謝 劍，吳洪海

（天津大學a.建筑工程學院；b.濱海土木工程結構與安全教育部重點實驗室，天津 300072）

隨著中國對LNG和LPG產(chǎn)業(yè)的發(fā)展越來越重視、西部大開發(fā)戰(zhàn)略和東北老工業(yè)基地振興計劃的實施、海洋環(huán)境下的浮動碼頭建設的開展，低溫深冷環(huán)境下的土木工程建設正在興起。混凝土、預應力混凝土結構的設計建設已步入一個新的高度和領域，也不可避免遇到一系列新問題，超低溫凍融循環(huán)作用對混凝土的影響便是其中之一。

國內(nèi)，凍融循環(huán)對混凝土影響僅作為一個耐久性課題，大多集中于常溫到－30℃左右的循環(huán)作用［1－6］，由于受到工程背景、技術設備條件的限制，超低溫凍融循環(huán)下混凝土性能研究幾乎是空白；國外，歐美、日本等幾個發(fā)達國家通過一系列試驗研究已取得了大量研究成果：美國學者Monfor提出，飽和硅酸鹽水泥混凝土經(jīng)12次凍融循環(huán)，在最低溫度為－30℃、－70℃、－170℃時抗壓強度分別降低50%、60%和55%，抗拉強度降低60%、70%和70%，常溫～－70℃的循環(huán)作用對混凝土損傷最大［7－8］。文獻［9］中提到，20 ℃～－196℃凍融循環(huán)3次，混凝土抗壓強度降低50%，彈性模量降低90%。文獻［8－11］中提到，隨著凍融次數(shù)的增多、循環(huán)時最低溫度的降低、水膠比的提高、環(huán)境含水量的增大，凍融損傷的程度越嚴重，而含氣量的增加對抗凍性是有利的。此外降溫速率對凍融損傷的程度也有較大的影響，降溫速率提高會加重損傷的程度，降溫速率降低70%時，混凝土的損傷程度明顯降低［11－13］。

由于地理條件、試驗條件差異等原因，國外的研究資料不能直接用于國內(nèi)低溫混凝土的設計與應用。本試驗利用低溫冰箱和超低溫液氮環(huán)境箱實現(xiàn)了常溫到－180℃范圍內(nèi)快速降溫，通過對比不同強度等級的混凝土強度凍融前后外觀變化、強度損失及SEM電鏡下混凝土材料微觀結構的變化，以研究超低溫凍融循環(huán)作用對混凝土性能的影響程度及凍融損傷的機理，并與已有研究成果進行對比分析。

1 試件設計和試驗方法

1.1 試件設計

本試驗水泥采用天津水泥實業(yè)公司生產(chǎn)的P.O.42.5級水泥，細骨料為中砂，粗骨料為連續(xù)級配的碎石，最大粒徑為25mm。試塊尺寸均為150×150×150mm3，試驗參數(shù)包括凍融循環(huán)次數(shù)、循環(huán)時的最低溫度、水膠比及外界環(huán)境的濕度，共設計24組試件，每組3個，主要觀察凍融循環(huán)前后混凝土外觀變化，量測其抗壓和劈裂強度，并收集殘樣，在SEM掃描電鏡下觀察其微觀結構的變化，進而以探究超低溫凍融循環(huán)作用對混凝土強度的損傷機理。試件的施工配合比見表1，其中C60混凝土加入高效減水劑，1m3混凝土摻量為1.6kg。

表1 1m3混凝土的施工配合比

1.2 降溫及回溫

試驗采用低溫冰箱和超低溫液氮環(huán)境箱兩種降溫設備。－80℃以上，采用冰箱降溫；－80℃～－180℃之間，為提高降溫效率，采用液氮物理降溫，降溫過程中，定時監(jiān)測試塊的溫度。測溫設備為鉑金溫度傳感器，其預先埋入混凝土試塊中央，并通過LU－906M智能調(diào)節(jié)儀顯示［14］。

