談混凝土耐久性能——抗凍性

王國臣

（中國水利水電第十三工程局有限公司中心試驗室 德州 253000）

1 混凝土耐久性的概念

混凝土耐久性是指結構在規定的使用年限內，在各種環境條件作用下，不需要額外的費用進行加固處理而保持其安全性、正常使用和可接受的外觀能力。

影響結構耐久性的因素很多，混凝土質量及其保護層是內在因素；環境與載荷作用則是外在因素。目前，水工建筑物混凝土的耐久性主要通過抗凍性和抗滲性指標來表示，本文對混凝土的抗凍性進行闡述。

2 混凝土凍融作用破壞機理

混凝土的抗凍性是指混凝土受到物理作用（干濕變化、溫度變化、凍融變化等）后，能保持強度和外觀完整性的能力。它是反映混凝土耐久性的重要指標之一。

混凝土凍融作用破壞機理是：混凝土在其凍融的過程中，遭受的破壞應力主要由兩部分組成。其一是當混凝土中的毛細孔水在某負溫下發生物態變化，由水轉變成冰，體積膨脹形成膨脹壓力，從而在孔周圍的微觀結構中產生拉應力；其二是當毛細孔水結成冰時，由凝膠孔中過冷水在混凝土微觀結構中遷移和重分布引起的滲管壓。當混凝土受凍時，這兩種壓力會損傷混凝土內部微觀結構，當經過反復多次的凍融循環以后，損傷逐步積累不斷擴大，發展成互相連通的裂縫，使混凝土的強度逐步降低，最后甚至完全喪失。

3 混凝土凍融試驗方法

混凝土凍融試驗方法分慢凍法和快凍法兩種。

3.1 慢凍法

3.1.1 試件制作

抗凍性能試驗采用立方體試件。試件尺寸根據混凝土中骨料的最大粒經制作。試件尺寸為100mm×100mm×100mm、150mm×150mm×150mm、200mm×200mm×200mm，對應骨料最大粒徑為30mm、40mm、60mm。

凍融試驗所需混凝土試件的組數見表1，每組混凝土試件應為3塊。

表1 慢凍法凍融試驗所需混凝土試件組數

3.1.2 儀器設備

a.冷凍箱。裝上試件后，能使箱內溫度保持在－15～－20℃范圍內。

b.融解水槽。裝上試件后能使水溫保持在15～20℃范圍內。

c.案秤。稱量10kg，感量為5g。

d.壓力試驗機。精度至少為±2%，其量程應能使試件的預期破壞荷載值不小于全量程的20%，也不大于全量程的80%。

3.1.3 試驗步驟

a.如無特殊要求，試件在28天齡期時進行凍融試驗。試驗前4天應把凍融試件從養護地點取出，進行外觀檢查，隨后放在15～20℃水中浸泡，浸泡時水面至少應高出試件頂面20mm，凍融試件浸泡4天后進行凍融試驗。對比試件則應保留在標準養護室內，直到完成凍融循環后，與抗凍試件同時試壓。

b.浸泡完畢后，取出試件，用濕布擦除表面水分、編號、稱重，放入冷凍箱開始凍結試驗。

c.抗凍試驗凍結時溫度應保持在-15～-20℃。試件在箱內溫度到達-2℃時放入，裝完試件如溫度有較大升高，則以溫度重新降至－15℃時起算凍結時間。每次從裝完試件到重新降至-15℃所需的時間不應超過2h。冷凍箱內溫度均以其中心處溫度為準。

d.每次循環中試件的凍結時間應按其尺寸而定，對100mm×100mm×100mm、150mm×150mm×150mm 試件的凍結時間不應小于4h，對200mm×200mm×200mm試件不應小于6小時。如果在冷凍箱內同時進行不同規格尺寸試件的凍結試驗，其凍結時間應按最大尺寸試件計。

e.凍結試驗結束后，試件即可取出并應立即放入能使水溫保持在15～20℃的水槽中進行融化。此時，槽中水面應至少高出試件表面20mm，試件在水中融化的時間不應小于4h。融化完畢即為該次凍融循環結束，取出試件送入冷凍箱進行下一次循環試驗。

f.經常對凍融試件進行外觀檢查。發現有嚴重破壞時應進行稱重，如試件的平均失重率超過5%，即可停止其凍融循環試驗。

g.混凝土試件達到表1規定的凍融循環次數后，即應進行抗壓強度試驗。抗壓試驗前應稱重并進行外觀檢查，詳細記錄試件表面破損、裂縫及邊角缺損情況。如果試件表面破損嚴重，則應用石膏找平后再進行試壓。

