徐存東 高懿偉 田俊姣

摘 要：北方地區(qū)低溫季節(jié)混凝土結(jié)構(gòu)施工過程中容易受到溫度突降的影響而導(dǎo)致耐久性降低，為探究混凝土早期受凍損傷后的耐久性變化及其損傷機理，通過室內(nèi)模擬不同受凍時刻（養(yǎng)護齡期）、不同凍結(jié)溫度環(huán)境，開展了混凝土早期受凍試驗，對比了受凍時刻及凍結(jié)溫度對混凝土后期抗壓強度、相對動彈性模量、損傷層厚度的影響規(guī)律，探討了混凝土早期受凍損傷機理，并構(gòu)建了以損傷層厚度hf為損傷變量的評價標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合實際損傷特點，對該損傷變量進行修正，并驗證了其合理性。研究結(jié)果表明：早期受凍混凝土的損傷度為20%～30%;在初凝到終凝期間（3.5 h）受凍，混凝土損傷度最大，凍結(jié)溫度越低，損傷越嚴(yán)重;在初凝前受凍，混凝土損傷度較小，不同凍結(jié)溫度越高，損傷越嚴(yán)重;在終凝后受凍，混凝土損傷度最小，凍結(jié)溫度對混凝土損傷影響基本相同。經(jīng)修正后的hf損傷變量能較準(zhǔn)確地描述早期受凍環(huán)境下混凝土的損傷程度，相關(guān)研究可為在低溫季節(jié)施工的混凝土建筑物的后期耐久性評價和養(yǎng)護提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：混凝土;早期受凍;超聲平測法;損傷層厚度

Abstract： In the low temperature season， the construction of concrete structures in the northern region is susceptible to temperature drop and the durability is reduced. In order to explore the durability and damage mechanism of concrete after early freeze injury， it simulated different freezing moments （curing age） and different freezing temperatures environments through indoor simulation， carried out early freezing test of concrete and compared the compressive strength， relative dynamic elastic modulus and damage layer thickness of concrete at the late period of freezing and freezing temperature. The mechanism of the early freezing damage of concrete was discussed. The evaluation criteria of damage thickness based on damage thickness hf was established， the damage variable was corrected with the actual damage characteristics and its rationality was verified. The research results show that the damage degree of early frozen concrete is about 20%-30%; the frost damage is the most serious during initial coagulation to final set and the damage degree of concrete is the largest. The lower the freezing temperature is， the more serious the damage will be. Before the initial coagulation or after final set， the damage degree of concrete is small， and the higher the freezing temperature， the more serious the damage will be. The relevant research can provide effective basis for the later durability evaluation and maintenance of concrete buildings constructed in low temperature season.

Key words： concrete; early frost; ultrasonic flat-measured method; thickness of damaged layer

我國地域遼闊，北方地區(qū)每年都有相當(dāng)長時間處于低溫季節(jié)，尤其是西北干旱區(qū)，許多地區(qū)低溫天氣持續(xù)時間多達5～6個月[1]，氣溫突降情形時有發(fā)生，尤其是秋末冬初、冬末春初時期，工程施工中剛澆筑的混凝土還未及時采取防凍措施便可能遭受一次或多次凍害，對混凝土建筑物服役期耐久性能及承載性能造成難以彌補的傷害。隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大規(guī)模開展，人為失誤、氣候多變導(dǎo)致施工期混凝土受凍情況較為多見，2000年來國內(nèi)外學(xué)者重新重視了混凝土早期凍害的損傷規(guī)律研究。如巴恒靜等[2]研究了混凝土早期受凍對后期抗折強度及抗壓強度的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)即使水灰比很小的混凝土，經(jīng)早期受凍標(biāo)養(yǎng)至28 d的抗折強度和抗壓強度也會分別下降20%、30%;張延年等[3]探究了混凝土不同早期受凍時刻（養(yǎng)護齡期）對后期抗壓強度及質(zhì)量損失的影響規(guī)律，得出受凍時刻越長，混凝土后期抗壓強度越大，質(zhì)量損失越小;聶治平[4]研究了不同水灰比混凝土早期受凍對后期抗壓強度的影響，發(fā)現(xiàn)混凝土水灰比越大，經(jīng)早期受凍標(biāo)養(yǎng)后的抗壓強度越小;Choi等[5]提出了一種基于混凝土凍結(jié)深度和起凍時間，通過測量torrent滲透性來判定混凝土早期凍害的方法，并試驗驗證了該方法檢測混凝土早期凍害的可靠性。然而，上述研究大多基于《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[6]，混凝土早期（終凝前）受凍，其性能、物理形態(tài)較硬化混凝土更為多變，用研究硬化混凝土的方法來研究早期混凝土顯然是不合理的。此外，混凝土抗凍性評價指標(biāo)多采用質(zhì)量損失、抗壓強度和相對動彈性模量，但在實際工程中，混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量無法測量，取芯檢測強度會對結(jié)構(gòu)造成損傷，相對動彈性模量無法有效直接地反映混凝土受凍損傷程度。因此，確定一個能無損、便捷地反映混凝土受凍損傷程度的指標(biāo)對實際工程具有重大意義。