參照《普通混凝土長期性和耐久性試驗方法》GB／T 50082—2009，試驗前，混凝土試塊浸泡水中4d，擦干降溫；降到設定溫度后，將試塊泡入水中回溫48h，回溫時保證水面至少沒入試塊上表面20mm。為考慮環(huán)境濕度的影響，部分試塊采用自然回溫。試驗過程中發(fā)現(xiàn)，10次凍融循環(huán)作用后，C30試塊混凝土邊角砂漿脫落，骨料外露，表面產(chǎn)生了很多裂紋，且其受到的損傷有隨溫度的降低而加大的趨勢，如見圖1所示。

圖1 C30混凝土凍融10次前后表面對比

2 試驗結果和分析

2.1 混凝土強度的影響

試驗參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》GB／T 50081—2002，在天津大學建材實驗室進行。凍融循環(huán)作用后，試件強度離散性變大，分析認為，超低溫凍融循環(huán)作用將放大混凝土初始缺陷，對于初始缺陷較多的試件，水分遷徙和凍脹時將產(chǎn)生更大的損傷，從而在較少的循環(huán)次數(shù)下產(chǎn)生更大的破壞作用（見表2）。

表2 各組試件實測強度平均值強度

從圖2中可以看出，10次循環(huán)作用下，C30混凝土抗壓強度在－40℃、－80℃分別降低11.8%、26.3%；C40混凝土在－40℃、－80℃抗壓強度分別降低13.2%、20.9%。與常規(guī)的常溫～－40℃的凍融循環(huán)相比，常溫～－80℃時損傷作用要增加1倍甚至更高，且凍融循環(huán)作用產(chǎn)生的損傷有隨著溫度降低而加大的趨勢，超低溫凍融循環(huán)對混凝土的影響不容忽視。

相對于抗壓強度，凍融循環(huán)作用對抗拉強度影響更大，常溫～－80℃凍融循環(huán)，C30、C40、C60混凝土抗拉強度分別降低41.2%、29.2、9.4%，是相同條件混凝土抗壓強度損失率的1.5倍?？梢?，凍融循環(huán)作用下，對混凝土孔徑結構分布和內(nèi)部缺陷更敏感的抗拉強度受到的不利影響更嚴重。

超低溫－120℃、－160℃的試驗組，試驗僅做3次循環(huán)。從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，與低溫下的凍融循環(huán)作用相似，超低溫凍融循環(huán)作用對抗拉強度影響更大。常溫～－120℃，C40混凝土抗拉強度降低33%，而對抗壓強度的影響較小，僅為9.4%。分析認為，液氮降溫速率快，尤其是降溫過程中，混凝土材料由外向內(nèi)會產(chǎn)生很大的溫度梯度，從而引起很大的溫度應力，在循環(huán)次數(shù)較少的情況下，損傷主要來源于快速降溫和回溫所產(chǎn)生的溫度應力。

從圖2和圖3中，可以看出，在相同的條件下，混凝土的強度損失隨強度等級的提高而減小。尤其是C60混凝土，試件水膠比小，且添加了高效減水劑，經(jīng)較少次數(shù)循環(huán)后，強度變化不大，抗拉強度甚至略有提高。這是因為混凝土強度等級越高，水膠比越小，水泥基材料硬化和混凝土養(yǎng)護過程中所產(chǎn)生的缺陷越少，相應地，凍融循環(huán)作用下外界環(huán)境中水分向內(nèi)遷徙和凍脹作用所產(chǎn)生的損傷也會大大減弱。

