李中田 ，馮 林，高 峰 ，雷秀玲 ，李艷萍，黃如卉

（1.中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林 長春 130061；2.中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610000）

抗凍性能是混凝土諸多耐久性指標的集中體現(xiàn)，凍融破壞是影響寒區(qū)水工建筑物結構耐久性的主要因素。一般認為，凍融破壞是由于混凝土受凍使表層孔隙水結冰，擠壓未受凍水向混凝土內部移動產生壓力，同時由表及里逐漸結冰時水分的體積增加又產生膨脹壓力，在液體壓力和膨脹壓力反復作用下，混凝土表面剝落破壞，內部微裂紋增加，結構疏松最終導致破壞。

1 試驗方案

1.1 試驗原材料

試驗選用的水泥為P.MH42.5級水泥；摻合料選用Ⅱ級粉煤灰；粗、細骨料分別是天然卵石和天然砂；外加劑選擇北京中水科海利公司生產的SK-2型緩凝高效減水劑、SK-H型引氣劑。

對這次試驗所選用的混凝土原材料進行品質檢驗，檢測結果顯示，原材料各項性能指標滿足相應國標及DL/T5144-2006《水工混凝土施工規(guī)范》技術要求。

1.2 試驗配合比

試驗選用水膠比分別為0.50，0.45，0.40的3個二級配碾壓混凝土配合比，進行兩種方法凍融試驗，配合比具體參數(shù)見表1。

碾壓混凝土抗凍試件按DL/T5433-2009《水工碾壓混凝土試驗規(guī)程》確定的試驗方法成型，成型過程中混凝土拌和物含氣量控制在3%～5%。

表1 混凝土配合比

1.3 試驗儀器

試驗在中水東北勘測設計研究有限責任公司科研院進行，儀器設備：CDR-3型混凝土凍融試驗機、德國史來賓格公司生產的CDF單面凍融試驗機、NM-4A型非金屬超聲波儀和超聲波清洗器等。

2 試驗方法及結果分析

利用文中前述混凝土配合比成型抗凍試件，分別采用水、鹽溶液（97%蒸餾水和3%Nacl配制而成）為凍融介質，進行全浸快速凍融和單面凍融試驗，并對試驗結果對比分析。

2.1 試驗方法

2.1.1 快速凍融法

混凝土快速凍融試驗采用CDR-3型凍融試驗機，根據(jù)SL352-2006《水工混凝土試驗規(guī)程》進行。抗凍試件為100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體，到達試驗齡期前4 d，將試件在（20±2）℃的水中浸泡，然后進行試驗。試驗中，每次凍融循環(huán)降溫和升溫終了時，試件中心溫度分別控制在（-17±2）℃和（8±2）℃，凍融一次周期不超過 4 h。

試驗出現(xiàn)以下3種情況之一即停止：

1）凍融至預定的循環(huán)次數(shù)。

2）相對動彈性模量下降至初始值的60%。

3）質量損失率達5%。

2.1.2 單面凍融法

單面凍融試驗采用德國史萊賓格公司生產的CDF單面凍融試驗機，依據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行。制作試件時，采用150 mm×150 mm×150 mm的立方體試模，試件成型后，先在空氣中帶模養(yǎng)護48 h，脫模后放在（20±2）℃水中養(yǎng)護至7 d齡期，切割成150 mm×110 mm×70 mm規(guī)格的試件，然后放入標準養(yǎng)護室養(yǎng)護至試驗齡期。凍融循環(huán)前，采用涂有異丁橡膠的鋁箔對試件的側面進行密封。

單面凍融試驗一個周期為12 h。每4次凍融循環(huán)后進行1次測試，測試過程包括超聲波清洗試件，過濾剝落物，超聲波波速測試等。

試驗出現(xiàn)下列情況之一時停止試驗：

1）達到28次凍融循環(huán)時。

2）試件單位表面面積剝落物總質量大于1500 g/m2時。

3）試件的超聲波相對動彈性模量降低到80%時。

2.2 試驗結果分析

混凝土快速凍融試驗（水凍、鹽凍）結果見表2；混凝土單面凍融試驗（水凍、鹽凍）結果見表3。

由表2試驗結果可見，采用水或鹽溶液為介質的快速凍融試驗，隨著凍融次數(shù)增加，均呈現(xiàn)質量損失增大、相對動彈模降低的規(guī)律。經分析得出：經歷200次快凍循環(huán)后，水凍試件表面水泥凈漿大部分剝落，砂粒裸露，但砂漿依然包裹骨料，未見大范圍骨料裸露。鹽凍試驗條件表現(xiàn)比水凍更嚴酷，鹽凍試件表面砂漿嚴重剝落，大骨料裸露。根據(jù)此次試驗結果，按快凍等級評價標準進行評定，同一配合比試件，能承受鹽凍的能力比水凍少100～150次循環(huán)。采用鹽凍評定試件抗凍性，節(jié)約試驗時間14～21 d左右。

