李 洋

（北票市農(nóng)村飲水工程建設(shè)管理站，遼寧 北票 122100）

調(diào)查顯示，中國(guó)已建成9.8萬余座各類水庫，總庫容達(dá)到9300億m3，廣泛分布于各個(gè)地區(qū)，不同地區(qū)的氣候環(huán)境和水庫承受的凍融循環(huán)次數(shù)具有明顯差異[1]。針對(duì)中國(guó)21世紀(jì)20年代、50年代、80年代平均氣溫《氣候變化國(guó)家評(píng)估報(bào)告》預(yù)估將升高1.2℃、2.2℃、3.2℃[2]，受凍融作用的水工構(gòu)筑物區(qū)域劃分將因氣溫變化發(fā)生相應(yīng)的改變，總體上使得南北分界線北移，這很可能導(dǎo)致水工構(gòu)筑物受凍融次數(shù)的明顯增加，加速凍融破壞作用。此外，氣候變換使得極端天氣頻發(fā)，特別是地區(qū)的水工混凝土將因極端低溫的出現(xiàn)面臨更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

當(dāng)前，水工混凝土主要是在8℃±2℃的高溫和-17℃+2℃的低溫終了溫度條件下進(jìn)行凍融試驗(yàn)，從而評(píng)價(jià)其抗凍性能[3]。一般遵循以下原則設(shè)計(jì)抗凍等級(jí)：設(shè)計(jì)最冷月溫度＜-10℃的嚴(yán)寒區(qū)抗凍等級(jí)達(dá)到F300，設(shè)計(jì)溫度＞-3℃的溫和區(qū)抗凍等級(jí)F100或F50。對(duì)于水工混凝土抗凍耐久性國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者開展了深入研究，并取得豐碩的成果[4-6]。借鑒調(diào)研資料[7]，我國(guó)華北、西北、東北地區(qū)最冷月極端平均低溫達(dá)到-32.7℃，南方地區(qū)為-8.4℃。針對(duì)最冷月氣溫條件和現(xiàn)行試驗(yàn)方法、抗凍耐久性設(shè)計(jì)原則，本研究設(shè)計(jì)F50、F150、F300的水工混凝土，設(shè)定-50℃、-30℃、-15℃、-10℃、-5℃五個(gè)降溫終了溫度開展凍融循環(huán)試驗(yàn)，探討了不同抗凍等級(jí)不同凍融溫度條件下各組試樣的抗凍性能。

1 試驗(yàn)方法

1.1 原材料準(zhǔn)備

膠凝材料選用海螺P·O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，礦物摻合料選用鞍山成達(dá)電廠生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰；粗、細(xì)骨料選用細(xì)度模數(shù)2.7的天然河砂和粒徑5～30mm連續(xù)級(jí)配的灰?guī)r人工碎石；外加劑選用Air-202引氣劑和蘇博特PCA?-Ⅰ聚羧酸高效減水劑，拌合水選用當(dāng)?shù)刈詠硭?。?jīng)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，外加劑、粉煤灰、水泥的各性能參數(shù)和品質(zhì)指標(biāo)均符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求，適用于抗凍耐久性試驗(yàn)研究。

1.2 試驗(yàn)配合比

根據(jù)氣候溫和區(qū)、氣候嚴(yán)寒區(qū)抗凍等級(jí)具體要求，以體積含氣量和配合比為變量，合理設(shè)計(jì)F50、F150、F300的混凝土試樣，經(jīng)測(cè)試實(shí)際含氣量依次為2.6%、3.5%、5.6%，試驗(yàn)配合比，見表1。

表1 試驗(yàn)配合比 kg/m3

1.3 試驗(yàn)方法

水工混凝土成型、養(yǎng)護(hù)等試驗(yàn)操作嚴(yán)格按現(xiàn)行規(guī)范執(zhí)行，試驗(yàn)儀器主要選用GDJS-800氣候模擬系統(tǒng)，控制試樣中心溫度處于-70～150℃之間，控制精度0.1℃，波動(dòng)度±0.5℃，恒溫時(shí)間、降溫速度等參數(shù)可通過系統(tǒng)程序控制。

設(shè)定試件中心降溫終了低溫有-50℃、-30℃、-15℃、-10℃、-5℃，統(tǒng)一降溫歷時(shí)2h，試件中心升溫終了溫度8℃，統(tǒng)一升溫歷時(shí)1h。經(jīng)多次凍融循環(huán)，依次用電子天平(精度5g)、動(dòng)彈性模量測(cè)定儀測(cè)定水工混凝土質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈模量，以此科學(xué)評(píng)估混凝土的抗凍耐久性能。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 凍融質(zhì)量損失率

經(jīng)多次凍融循環(huán)，在-50℃、-30℃、-15℃、-10℃、-5℃五種降溫終了溫度下F50、F150、F300的水工混凝土質(zhì)量損失率， 凍融質(zhì)量損失率變化曲線，見圖1。

圖1 凍融質(zhì)量損失率變化曲線

由圖1可知，水工混凝土的質(zhì)量損失率隨著凍融試驗(yàn)降溫終了溫度的減小而增大，凍融循環(huán)達(dá)到200次后，降溫終了溫度從-5℃逐漸減小到-50℃，F(xiàn)50、F150中低抗凍等級(jí)的試樣質(zhì)量損失率從2.4%、2.0逐漸提高到12.1%、9.1%；凍融循環(huán)達(dá)到350次后，F(xiàn)300高抗凍等級(jí)的試樣質(zhì)量損失率從0.5%逐漸提高到7.6%。

