凍融循環過程中混凝土性能的劣化研究

李家正，周世華，石 妍

(長江科學院a.材料與結構研究所;b.水利部水工程安全與病害防治工程技術研究中心，武漢 430010)

1 概述

混凝土結構的凍融破壞是促使混凝土結構老化的主要因素，也是我國水電工程中混凝土結構常見的病害之一。工程調查表明［1］，我國有22%的大壩和21%的中小型水工建筑物存在凍融破壞問題。引起混凝土結構凍融剝蝕的主要原因是混凝土微孔隙中的水在正負溫差大幅度變化和交替頻繁的作用下，形成結冰膨脹壓力［2］和滲透壓力［3］的聯合作用［4］。在這種綜合壓力的作用下，混凝土結構產生了由表至里的剝蝕破壞［5，6］，從而降低了混凝土結構強度，影響建筑物的安全。

在我國相關標準規范中，混凝土抗凍等級大多采用質量損失率與相對動彈性模量來進行評定。本文研究了凍融循環過程中混凝土強度的劣化情況及各種測試方法與混凝土強度劣化之間的關系，探討了不同的測試手段對不同老化特性的敏感性，歸納了混凝土凍融過程中宏觀特性和微觀結構的演變規律，為水工混凝土結構的老化機理分析、壽命評估和健康診斷以及預警提供科學的基礎數據。

2 原材料和混凝土配合比

(1)試驗用原材料:水泥為42.5中熱硅酸鹽水泥;粉煤灰采用平圩電廠Ⅰ級灰;骨料為花崗巖人工砂、人工碎石;外加劑選用JG3高效減水劑和DH9引氣劑。

(2)混凝土配合比:本研究采用混凝土配合比的技術要求為R9025W10F250(一級配)，混凝土配合比見表1。

3 試驗結果及分析

3.1 混凝土物理力學性能的劣化

3.1.1 力學性能

隨著凍融次數的增加，混凝土的強度特性均呈下降趨勢，混凝土的抗折強度和劈拉強度下降較多，而抗壓強度下降趨勢略緩。如圖1所示，從凍融循環150次的情況來看，混凝土抗壓強度降至凍融前的58.4%，抗折強度降至凍融前的 41.8%，劈拉強度降至凍融前的42.3%。

表1 混凝土配合比Table 1 The mixing ratio of concrete

圖1 凍融循環中混凝土強度的變化Fig.1 Change of concrete strength during freeze-thaw cycles

3.1.2 質量損失

質量損失是混凝土抗凍性的一個評價指標，從圖2可以看出，隨著凍融次數的增加，質量損失率增加，尤其當凍融次數達到100次后，質量損失率有明顯的增加，質量損失率為2%，即混凝土表面發生了較明顯的剝蝕。凍融循環后，混凝土抗壓強度的降低率與質量損失率之間的關系如圖3所示，質量損失率越大，混凝土抗壓強度下降的幅度越高，兩者呈線性關系，擬合方程為 Y1=－14.78X1+99.4%(Y1為抗壓強度，X1為質量損失率)。

圖2 凍融循環中混凝土的質量損失Fig.2 Change of mass loss of concrete during freeze-thaw cycles

圖3 質量損失與抗壓強度的關系Fig.3 Relationship between mass loss and compressive strength of concrete

參考DL/T 5150《水工混凝土試驗規程》中規定混凝土抗凍等級的評定要求，通過擬合方程進行計算可知，當質量損失達到5%時，混凝土抗壓強度下降到凍融前的25.5%。

3.1.3 相對動彈模

機械波波速的快慢變化一定程度上能反映混凝土整體性、密實性的變化，機械波波速的下降宏觀上反映為混凝土自振頻率的降低，微觀上是混凝土中裂縫的擴展和連通的表現。如圖4所示，隨著凍融次數的增加，混凝土相對動彈性模量逐漸下降。凍融循環后，混凝土抗壓強度的降低率與相對動彈性模量之間的關系如圖5所示，兩者呈線性關系，線性擬合方程為 Y2=2.06X2－104.3%(Y2為抗壓強度、X2為相對動彈模)，相對動彈模越低，混凝土抗壓強度下降的幅度越高。

參考DL/T 5150《水工混凝土試驗規程》中規定混凝土抗凍等級的評定要求，通過線性擬合方程計算，相對動彈模降低到60%時，混凝土抗壓強度下降到凍融前的19.3%。

3.1.4 超聲波波速

在混凝土內傳播聲速是檢測混凝土密實性的一個間接指標，由于超聲波頻率和波長的限制，使超聲波對混凝土中較大的缺陷反應敏感。

從圖6可看出，隨著凍融循環次數的增加，其混凝土內超聲波聲速呈逐步降低的趨勢，但降低的速率較小。試驗結果說明:一方面，混凝土在凍融破壞過程中內部孔隙逐步增加，密實度是逐步下降的，這與宏觀強度的下降規律是一致的;另一方面，超聲波對混凝土中細小的孔隙及其連通與擴展不敏感，可能在混凝土凍融破壞后期，細小的裂隙擴展連通成較大的缺陷時，超聲波的測試會變得敏感。

圖4 凍融循環中混凝土相對動彈模的變化Fig.4 Change of relative dynamic elastic modulus of concrete during freeze-thaw cycles