表2 混凝土全浸快速凍融試驗結果表

表3 混凝土單面凍融試驗結果表

這次試驗數(shù)據(jù)顯示，當快凍質量損失達5%以上時，相對動彈性模量仍未降至60%以下，說明快速凍融試驗對混凝土表面的破壞遠大于對混凝土內部的破壞。

表3試驗結果顯示，單面凍融試驗，無論采用水或鹽溶液為介質，均符合隨著凍融次數(shù)增加表面剝落物增多，相對動彈模降低的規(guī)律，水膠比越大，相同凍融循環(huán)次數(shù)的剝落物總質量越大。經分析得出：經歷4次單面凍循環(huán)后，水凍試件表面只有少部分水泥凈漿剝落；鹽凍試件表面凈漿完全剝落、大部分砂漿剝落、大骨料裸露、混凝土表面凸凹不平，鹽凍試驗條件明顯表現(xiàn)比水凍更嚴酷。本次試驗結果顯示，凍融8～12次后，水膠比分別為0.40，0.45，0.50的3個配合比的單面鹽凍試件表面剝落物質量均達到停止試驗的規(guī)定，而水凍試件進行24次凍融循環(huán)后，依然距停止試驗標準甚遠，說明采用單面鹽凍迅速加快了試驗進度。

單面凍融試驗中介質只與試件底面接觸，主要通過毛細管吸附進入試件。凍融試驗后試件結構所受損傷只是局限在試件與鹽溶液接觸面部位，與常規(guī)全部浸水的快速凍融試驗相比，單面鹽凍混凝土內部損傷比混凝土快凍損傷小。此次試驗數(shù)據(jù)顯示，當單面凍試驗剝落物總質量達到停止試驗標準時，試件相對動彈性模量仍在93%以上，說明與快速凍融相比，單面凍融試驗更集中在混凝土表面的破壞，試件單位測試面剝落物總質量是反映混凝土抗鹽凍剝蝕破壞能力最直觀的指標，可作為評價碾壓混凝土抗鹽凍性能好壞的主要指標。而混凝土相對彈性模量損失率對試件中孔隙生長、擴展等內部結構損傷程度較為敏感，可作為評定碾壓混凝土單面抗鹽凍性能的參考指標。

表4 混凝土凍融試驗結果對比表

根據(jù)表4的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，兩種凍融介質、兩種試驗方法確定的四類試驗結果表明，判定同一配合比混凝土的凍融破壞時間具有如下關系：單面水凍大于全浸水凍，大于全浸鹽凍，大于單面鹽凍。鹽溶液加速了混凝土冰凍破壞過程，可以考慮采用鹽凍試驗方法快速檢測現(xiàn)場碾壓混凝土抗凍性能。

3 結論

1）進行兩種凍融介質（鹽凍、水凍）全面浸水快速凍融試驗對比，研究結果顯示，鹽溶液加快了混凝土受凍破壞速度，縮短了試驗周期。

2）進行兩種凍融介質（鹽凍、水凍）單面凍融試驗對比，研究結果顯示，單面水凍對混凝土破壞緩慢，不能在規(guī)定的24次循環(huán)內判定試件抗凍性；單面鹽凍可以在短時間內判定混凝土抗凍性。

3）兩種凍融介質，兩種試驗方法確定的四類試驗結果表明，判定同一配合比混凝土的時間具有如下關系：單面水凍＞全浸水凍＞全浸鹽凍＞單面鹽凍。

4）評價混凝土的抗凍性應對使用環(huán)境進行分類，根據(jù)不同環(huán)境采取不同的抗凍措施。環(huán)境擬實化、條件嚴酷化、測試周期快捷化是混凝土抗凍性試驗方法的主要發(fā)展方向。

[1]劉中林，趙振祥，馮金東.混凝土凍害研究與防凍施工[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011，5.

[2]楊彥克，陳改新.混凝土工程耐久性研究和應用[M].成都：西南交通大學出版社，2006.10.

[3]李中華，巴恒靜，鄧宏偉.混凝土抗凍性評價方法及評價參數(shù)的研究評述[J].混凝土，2006（6）：9-11.

[4]吳小立，張偉平，黃慶華，等.凍融和除冰鹽作用下混凝土劣化試驗方法評述[J].結構工程師，2009（2）.