混凝土結(jié)構(gòu)受凍損傷時，低溫是由外而內(nèi)向混凝土內(nèi)部滲入的，逐漸結(jié)冰膨脹并造成混凝土損傷，結(jié)構(gòu)表面損傷最為嚴(yán)重，向內(nèi)延伸損傷程度逐漸減弱，這一現(xiàn)象可以從宏觀層面反映混凝土受凍損傷特點[7]。因此，混凝土損傷層厚度可以很好地描述這一特征。隨著無損檢測技術(shù)的發(fā)展，超聲波檢測更多地應(yīng)用到了混凝土損傷層厚度的研究中。如苑立冬等[8]基于超聲波平測法研究了不同種類濃度硫酸鹽溶液作用下混凝土損傷層厚度的變化情況，表明混凝土損傷層厚度能反映出鹽凍作用下混凝土損傷劣化程度。Chu H Y等[9]基于超聲波技術(shù)研究了硫酸鹽侵蝕作用下不同摻和料混凝土的損傷層厚度，發(fā)現(xiàn)摻加粉煤灰的混凝土的性能要優(yōu)于摻加礦渣的混凝土。Naffa等[10]采用超聲波檢測技術(shù)研究了混凝土化學(xué)腐蝕度，并驗證了使用該方法無損檢測混凝土化學(xué)腐蝕程度的可行性?；炷猎缙谑軆鲅芯科鸩捷^晚，該領(lǐng)域尚未形成系統(tǒng)完善的理論體系，基于無損檢測技術(shù)對早期受凍混凝土表層損傷的定量研究更是鮮有提及。因此，模擬實際工程環(huán)境，采用超聲波無損檢測技術(shù)研究早期受凍混凝土后期損傷層厚度的變化規(guī)律，從混凝土損傷層視角分析混凝土早期受凍的損傷劣化程度，通過對結(jié)構(gòu)損傷層的無損檢測推演出材料劣化和結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)，與傳統(tǒng)抗凍性評價指標(biāo)（抗壓強度、相對動彈性模量）進行對比，并引入相應(yīng)的損傷變量，對于研究早期受凍混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性和承載性能具有重要的理論意義。

筆者以-10 ℃和-5 ℃環(huán)境下受凍1次、持續(xù)時間6 h為試驗環(huán)境模擬早期受凍環(huán)境，通過研究不同受凍時間對混凝土后期抗壓強度、相對動彈性模量、損傷層厚度的影響規(guī)律，分析了早期受凍對混凝土后期耐久性能的影響規(guī)律及損傷機理，建立了以混凝土早期受凍損傷層厚度為損傷變量的評價標(biāo)準(zhǔn)，并驗證了其合理性。

