zhì)量損失率

2．2 水工混凝土的動(dòng)彈性模量變化

3種抗凍設(shè)計(jì)等級(jí)的水工混凝土在測(cè)試完凍融質(zhì)量損失后，分別進(jìn)行動(dòng)彈性模量測(cè)試，根據(jù)動(dòng)彈性模量變化，并結(jié)合凍融質(zhì)量損失情況，可對(duì)不同抗凍設(shè)計(jì)等級(jí)的水工混凝土在不同降溫終了試件中心溫度條件下的凍融耐久性進(jìn)行評(píng)估。不同凍融循環(huán)次數(shù)下水工混凝土的動(dòng)彈性模量試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同抗凍設(shè)計(jì)等級(jí)水工混凝土的動(dòng)彈性模量變化

從圖2可以看出，F(xiàn)50抗凍設(shè)計(jì)等級(jí)的水工混凝土試件在－30℃降溫終了試件中心溫度條件下經(jīng)過150次凍融循環(huán)后動(dòng)彈性模量?jī)H為初始值的31%，凍融循環(huán)次數(shù)繼續(xù)增加試件被凍斷;當(dāng)降溫終了試件中心溫度降低至－40℃時(shí)，經(jīng)過100次凍融循環(huán)后動(dòng)彈性模量為初始值的30%，凍融循環(huán)次數(shù)繼續(xù)增加試件被凍斷。F100抗凍設(shè)計(jì)等級(jí)的水工混凝土在降溫終了試件中心溫度達(dá)到－40℃時(shí)，經(jīng)過150次凍融循環(huán)后動(dòng)彈性模量為初始值的30%，繼續(xù)凍融試驗(yàn)試件被凍斷。在降溫終了試件中心溫度從－5℃降低到－40℃的過程中，經(jīng)過350次凍融循環(huán)后，F(xiàn)300抗凍設(shè)計(jì)等級(jí)的水工混凝土的動(dòng)彈性模量從初始值的81%下降至39%，表明即使是F300高抗凍設(shè)計(jì)等級(jí)的水工混凝土，隨著凍融降溫終了試件中心溫度的降低，其抗凍性能也下降較快。

2．3 水工混凝土能經(jīng)受的最大凍融循環(huán)次數(shù)

圖3 水工混凝土能經(jīng)受的凍融循環(huán)次數(shù)

按照現(xiàn)行SL352—2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中水工混凝土質(zhì)量損失5%、動(dòng)彈性模量下降至初始值的60%的抗凍性能評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，圖3給出了F50、F100、F300抗凍設(shè)計(jì)等級(jí)的水工混凝土在 －5℃、－10℃、－17℃、－30℃、－40℃等5個(gè)凍融試驗(yàn)降溫終了試件中心溫度條件下能經(jīng)受的最大凍融循環(huán)次數(shù)。

根據(jù)圖3中的試驗(yàn)結(jié)果，低、中、高3種抗凍設(shè)計(jì)等級(jí)的水工混凝土在不同凍融降溫終了低溫條件下能經(jīng)受的最大凍融循環(huán)次數(shù)的演變規(guī)律是一樣的，均是隨著降溫終了試件中心溫度的降低而減少。按照－17℃降溫終了試件中心溫度條件凍融確定的F50抗凍設(shè)計(jì)等級(jí)水工混凝土，在－10℃或－5℃低溫條件下能經(jīng)歷最大凍融循環(huán)次數(shù)在100次以上，而目前處于氣候溫和區(qū)的水利工程很少能經(jīng)歷－17℃低溫條件。而對(duì)于嚴(yán)寒地區(qū)的水利工程而言，即使是依據(jù)－17℃降溫終了試件中心溫度條件凍融確定的F300抗凍設(shè)計(jì)等級(jí)水工混凝土，當(dāng)溫度繼續(xù)降低至－30℃甚至－40℃時(shí)，其能經(jīng)受的最大凍融循環(huán)次數(shù)在200次以下，而目前該氣候區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)－30℃ ～－40℃的低溫條件是完全有可能的。

2．4 機(jī)理分析

水工混凝土的凍融破壞主要是由一定凍結(jié)溫度下結(jié)冰的水和過冷的水引起，結(jié)冰的水產(chǎn)生體積膨脹、過冷的水發(fā)生遷移，這兩種行為均能引起混凝土內(nèi)部孔壓增大，產(chǎn)生破壞。毛細(xì)孔中的含水率超過一定限值時(shí)，凍結(jié)會(huì)產(chǎn)生很大的壓力，該壓力值除了與毛細(xì)孔中的含水率有關(guān)外，還與凍結(jié)速度有關(guān)，5個(gè)凍融降溫終了混凝土試件中心溫度(－5℃、－10℃、－17℃、－30℃、－40℃)對(duì)應(yīng)的降溫速率分別為 6.5℃ /h、9℃ /h、12.5℃ /h、19℃ /h 和 24℃ /h，與之相對(duì)應(yīng)的是水工混凝土抗凍耐久性呈現(xiàn)降溫速率和劣化程度增大的規(guī)律。