3.1.4 試驗結果整理

混凝土凍融試驗后應按下式計算其強度損失率：

式中 △fc——N次凍融循環后的混凝土強度損失率，以3個試件的平均值計算，%；

fco——對比試件的抗壓強度平均值，MPa；

fcn——經N次凍融循環后的3個試件抗壓強度平均值，MPa；

混凝土試件凍融后的重量損失率可按下式計算：

式中 ωn——N次凍融循環后的重量損失率，以3個試件的平均值計算，%；

Go——凍融循環試驗前的試件重量，kg；

Gn——N次凍融循環后的試件重量，kg；

混凝土的抗凍標號，以同時滿足強度損失率不超過25%、重量損失率不超過5%時的最大循環次數來表示。

3.2 快凍法

3.2.1 試件制作

該試驗采用100mm×100mm×400mm的棱柱體試件。混凝土試件每組3塊，在試驗過程中可連續使用，除制作凍融試件外，尚應制備同樣形狀尺寸、中心埋有熱電偶的測溫試件，測溫試件所用混凝土的抗凍性能應高于凍融試件。

3.2.2 儀器設備

a.快速凍融試驗機。能使試件靜置在水中不動，依靠熱交換液體的溫度變化而連續、自動地按照要求進行凍融的裝置。滿載運轉時凍融箱內各點溫度的極差不得超過2℃。

b.試件盒。由1～2mm厚的鋼板或塑料制成。其凈截面尺寸應為110mm×110mm，高度應比試件高出50～100mm。試件底部墊起后盒內水面應至少能高出試件頂面5mm。

c.案秤。稱量 10kg，感量 5g；或稱量20kg，感量 10g。

d.動彈性模量測定儀。

e.熱電偶、電位差計。在20～2℃范圍內測定試件中心溫度，測量精度不低于±0.5℃。

3.2.3 試驗步驟

a.如無特殊規定，試件在28天齡期時開始凍融試驗。凍融試驗前4天應把試件從養護地點取出，進行外觀檢查，然后在溫度為15～20℃的水中浸泡（包括測溫試件）。浸泡時水面至少應高出試件頂面20mm，試件浸泡4天后進行凍融試驗。

b.浸泡完畢后，取出試件，用濕布擦除表面水分，稱重，并按規定測定其橫向基頻的初始值。

c.將試件放入試件盒內，為了使試件受溫均衡，并消除試件周圍因水分結冰引起的附加壓力，試件的側面與底部應墊放適當寬度與厚度的橡膠板，在整個試驗過程中，盒內水位高度應始終保持高出試件頂面5mm左右。

d.把試件盒放入凍融箱內。其中裝有測溫試件的試件盒應放在凍融箱的中心位置，此時即可開始凍融循環。

e.凍融循環過程應符合下列要求：

?每次凍融循環應在2～4h內完成，其中用于融化的時間不得小于整個凍融時間的1/4；

?在凍結和融化終了時，試件中心溫度應分別控制在-17±2℃和 8±2℃；

?每塊試件從6℃降至-15℃所用的時間不得少于凍結時間的1/2。每塊試件從-15℃升至6℃所用的時間也不得少于整個融化時間的1/2，試件內外的溫差不宜超過28℃；

?凍和融之間的轉換時間不宜超過10min。

f.試件一般每隔25次循環做一次橫向基頻測量，測量前應將試件表面浮渣清洗干凈，擦去表面積水，并檢查其外部損傷及重量損失。橫向基頻的測量方法及步驟應按規定執行。測完后，應即把試件掉一個頭重新裝入試件盒內。試件的測量、稱量及外觀檢查應盡量迅速，以免水分損失。

g.為保證試件在冷液中凍結時溫度穩定均衡，當有一部分試件停凍取出時，應另用試件填充空位。如凍融循環因故中斷，試件應保持在凍結狀態下，并最好能將試件保存在原容器內用冰塊圍住。如無這一可能，則應將試件在潮濕狀態下用防水材料包裹，加以密封，并存放在－17±2℃的冷凍室或冰箱中。