1 試驗概況

1.1 原材料及配合比

試驗用水泥為鄭州天瑞水泥廠生產(chǎn)的標(biāo)號P.O42.5水泥。粗骨料是鄭州市賈峪鎮(zhèn)砂石廠生產(chǎn)的粒徑5～25 mm連續(xù)級配、無針片狀顆粒、質(zhì)地堅硬且表面粗糙的碎石子。細(xì)骨料為汝河河沙，細(xì)度模數(shù)為2.74。減水劑為RD-N型高效減水劑，減水效果為20%左右，摻入量為膠凝材料質(zhì)量的1%。水為鄭州市自來水，pH值為6.7?；炷了涠葹?5 mm，在自然環(huán)境下（10 ℃左右）初凝時間和終凝時間分別為90 min和360 min?；炷僚浜媳纫姳?。

1.2 試件制作與試驗方法

將澆筑成型1 h（初凝前）、3.5 h（初凝與終凝之間）、8 h（終凝后）、1 d后的混凝土分別置入-10 ℃和-5 ℃的WGD/SH2050高低溫恒定濕熱試驗箱中冷凍6 h后取出，待澆筑24 h后拆模，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室養(yǎng)護，另預(yù)留正常養(yǎng)護未受凍試件作為對比，待所有試件養(yǎng)護28 d后進行試驗，所有混凝土試件均采用同一配合比。在-10、-5 ℃凍結(jié)溫度下的各個受凍時間分別設(shè)置3塊100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試件和3塊100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，采用立方體試件測混凝土抗壓應(yīng)力（測試儀器為WAW-1000型電液伺服萬能試驗機），采用棱柱體試件測混凝土動彈性模量和混凝土損傷層厚度（測試儀器為NM-4B型非金屬超聲檢測儀），試驗數(shù)據(jù)均取各組混凝土試件數(shù)據(jù)的平均值。

1.3 損傷層厚度檢測方法及原理

超聲平測法是一種無損檢測技術(shù)，假定混凝土損傷層與未損傷層之間有明顯的分界線，依據(jù)超聲波在損傷層與未損傷層中傳播速度的不同來測量損傷層厚度hf的一種方法[11]。這種方法原理是，當(dāng)T、R換能器距離較近時，超聲波在損傷層中的傳播時間較短，首先到達接收換能器，此時接收換能器讀取的聲時值為損傷層中的傳播波速Vd;當(dāng)T、R換能器距離較遠(yuǎn)時，超聲波透過損傷層在未損傷層混凝土中的傳播時間較短，此時接收換能器讀取的聲時值為未損傷混凝土中的傳播波速Vu;當(dāng)T、R間距為某一測距l(xiāng)0時，超聲波在損傷層中傳播到達R的時間和兩次透過損傷層在未損傷混凝土傳播到達R的時間相等，由此可確定出混凝土損傷層厚度hf。

試驗方法依據(jù)《超聲法檢測混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》（CECS 21—2000）[12]中的單面平測法，對棱柱體的一個100 mm×400 mm平整側(cè)面進行檢測，換能器布置見圖1，發(fā)射換能器T布置于距棱柱體邊緣50 mm處，接收換能器R沿混凝土面按一定測距進行排查，讀取不同位置的聲時值，測距依次為50、75、100、150、200、250 mm。根據(jù)T、R換能器的測距和相應(yīng)的聲時值繪制時距關(guān)系曲線，見圖2，按式（1）計算混凝土損傷層厚度。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 抗壓強度

混凝土抗壓強度是混凝土力學(xué)性能的直觀反映，早期受凍、未受凍混凝土抗壓強度見表2。

由表2可知，早期受凍混凝土的抗壓強度較未受凍混凝土均呈現(xiàn)出不同程度的強度損失，損失程度依次為：fcu（3.5 h）>fcu（8 h）≈fcu（1 h）>fcu（1 d）。初凝終凝之間受凍混凝土的抗壓強度下降幅度最大，-10、-5 ℃受凍混凝土的抗壓強度分別較未受凍混凝土下降了31%和28%;初凝前-10、-5 ℃受凍混凝土的抗壓強度分別下降了16%和18%，終凝后-10、-5 ℃受凍混凝土的抗壓強度分別下降了16%和20%，初凝前與終凝后（8 h）混凝土抗壓強度損失相差不大;終凝后受凍時間越長，抗壓強度下降幅度越小，受凍時間為1 d時，-10 ℃和-5 ℃受凍混凝土抗壓強度分別下降了3%和6%。凍結(jié)溫度對混凝土抗壓強度的影響較小，齡期為 1 h、8 h、1 d時， -5 ℃的受凍混凝土的抗壓強度損失略大于-10 ℃的;齡期為3.5 h時，-10 ℃的受凍混凝土的抗壓強度損失略大于-5 ℃的。初凝前、終凝后-5 ℃的受凍混凝土的抗壓強度損失較10 ℃的略多。