2.2 動(dòng)彈性模量變化

完成凍融質(zhì)量損失測(cè)試后，利用儀器測(cè)定3種抗凍等級(jí)的混凝土試樣相對(duì)動(dòng)彈模量，相對(duì)動(dòng)彈模量變化曲線，見圖2。然后結(jié)合測(cè)試結(jié)果和凍融質(zhì)量損失情況評(píng)估不同降溫終了溫度下各不同抗凍等級(jí)水工混凝土凍融耐久性。

圖2 相對(duì)動(dòng)彈模量變化曲線

由圖2可知，經(jīng)150次凍融循環(huán)后在-30℃降溫終了溫度下F50水工混凝土試件的動(dòng)彈模量只有初始值的30.6%，持續(xù)凍融循環(huán)混凝土試件發(fā)生凍裂破壞；凍融循環(huán)達(dá)到100次后在-50℃降溫終了溫度下的動(dòng)彈模量只有初始值的30.1%，持續(xù)凍融混凝土試件發(fā)生凍裂破壞。凍融循環(huán)達(dá)到經(jīng)150次后在-50℃降溫終了溫度下F150水工混凝土試件的動(dòng)彈模量只有初始值的28.4%。經(jīng)350次凍融循環(huán)后，在降溫終了溫度從-5℃不斷減小到-50℃時(shí)過程中F300水工混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量從最初的80.0%逐漸下降到38.5%，表明隨著凍融降溫終了溫度的減小F300高抗凍等級(jí)的水工混凝土抗凍性能也快速下降。

2.3 最大凍融循環(huán)次數(shù)

以水工混凝土動(dòng)彈模量減小到初始值的60%、質(zhì)量損失達(dá)到5%為評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，在降溫終了低溫-50℃、-30℃、-15℃、-10℃、-5℃條件下，抗凍等級(jí)F50、F150、F300水工混凝土能夠經(jīng)受的最大凍融循環(huán)次數(shù)，最大凍融循環(huán)次數(shù)，見圖3。

圖3 最大凍融循環(huán)次數(shù)

從圖3可以看出，在不同降溫終了低溫條件下高、中、低3種抗凍等級(jí)水工混凝土能夠承受的最大凍融循環(huán)次數(shù)變化規(guī)律基本一致，隨著降溫終了溫度的下降最大凍融循環(huán)次數(shù)均逐漸減小。根據(jù)降溫終了溫度-17℃條件下確定的F50抗凍等級(jí)，在-5℃或-10℃低溫下能夠承受的最大凍融次數(shù)可以達(dá)到100次，而實(shí)際上溫和區(qū)的水工構(gòu)筑物很少處于-17℃的低溫環(huán)境。對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)而言，即使依據(jù)降溫終了溫度-17℃條件下的F300抗凍等級(jí)，而溫度繼續(xù)減小到-30℃乃至-50℃時(shí)，水工混凝土能夠承受的最大凍融次數(shù)也只有200次，實(shí)際工程中達(dá)到-30～-50℃的低溫環(huán)境也是比較常見的。

2.4 作用機(jī)理分析

實(shí)際上，凍融破壞就是一定低溫下過冷的水和結(jié)冰的水所引起的體積膨脹及遷移，從而增大了內(nèi)部孔壓，致使水工混凝土發(fā)生破壞[8-9]。當(dāng)毛細(xì)孔含水率達(dá)到特定界限值時(shí)，結(jié)冰就會(huì)形成巨大的壓力，該壓力值主要與凍結(jié)速度、毛細(xì)孔含水率等因素相關(guān)，試驗(yàn)過程中-50℃、-30℃、-15℃、-10℃、-5℃五個(gè)凍融降溫終了溫度的降溫速率依次為24℃/h、18℃/h、12℃/h、9℃/h、6℃/h，宏觀上表現(xiàn)出水工混凝土劣化程度和降溫速度逐漸增大的變化特征。

此外，在凍融試驗(yàn)降溫終了溫度-17℃的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中，由于凝膠孔和毛細(xì)孔中的水處于過冷或者結(jié)冰狀態(tài)，相同溫度下過冷水明顯高于冰的蒸氣壓，使得凝膠孔水向冰界面滲透直至處于平衡，該過程形成的滲透壓力也會(huì)影響其抗凍耐久性。在降溫終了溫度降低到-30℃、-50℃時(shí)，較降溫終了溫度-17℃時(shí)可能凝膠孔中處于過冷狀態(tài)的水量會(huì)明顯增多，從而使得發(fā)生滲透遷移的過冷水量更多，并進(jìn)一步加大了滲透壓力，這也是減小降溫終了溫度會(huì)使得抗凍耐久性下降的重要原因之一。

3 結(jié) 論

1）F300、F150、F50抗凍等級(jí)水工混凝土的動(dòng)彈模量損失、質(zhì)量損失均隨著降溫終了溫度的降低而增大，凍融過程中能夠承受的最大凍融次數(shù)也不斷減小。

2）降溫終了溫度-17℃條件下確定的F50抗凍等級(jí)，在-5℃或-10℃低溫下能夠承受的最大凍融次數(shù)可以達(dá)到100次；依據(jù)降溫終了溫度-17℃條件下的F300抗凍等級(jí)，溫度繼續(xù)減小到-30℃乃至-50℃時(shí)，水工混凝土能夠承受的最大凍融次數(shù)也只有200次。

3）水工混凝土抗凍耐久性受凍融低溫自身的影響較大，主要表現(xiàn)為減小降溫終了溫度會(huì)使得凝膠孔中處于過冷狀態(tài)的水量明顯增多，過冷水遷移形成的滲透壓力是造成混凝土凍融破壞的重要原因之一；此外，水工混凝土抗凍性能還受凍融時(shí)低溫溫降速率的影響，溫降速率越高則劣化程度越大。