試件處在融解狀態下的時間不宜超過兩個循環。特殊情況下，超過兩個循環周期的次數，在整個試驗過程中只允許1～2次。

h.凍融到達以下三種情況之一即可停止試驗：?已達到300次循環；?相對動彈性模量下降到60%以下；?重量損失率達5%。

3.2.4 試驗結果整理

混凝土試件每做完25次凍融循環試驗，都要測量一次重量和相對動彈模量，當相對動彈模量下降至初始值的60%或質量損失率達5%時，即認為試件已破壞，并以相應的凍融循環次數作為混凝土的抗凍等級。如果試件凍融至預定的循環次數，而相對動彈模量或質量損失均未達上述指標，可認為試驗的混凝土的抗凍性已滿足實際要求。根據凍融循環次數及相應的動彈性模量可計算出混凝土耐久性系數，供設計選材時參考。

混凝土試件的相對動彈性模量可按下式計算：

式中P——經N次凍融循環后試件的相對動彈性模量，以3個試件的平均值計算，%；fn——N次凍融循環后試件的橫向基頻，HZ/s；fo——凍融循環試驗前測得的試件橫向基頻初始值，HZ/s。

混凝土試件凍融后的質量損失率應按下式計算：

式中 △Wn——N次凍融循環后試件的重量損失率，以3個試件的平均值計算，%；

Go——凍融循環試驗前的試件重量，kg；

Gn——N次凍融循環后的試件重量，kg。

4 南水北調中線一期天津干線西黑山進口閘至有壓箱涵段工程凍融試驗結果

4.1 工程概況

南水北調西黑山進口閘至有壓箱涵段西起河北省保定市徐水縣西黑山村西總干渠，樁號為0+000；東至徐水縣丁家莊南，樁號為15+200：全長15.208km。設計輸水流量50m3/s，加大輸水流量60m3/s。

該段建筑物以輸水箱涵為主，其中，無壓箱涵長6294.508m，有壓箱涵長4093m。混凝土設計等級為C30F150W6、C25F150W6，根據該工程實際情況進行了混凝土抗凍試驗檢測。

4.2 凍融試驗結果

慢凍法檢測周期長，因此采用快凍法進行混凝土抗凍試驗，按《水工混凝土試驗規程》（DL/T5151—2001）進行檢測，試驗結果整理見表2。

5 提高混凝土抗凍性的措施

a.采用加氣混凝土，防止混凝土凍融破壞。混凝土的組成、配合比、養護條件和密實度決定了其在飽水狀態下抵抗凍融破壞的能力，目前加氣混凝土可以有效提高混凝土的抗凍性。在混凝土中摻加優質引氣型高效減水劑，一般引氣量為4%～8%，既能獲得大量均勻分布的微小氣泡，提高抗凍性，也能大幅度減小W/C，從而保證混凝土強度不降低，提高其抗凍性。

表2 西黑山進口閘至有壓箱涵段工程凍融試驗結果

b.加強施工管理，嚴格控制施工配合比。混凝土攪拌必須均勻，振搗必須到位，要嚴格遵守養護制度，可以用表面養護劑來改善養護條件，提高保水性，加速表面硬化。

c.避免或減輕堿集料反應。混凝土堿集料反應危害很大，一旦發生很難修復。當混凝土使用有堿活性反應的骨料時，必須從配合比出發，嚴格控制混凝土中的總堿含量以保證混凝土的耐久性。

6 結語

混凝土結構的耐久性是一個涉及環境、材料、設計、施工等多種因素的復雜問題，要解決好這個問題需要進行多方面的工作。鋼筋混凝土結構耐久性應由正確的結構設計、材料選擇以及嚴格的施工質量來保證，同時在使用階段實行必要的管理和維護。只有這樣，才能保證和提高混凝土結構的耐久性，保證我國建筑事業的可持續發展。■