2.2 相對動彈性模量

相對動彈性模量可以敏感地反映出混凝土內(nèi)部損傷劣化程度，對混凝土早期受凍損傷是一個比較好的評價指標(biāo)。本試驗采用超聲波無損檢測技術(shù)檢測混凝土動彈性模量，其計算公式為

不同凍結(jié)溫度、不同受凍時間混凝土試塊的相對動彈性模量見表3。

由表3可知，不同養(yǎng)護齡期混凝土相對動彈性模量下降程度與抗壓強度類似，損失幅度依次為：ED（3.5 h）>ED（8 h）≈ED（1 h）>ED（1 d）。初凝終凝之間受凍混凝土較未受凍混凝土的相對動彈性模量下降幅度最大，-10、-5 ℃環(huán)境下分別下降了0.33和0.30;初凝前、終凝后混凝土相對動彈性模量下降幅度基本相同，較初凝終凝之間受凍混凝土損失小;終凝后養(yǎng)護時間越長，相對動彈性模量下降幅度越小。同時，不同凍結(jié)溫度混凝土相對動彈性模量與混凝土抗壓強度損失類似，齡期為 1 h、8 h、1 d時， -5 ℃的受凍混凝土的相對動彈性模量損失略大于-10 ℃的;齡期為3.5 h時，-10 ℃的受凍混凝土的相對動彈性模量損失略大于-5 ℃的。

2.3 損傷層厚度

運用NM-4B型非金屬超聲檢測儀對混凝土進行檢測，按文獻[13]所示方法進行計算，得到不同凍結(jié)溫度、不同受凍時間混凝土試塊的損傷層厚度，見表4。

混凝土損傷層厚度hf能在一定程度上反映出混凝土損傷程度[14]，損傷層厚度越大表明混凝土損傷層密實性越差，混凝土劣化越嚴(yán)重。所有受凍試塊均表現(xiàn)出不同程度的受凍損傷，不同受凍時間混凝土損傷層厚度表現(xiàn)為hf（3.5 h）>hf（8 h）≈hf（1 h）>hf（1 d），凍結(jié)溫度對混凝土損傷層厚度影響程度為：齡期為1 h、 8 h、1 d時，-5 ℃的混凝土損傷層厚度大于-10 ℃的;齡期為3.5 h時，-10 ℃的混凝土損傷層厚度大于-5 ℃的。

損傷層厚度的無損檢測結(jié)果與相對動彈性模量和抗壓強度實測結(jié)果表現(xiàn)規(guī)律一致，進一步驗證了損傷層厚度表征混凝土損傷的可靠性。

2.4 早期受凍破壞對混凝土后期耐久性能的影響

2.4.1 受凍時間的影響

混凝土在初凝前受凍，此時水化反應(yīng)剛開始，自由水含量極高[15]，可塑性較強。低溫環(huán)境下部分自由水凍結(jié)成冰，造成混凝土體積膨脹，但此時受凍產(chǎn)生的凍脹變形不會有應(yīng)力產(chǎn)生或產(chǎn)生極小的應(yīng)力，對混凝土損傷較小[16];溫度的突然降低會造成水分的遷移[17]，由高溫區(qū)遷移至低溫區(qū)，減緩了水化反應(yīng)速度，加之粗骨料比熱容較小，降溫較快，在粗骨料表層形成冰膜，進而阻止了砂漿與粗骨料的黏合，降低了混凝土強度的增長。當(dāng)混凝土從低溫環(huán)境轉(zhuǎn)移至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室時，冰晶融化為水，大量未水化水泥顆粒繼續(xù)水化，生成一定量的水化產(chǎn)物，進而完成混凝土材料受凍后的自我修復(fù)。