圖5 相對動彈模與抗壓強度的關系Fig.5 Relationship between relative dynamic elastic modulus and compressive strength

圖6 凍融循環中混凝土超聲波波速的變化Fig.6 Change of ultrasonic velocity of concrete during freeze-thaw cycles

針對經受凍融環境的混凝土結構，如何測試混凝土的服役狀態是非常重要的。顯然，通過取芯以測試混凝土抗壓強度是最直接最有效的途徑，但取芯將給混凝土結構帶來一定的破壞。比較2種無損檢測方法，即機械波與超聲波，從試驗結果來看，機械波波速對混凝土凍融破壞的敏感程度要高于超聲波。

3.2 凍融循環過程中混凝土內部微觀結構的演變

3.2.1 混凝土微孔結構特性的變化規律

用高壓水銀測孔儀對凈漿試樣凍融前后微孔結構進行了測試，試驗結果如圖7、圖8所示。從試驗結果可以看出，凍融循環過程中，混凝土微孔含量逐步增加，尤其是孔徑范圍在25～250 nm之間的孔隙。從孔徑分布的百分比來看，凍融循環后，孔徑范圍在25～75 nm的孔隙所占的比例呈增大趨勢。

圖7 混凝土凍融前后累積比孔容曲線Fig.7 Change of cumulative specific pore volume of concrete during freeze-thaw cycles

圖8 混凝土凍融前后微孔分布曲線Fig.8 Change of pore size distribution of concrete during freeze-thaw cycles

3.2.2 凍融破壞過程中混凝土的微觀結構

用掃描電鏡對混凝土凍融前后的試樣進行了微觀結構的觀測和分析，試驗結果表明:

(1)混凝土在凍融過程中，水化產物的結構狀態發生了明顯變化，即由凍融前的堆積狀密實體(圖9)逐步變成疏松狀態，且水化產物結構中出現了微裂縫(圖10)。

圖9 混凝土凍融前水化產物結構Fig.9 Hydration product of concrete before freeze-thaw actions

圖10 混凝土凍融后水化產物結構Fig.10 Hydration product of concrete after freeze-thaw actions

(2)隨著凍融過程的增加，混凝土中原來完整封閉氣泡的，氣泡壁逐步出現了開裂，如圖11、圖12所示。

圖11 凍融前氣泡呈完整的封閉狀態Fig.11 The closed air entrapment in concrete before freeze-thaw actions

圖12 凍融后氣泡壁已出現裂縫Fig.12 The crack along the wall of air entrapment after freeze-thaw actions

4 結論

(1)凍融循環過程中，混凝土抗折強度、劈拉強度的劣化速度較抗壓強度更快。

(2)混凝土抗壓強度的降低率與質量損失率、相對動彈模之間呈正線性關系。

參考DL/T 5150《水工混凝土試驗規程》中規定混凝土抗凍等級的評定要求，相對動彈模降低到60%時，混凝土抗壓強度下降到凍融前的19.3%;質量損失達到5%時，混凝土抗壓強度下降到凍融前的 25.5%。

(3)機械波波速對混凝土凍融破壞的敏感程度界于混凝土強度和超聲波波速之間。

(4)凍融循環作用使水泥水化產物的結構狀態發生了明顯變化，即由凍融前的堆積狀密實體逐步變成疏松狀態，隨著凍融過程的增加，混凝土中原來完整封閉的氣泡，氣泡壁逐步出現了開裂。混凝土凍融循環過程中，從孔徑分布情況來看，孔徑25～75 nm之間的孔隙所占的比例呈增大趨勢。

［1］李金玉，曹建國.水工混凝土耐久性的研究和應用［M］.北京:中國電力出版社，2004.(LI Jin-Yu，CAO Jian-Guo.Study and Application of the Durability of Hydraulic Concrete［M］.Beijing:China Electric Power Press，2004.(in Chinese))

［2］楊華全，周世華，蘇 杰.氣泡參數對引氣混凝土性能的影響［J］.水力發電，2009，35(1):18－20.(YANG Hua-Quan，ZHOU Shi-Hua，SU Jie.Effect of Air Void Parameters on Properties of Air Entraining Concrete［J］.Water Power，2009，35(1):18－20.(in Chinese))

［3］POWERS T C.A Working Hypothesis for Further Studies of Frost Resistance［J］.Journal of the ACI，1945，16(4):245－ 272.

［4］POWERS T C，HELMUTH R A .Theory of Volume Change in Hardened Portland Cement Paste During Freezing［J］.Highway Research Board Proceedings，1953，(32):285－297.

［5］楊全兵.凍融循環條件下氯化鈉濃度對混凝土內部飽水度的影響［J］.硅酸鹽學報，2007，35(1):96－100.(YANG Quan-bing.Effects of Sodium Chloride Concentration on Saturation Degree in Concrete under Freezing-Thawing Cycles［J］.Journal of the Chinese Ceramic Society，2007，35(1):96－100.(in Chinese))

［6］李金玉，曹建國，徐文雨，等.混凝土凍融破壞機理的研究［J］.水利學報，1999，30(1):41－49.(LI Jin-yu，CAO Jian-guo，XU Wen-yu，et al.Study on the Mechanism of Concrete Destruction under Frost Action［J］.Journal of Hydraulic Engineering，1999，30(1):41－49.(in Chinese))