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，天津 300401）

0 引言

大量的工程病害已經(jīng)表明，我國混凝土結構存在“南銹北凍”的耐久性破壞特征。位于北方地區(qū)的混凝土結構，在運營一段時間后，經(jīng)常出現(xiàn)由于凍融循環(huán)作用導致混凝土保護層剝落、鋼筋外露等現(xiàn)象。在我國北方地區(qū)，冬季海港及海水建筑物，水位變動區(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《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》[1]在評價混凝土處于單面不飽水鹽溶液凍融情況下的抗凍性能時，評價指標不明確。鑒于目前混凝土抗凍機理研究仍不完善的研究現(xiàn)狀[2]，評價指標不明確很可能導致人們對混凝土單面抗凍性能做出不一致的評價。本文以鹽溶液中凍融作為試驗條件，研究混凝土單面凍融劣化過程中超聲波相對動彈性模量、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價指標的確定提供參考。

1 試件設計

1.1 設計條件

混凝土試塊設計條件為：1）一般港口工程結構混凝土，安全等級為二級；2）永久性港口建筑物，設計使用年限為50 a；3）天津地區(qū)，混凝土結構碼頭，海水環(huán)境，最冷月月平均氣溫-4～-8℃；4） 浪濺區(qū)、水位變動區(qū)混凝土；5） 混凝土強度等級為C30～C50；6） F300抗凍混凝土。

1.2 設計配合比

考慮上述設計條件，按照JTS 202—2011《水運工程混凝土施工規(guī)范》相關規(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；細骨料為綏中河砂，細度模數(shù)2.9；粗骨料產(chǎn)自天津薊縣，連續(xù)級配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《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》[1]每個配比成型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，按照抗凍等級要求，成型混凝土試塊；試塊成型后，帶模自然養(yǎng)護（24±2）h，然后將試塊脫模并置于（20±2）℃水中養(yǎng)護至7 d齡期。

2）在水中養(yǎng)護至7 d齡期后，使用混凝土切割機切除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測試面。

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

2.2 凍融循環(huán)制度

試驗選用北京首瑞測控技術有限公司生產(chǎn)的CDF-10B型混凝土單面凍融試驗機。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個凍融循環(huán)，在（20±2）℃的恒溫室中測試1次試塊的剝落物質量和超聲波相對傳播時間[2]。試驗腐蝕介質為取自天津港的海水，經(jīng)試驗室檢測，NaCl的濃度為3.5%。

2.3 試驗終止條件

當凍融循環(huán)出現(xiàn)下列情況之一時，可停止試驗：1） 達到28次凍融循環(huán)；2） 試塊單位表面面積剝落物總質量大于1 500 g/m2；3） 試塊的超聲波相對動彈性模量降低到80%。

3 試驗結果及分析

3.1 試塊單面凍融性能分析

為便于分析，分別計算各組試塊單位表面剝落物總質量損失率和超聲波相對動彈性模量損失率（圖1、圖2）。從試驗結果可以看出：

圖1 質量損失率試驗結果Fig.1 Test resultsofmass loss rate

圖2 超聲波相對動彈性模量損失率試驗結果Fig.2 Test resultsof ultrasonic relative dynam ic elastic modulus loss rate

1） 試塊抗凍設計等級為F300，所有試塊均因達到28次凍融循環(huán)而終止試驗。所以，若以試塊單位表面面積剝落物總質量大于1 500 g/m2或超聲波相對動彈性模量降低到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]，以水工建筑物設計使用年限50 a計，室內(nèi)1次單面凍融相當于自然條件下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。水膠比是混凝土設計的一個重要參數(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。從測試的結果來看，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計特征。

3.2 評價指標比較

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

1）現(xiàn)已經(jīng)有很多假說解釋混凝土的凍融破壞機理[4-5]。實際上，混凝土凍融破壞時可能是各種假說破壞作用綜合所致。超聲波相對動彈性模量損失率、單位表面剝落物總質量損失率都能反映混凝土結構的劣化。

2）超聲波相對動彈性模量損失率可在無損檢測狀態(tài)下反映混凝土內(nèi)部劣化的總體發(fā)展趨勢，單位表面剝落物總質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)場檢測中，往往無法準確測得剝落物質量，所以，單位表面剝落物總質量損失率很難反映實體混凝土的凍融破壞程度。

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

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

圖3 C30評價指標比較Fig.3 Comparison of C30 evaluation index

圖4 C50評價指標比較Fig.4 Com parison of C50 evaluation index

4 結語

1） 按照JTS 202—2011《水運工程混凝土施工規(guī)范》相關規(guī)定設計的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，以水工建筑物設計使用年限50 a計，室內(nèi)1次單面凍融相當于天津港自然條件下146次單面凍融。

2）在現(xiàn)場檢測中，往往無法準確測得混凝土表面剝落數(shù)據(jù)，所以，單位表面剝落物總質量損失率很難反映實體混凝土的凍融破壞程度。

3）超聲波相對動彈性模量損失率明顯大于單位表面剝落物總質量損失率，且其變化程度更為明顯，所以，超聲波相對動彈性模量損失率比單位表面剝落物總質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，普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準[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用——第五屆全國高性能混凝土學術交流會論文.北京：《中國學術期刊（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指標的確定[J].水運工程，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).