混凝土在初凝與終凝之間階段受凍，受凍過程與初凝前類似，此時混凝土已形成初步強度，部分混凝土已失去塑性，在凍脹應(yīng)力作用下水化形成的凝膠體開裂，砂漿與粗骨料之間產(chǎn)生明顯裂痕，混凝土密實性和整體性遭受破壞。此時轉(zhuǎn)入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室，能參與水化反應(yīng)的水泥顆粒相比初凝前較少，砂漿與粗骨料之間產(chǎn)生的凍脹裂痕難以修復(fù)，混凝土強度回升有限。

混凝土在終凝后受凍，此時混凝土已完全失去塑性。由于受凍前水化反應(yīng)已充分進行，大量凝膠材料已生成，水泥砂漿與粗骨料黏結(jié)較好，混凝土結(jié)構(gòu)組織較為密實，因此混凝土已具備較高強度。此時混凝土可以較大程度上抵抗受凍產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力，低溫環(huán)境對混凝土損傷較小，且終凝后齡期越長，混凝土水化越充分，混凝土抵抗凍結(jié)產(chǎn)生膨脹應(yīng)力的能力越強。

2.4.2 凍結(jié)溫度的影響

混凝土早期受凍溫度越低，內(nèi)部水分轉(zhuǎn)化為冰晶速度越快，混凝土含冰量就越多[18]，初凝前受凍的混凝土轉(zhuǎn)入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室之后參與到水化反應(yīng)的自由水也越多，因此凍結(jié)溫度越低，混凝土損傷越輕;初凝終凝之間混凝土處于強度快速增長時期，已形成部分水化產(chǎn)物，此時受凍溫度越低，造成水化產(chǎn)物開裂越嚴(yán)重，轉(zhuǎn)入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室之后裂痕難以修復(fù)，混凝土強度回升有限，因此凍結(jié)溫度越低，混凝土損傷越嚴(yán)重;終凝后混凝土已形成部分強度可較大程度上抵消凍脹應(yīng)力帶來的損傷，此時受凍對混凝土損傷較小，-5 ℃造成的混凝土損傷略大于-10 ℃的。

3 損傷變量

損傷層厚度是一個量值，能在一定程度上反映出混凝土損傷程度，是混凝土損傷的一種宏觀體現(xiàn)，但難以準(zhǔn)確地對混凝土材料的損傷劣化程度進行定量描述，為解決這一問題，引入了損傷變量這一概念。

結(jié)構(gòu)或材料在損傷過程中，會在內(nèi)部產(chǎn)生大量相互影響的微裂紋，由于無法對所有微裂紋做出幾何性的描述，因此力學(xué)工作者把含有眾多微裂紋的區(qū)域看成是局部均勻場，考慮裂紋的整體效應(yīng)，試圖通過定義一個場變量來描述均勻場的損傷狀態(tài)，這個場變量就是損傷變量[19]。損傷變量也叫損傷度，是一種內(nèi)部狀態(tài)變量，可以表征結(jié)構(gòu)或材料損傷劣化的程度。筆者根據(jù)混凝土抗壓強度、混凝土相對動彈性模量和混凝土損傷層厚度3種指標(biāo)分別定義了3種損傷變量，即

由表5可知，3種評價指標(biāo)的損傷變量D在不同受凍時間的大小關(guān)系均表現(xiàn)為D（3.5 h）>D（8 h）≈D（1 h）>D（1 d）。當(dāng)齡期為 1 h、8 h、1 d時，-5 ℃的受凍混凝土的Df、DE、Dh較-10 ℃的略大;當(dāng)齡期為3.5 h時，-5 ℃的受凍混凝土的Df、DE、Dh較-10 ℃的略小，損傷變量直觀地反映出了混凝土的損傷程度。