另外，在現(xiàn)行－17℃降溫終了混凝土試件中心溫度的標(biāo)準(zhǔn)凍融試驗(yàn)方法中，毛細(xì)孔中的水會(huì)結(jié)冰，凝膠孔水一般處于過冷狀態(tài)，過冷水的蒸氣壓比相同溫度下冰的蒸氣壓要高，由此導(dǎo)致凝膠孔水向毛細(xì)孔中冰的界面滲透的現(xiàn)象，直至達(dá)到平衡狀態(tài)。滲透過程中產(chǎn)生的滲透壓力對(duì)水工混凝土的抗凍耐久性也會(huì)產(chǎn)生影響。在降低降溫終了混凝土試件中心溫度至－30℃甚至－40℃時(shí)，凝膠孔中處于過冷狀態(tài)的水量可能會(huì)比中心溫度為－17℃時(shí)增加，進(jìn)而更多的過冷水發(fā)生滲透遷移現(xiàn)象，大量過冷水的滲透遷移進(jìn)一步導(dǎo)致滲透壓力的增大，這也是降低凍融過程中水工混凝土試件中心溫度后，水工混凝土抗凍耐久性下降的主要原因之一。

3 結(jié)論

a．隨著凍融過程中降溫終了試件中心溫度的降低，F(xiàn)50、F100、F300等3種代表低、中、高不同抗凍設(shè)計(jì)等級(jí)的水工混凝土的質(zhì)量損失、動(dòng)彈性模量損失逐漸增大，水工混凝土能經(jīng)受的最大凍融循環(huán)次數(shù)逐漸減少。

b．按照現(xiàn)行－17℃降溫終了低溫條件凍融方法確定的F50抗凍設(shè)計(jì)等級(jí)水工混凝土，在－10℃或－5℃低溫條件下能經(jīng)歷最大凍融循環(huán)次數(shù)在100次以上;依據(jù)－17℃降溫終了低溫條件凍融方法確定的F300抗凍設(shè)計(jì)等級(jí)水工混凝土，當(dāng)溫度繼續(xù)降低至－30℃甚至－40℃時(shí)，其能經(jīng)受的最大凍融循環(huán)次數(shù)在200次以下。

c．凍融低溫本身對(duì)水工混凝土的抗凍耐久性會(huì)產(chǎn)生影響，主要表現(xiàn)為采用更低的混凝土試件中心溫度后，混凝土凝膠孔中處于過冷狀態(tài)的水量增多，過冷水遷移產(chǎn)生較大滲透壓力，是水工混凝土產(chǎn)生凍融破壞的主要原因之一;另外，凍融過程中的低溫溫降速率對(duì)水工混凝土的抗凍性能也存在一定影響，隨著溫降速率的增大，水工混凝土的劣化程度增大。

［1］中華人民共和國(guó)水利部，中華人民共和國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局．第一次全國(guó)水利普查公報(bào)［R］．北京:中國(guó)水利水電出版社，2013．

［2］中華人民共和國(guó)科學(xué)技術(shù)部，中國(guó)氣象局，國(guó)家環(huán)?？偩郑龋畾夂蜃兓瘒?guó)家評(píng)估報(bào)告［R］．北京:科學(xué)出版社，2009．

［3］李金玉，曹建國(guó)，徐文雨，等． 混凝土凍融破壞機(jī)理的研 究［J］． 水利學(xué)報(bào)， 1999， 30( 1) : 41-49． ( LI Jinyu，CAO Jianguo，XU Wenyu，et al． Study on the mechanism of concrete destruction under frost action ［J］． Journal of Hydraulic Engineering，1999，30(1):41-49．(in Chinese))

［4］嚴(yán)佳川，鄒超英．凍融循環(huán)作用下混凝土材料壽命評(píng)估方法［J］．哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011(6):11-15．(YANG Jiachuan，ZOU Chaoying．Evaluation method of the service life of concrete under the freeze-thaw action［J］．Journal of Harbin Institute of Technology，2011(6):11-15．(in Chinese))

［5］劉艷霞，陳改新，魯一暉．大壩全級(jí)配混凝土抗凍性的試驗(yàn)研究［J］．水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2011，30(1):139-143．(LIU Yanxia，CHEN Gaixin，LU Yihui．Research on the frostresistance of dam concrete ［J］．Journalof Hydroelectric Engineering，2011，30(1):139-143．(in Chinese))

［6］蔣林華，那彬彬，周曉明，等．凍融與碳化交替作用下的混凝土性能試驗(yàn)［J］．水利水電科技進(jìn)展，2012，32(4):33-36．(JIANG Linhua，NA Binbin，ZHOU Xiaoming，et al．Tests for properties of concrete under alternate freeze-thaw and carbonation actions［J］．Advances in Science and Technology of Water Resources，2012，32(4):33-36．(in Chinese))

［7］于孝民，任青文．凍融循環(huán)作用下普通混凝土斷裂能試驗(yàn)［J］．河海大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，38(1):80-82．(YU Xiaoming，REN Qingwen．Fracture release energy for ordinary concrete with freeze-thaw cycles［J］．Journal of Hohai University:Nature Sciences，2010，38(1):80-82．(in Chinese))

［8］KEVERN J T，ASCE M．Effect of coarse aggregate on the freeze-thaw durability of previous concrete［J］．Journal of Materials in Civil Engineering，2010，22:469-475．

［9］HANJARIKZ，UTGENANNTP，LUNDGRENK．Experimental study of the material and bond properties of frost damaged concrete［J］．Cement Concrete Research，2011，41(3):244-250．

［10］陸采榮，梅國(guó)興，戈雪良，等．極端氣候?qū)λそㄖ牧系挠绊懀跼］．南京:南京水利科學(xué)研究院，2013．