圖2 10次循環(huán)混凝土強度與循環(huán)時最低溫度關系

圖3 3次循環(huán)混凝土強度與循環(huán)時最低溫度關系

2.2 混凝土微觀結構影響

SEM掃描電鏡試驗可以從微觀結構層面解釋超低溫凍融循環(huán)作用損傷機理。作為一種疏松多孔材料，混凝土抗拉強度較低。降溫過程中，隨著溫度的降低，尤其是到－78℃以下時，混凝土材料中內(nèi)部自由水、吸附水和部分小孔徑毛細水凍結膨脹，擠壓孔壁使混凝土產(chǎn)生細微裂縫；回溫融化后裂縫不會閉合，作為一種缺陷存在。隨著循環(huán)次數(shù)的增多，混凝土砂漿孔徑逐漸增大，裂縫將不斷深入，進一步為外界環(huán)境水分的遷徙和下一步更大的凍脹作用提供了更有利的條件，從而加劇混凝土破壞過程。同時，超低溫凍融循環(huán)常伴隨著較高降溫速率所產(chǎn)生的溫度應力，使混凝土受力更為復雜，在多應力場作用下加速破壞進程。

以上多因素的綜合作用造成其強度、彈性模量的降低，直至表面開裂、邊角剝蝕脫落等宏觀現(xiàn)象，而微觀結構特別是孔徑分布的變化是混凝土強度、質(zhì)量等宏觀量值改變的根本原因［15－16］。SEM電鏡試驗試樣取自各組試塊強度試驗后殘樣，以下是各混凝土砂漿試樣經(jīng)過表面噴金處理后，在5000倍SEM電鏡下的微觀形態(tài)。

分析圖4和圖5可知，與凍融前或常溫～－40℃的凍融作用相比，C30、C40混凝土在常溫～－80℃，C40試塊在常溫～－160℃的凍融循環(huán)作用下，水泥水化而成的凝膠產(chǎn)物均呈現(xiàn)出絲狀，在若干次水分凍脹作用后凝膠被撕扯的痕跡隨著循環(huán)時最低溫度的下降變得更為明顯；相應地，混凝土材料孔徑結構均發(fā)生了明顯的變化，原有的獨立分布小孔在凍融循環(huán)后，逐漸貫穿、連通，形成了更大的孔徑，繼而逐漸演變成為毛細孔。而宏觀上則表現(xiàn)為材料逐漸疏松，缺陷加大，質(zhì)量減小等，從而造成其抗壓、抗拉強度的降低。

圖4 C30混凝土凍融前后的微觀結構對比

圖5 C40混凝土凍融前后微觀結構對比

分析圖6可知，相比C30和C40混凝土，水膠比小且添加了高效減水劑的C60混凝土，由于其抗拉強度較高且試件存在的初始缺陷少，因此凍融循環(huán)過程中水分的遷徙會受到很大的抑制，經(jīng)歷相同條件和相同次數(shù)的凍融作用后，混凝土砂漿表面仍然很致密，孔徑結構分布與凍融前變化不大。

圖6 C60混凝土凍融前后微觀結構對比

此外對比自然回溫的C30混凝土，泡水回溫后混凝土孔徑變化更明顯?？梢娡饨绛h(huán)境的濕度對凍融循環(huán)作用下混凝土的性能也有較大的影響。

綜合凍融循環(huán)前后混凝土的外觀變化情況及各組混凝土強度試驗和SEM掃描電鏡的試驗結果，可以得出：超低溫凍融循環(huán)作用下，隨著凍融次數(shù)的增加、循環(huán)時最低溫度下降、水膠比及使用環(huán)境中含水量的增大，混凝土損傷作用有加大的趨勢。這與文獻［17］中提出的結論是相符的。

3 結 論

1）較常規(guī)凍融循環(huán)，超低溫凍融循環(huán)損傷作用更大，－80℃時大約增加1倍，且損傷程度有隨溫度的降低而加重的趨勢。

2）超低溫凍融循環(huán)對低標號、水膠比較大、初始缺陷較多的C30、C40混凝土損傷作用較大；在循環(huán)次數(shù)較少的情況下，對高標號C60混凝土影響相對較小。

3）較抗壓強度或使用環(huán)境濕度不大的混凝土結構，超低溫凍融循環(huán)對混凝土抗拉強度和含水量較大的結構的影響更為顯著。

4）環(huán)境中或?qū)﹂_裂及防滲有特殊要求的結構，有必要采取更嚴格的措施削弱超低溫凍融循環(huán)作用的不利影響。

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