以抗壓強度、相對動彈性模量為評價指標(biāo)的損傷變量大致相同，以損傷層厚度為評價指標(biāo)的損傷變量明顯較大，如B-8 h混凝土試塊，Df/DE=0.91，Dh/DE=2.32。原因是：把損傷層厚度當(dāng)做評價指標(biāo)計算損傷變量時，認(rèn)為混凝土損傷層厚度對整個截面不做功，但實際上，混凝土損傷層是由表及里逐漸產(chǎn)生的，表層混凝土損傷最為嚴(yán)重，越往里混凝土損傷越輕，直至沒有損傷，損傷層混凝土仍具有一定強度，因此應(yīng)考慮混凝土損傷部分對混凝土整體強度的貢獻，故對式（6）作相應(yīng)修正。

任何材料抵抗外力作用本質(zhì)上是因其自身有一定強度，當(dāng)材料強度減弱時，這種抵抗能力隨之減小。根據(jù)這一概念，引入混凝土損傷層厚度修正系數(shù)α[20]，即

混凝土截面面積A=104 mm2，此時未損傷混凝土層截面面積Acn0 =（100-2hfn）2 mm2，混凝土損傷層截面面積Ahn=（104-Acn0）mm2。混凝土平均抗壓應(yīng)力fcn已測得，假定正常養(yǎng)護未受凍混凝土試件的抗壓應(yīng)力為未損傷混凝土抗壓應(yīng)力fc0，代入式（9）即可算得損傷層混凝土抗壓應(yīng)力fhn，見表6。

將計算得到的混凝土損傷層應(yīng)力代入式（7）即可算得損傷層厚度修正系數(shù)α，將α代入式（8）得到修正后的混凝土損傷層厚度損傷變量D′h，見表7。

從表7可看出，修正后的D′h較修正前明顯變小，原因是考慮了損傷層厚度的殘余應(yīng)力對混凝土整體強度的貢獻。不同受凍時間、不同凍結(jié)溫度的D′h與DE相差最多0.02，對比表5可知，3種評價指標(biāo)的損傷變量大致相同，故可以認(rèn)為，修正后的混凝土損傷層厚度損傷變量可作為早期受凍混凝土損傷程度的評價指標(biāo)。

4 結(jié) 論

（1）早期受凍混凝土與未受凍混凝土相比，抗壓強度、相對動彈性模量、損傷層厚度都有較大損傷，損傷度為20%～30%。

（2）早期受凍時刻對混凝土抗壓強度、動彈性模量、損傷層厚度的影響規(guī)律類似，大致表現(xiàn)為：D（3.5 h）>D（8 h）≈D（1 h）>D（1 d）。分析可知：養(yǎng)護至初凝終凝之間的混凝土已有初步強度，此時受凍造成混凝土產(chǎn)生難以修復(fù)的裂痕，故損傷程度最大;初凝前混凝土水化反應(yīng)剛開始，受凍后轉(zhuǎn)入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室，混凝土完成了一定程度的自我修復(fù)，故損傷程度較小;終凝后混凝土已有一定強度可抵抗部分凍脹應(yīng)力，且終凝后養(yǎng)護時間越長，混凝土抵抗凍脹的能力越強。

（3）早期受凍結(jié)溫度對混凝土抗壓強度、動彈性模量、損傷層厚度的影響較小且影響規(guī)律類似，大致表現(xiàn)為：在初凝終凝之間受凍，凍結(jié)溫度越低，混凝土損傷越嚴(yán)重;初凝前受凍，凍結(jié)溫度越高，混凝土損傷越嚴(yán)重;在終凝后受凍，此時混凝土的強度較高，并具有較強的抗凍性，混凝土的受凍損傷程度較小，不同凍結(jié)溫度下，混凝土的損傷程度基本相同。

（4）構(gòu)建了基于混凝土早期受凍損傷層厚度的損傷變量，并與傳統(tǒng)指標(biāo)定義的損傷變量進行對比分析，結(jié)果表明：修正后的D′h可較好地描述早期凍結(jié)環(huán)境下混凝土的損傷程度，該變量可作為新的混凝土早期受凍評價指標(biāo)。

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