凍融循環作用下水工混凝土耐久性和力學性能試驗研究方法探討

高國威 張成銀

（鹽城市水利勘測設計院 鹽城 224002 安徽省·水利部淮委水利科學研究院 蚌埠 233000）

1 概述

我國地域遼闊，有相當大的部分處于嚴寒地帶，致使不少水工建筑物發生了凍融破壞現象。根據全國水工建筑物耐久性調查資料，在32座大型混凝土壩工程、40余座中小型工程中，22%的大壩和21%的中小型水工建筑物存在凍融破壞問題，大壩混凝土的凍融破壞主要集中在東北、華北、西北地區。尤其在東北嚴寒地區，興建的水工混凝土建筑物，幾乎所有工程局部或大面積地遭受不同程度的凍融破壞。除三北地區普遍發現混凝土的凍融破壞現象外，地處較為溫和的華東地區的混凝土建筑物也發現有凍融現象。因此，凍融循環作用下混凝土建筑物的設計壽命，是目前國內外研究的重要課題。

混凝土的耐久性及力學性能，是進行水工混凝土建筑物壽命設計的重要依據。而在凍融循環條件下，混凝土的耐久性和力學性能，會隨著凍融循環次數的增加而逐漸降低。現有的有關凍融循環后混凝土性能的試驗資料，大多是以質量損失和動彈性模量為標準，針對混凝土抗凍安全等級展開的。

由彈性模量的物理意義可知，動彈性模量反映的是材料的彈性性能，相當于靜力加載時材料的初始切線模量，它不能反映材料的塑性性能，它的損失也只能代表材料彈性性能的損失。因此，對于普通混凝土，僅以相對動彈性模量降至60%和質量損失率達到5%作為凍融破壞的評價指標不一定合適，故而需要進行凍融循環作用下，混凝土耐久性指標及力學性能指標的測試。而動彈性模量作為一種非破損試驗方法，它的測量具有可重復性，測量方法簡單。因此，在凍融循環作用下，能否建立動彈性模量損失與耐久性指標和力學性能指標損失的相關性，是目前研究凍融循環作用下的混凝土基本性能的關鍵，對凍融循環作用下的混凝土結構的設計、施工及壽命預測，具有重要的指導作用。

2 水工混凝土凍融循環破壞機理

水工混凝土遭受凍融侵蝕是一個較為復雜的物理劣化過程，包含滲透擴散、凍融循環、開裂破壞等次生過程。而凍融過程中孔隙水的反復結冰是導致混凝土劣化的根本原因。從20世紀40年代以后，國內外均對混凝土的凍融破壞機理展開了大量研究，也提出了眾多凍融破壞理論，其中冰脹壓和滲透壓理論最具代表性。但這些理論大部分是從純物理的模型出發的，經假設推理得出的，有些是以水泥凈漿和砂漿試件通過部分試驗得出的。因此，迄今為止，對混凝土的凍融破壞機理，國內外尚未得到統一的認識和結論，也給凍融循環作用下，混凝土的耐久性指標及力學性能指標的理論和試驗研究來了一定的難度。

3 研究歷史與現狀

混凝土作為最普遍的建筑材料之一，在工程應用中已有100多年的歷史。長期以來，人們認為混凝土結構持久耐用。然而事實并非如此，混凝土結構建成后，在周圍環境因素的侵蝕下，隨其使用時間的延長，結構內部將發生一系列物理、化學變化，其各種物理性能逐漸降低，對整個結構適用性和安全性造成影響。而凍融循環是嚴寒地區水工混凝土損傷破壞的重要因素之一。

因此，工程界對混凝土抗凍性非常關心。凍融循環作用下，混凝土的耐久性和力學性能的變化，引起國內外眾多學者的興趣，不僅因為它是影響混凝土結構壽命與性能的一個非常重要的因素，同時也因為混凝土的凍害發生的范圍極其廣泛。

在以往的對凍融循環作用下混凝土抗拉、抗壓強度的下降規律的研究認為抗拉、抗壓強度的損失率與動彈性模量的損失率相關，可以通過測量動彈性模量來估計混凝土的剩余強度。同時指出，作為一種非破損實驗，動彈性模量的測量是實用而有效的。但由于自身的局限性，動彈性模量不能全面反映混凝土的各項性能，尤其不能很好地反映混凝土的抗壓性能。目前混凝土抗凍性試驗多以動彈性模量作為混凝土破壞程度的指標，似嫌不足。

通過配制四種不同強度等級的普通混凝土，對混凝土試件進行了 0、25、50、75、100、125 次的凍融循環，測定了立方體抗壓強度、劈拉強度、動彈性模量及質量損失等數據，并建立了抗壓強度和劈拉強度與動彈性模量的關系式，為抗壓強度和劈拉強度的確定提供依據。

對C30混凝土進行了凍融循環后混凝土的抗壓、抗折、劈拉強度試驗，研究結果表明，凍融循環作用對混凝土強度的影響比對相對動彈性模量或重量損失的影響要大，在相對動彈性模量或重量損失滿足要求時，混凝土強度不一定滿足要求。因此，混凝土的動彈性模量或重量損失作為抗凍性能指標已不再合適。

采用新老混凝土粘結而制作的立方體試件，通過快速凍融試驗，研究了凍融循環作用對新老混凝土粘結性能的影響。結果表明，凍融循環作用會明顯降低新老混凝土的粘結強度。

采用配制強度為62MPa高強混凝土和38MPa的普通混凝土，進行凍融循環作用下混凝土抗拉強度、劈裂抗拉、抗剪強度以及的研究，試驗表明隨凍融循環次數的增加，混凝土抗拉強度、劈裂抗拉、抗剪強度和動彈性模量是逐漸降低的。

采用Z形試件剪切試驗方法，對混凝土試件在凍融循環作用下的剪切強度進行了試驗研究，定性分析了在凍融循環作用下，混凝土的相對剪切強度隨凍融循環次數的增加而降低，其降低程度與混凝土自身的強度有關。

采用快速凍融方法，對混凝土試件和根據混凝土配合比制成的砂漿試件，進行了100次、200次、300次的凍融循環，并檢測了凍融循環對海水混凝土抗壓強度、彈性模量及應力—應變關系的影響；在混凝土細觀力學方面，對混凝土試件進行了數值模擬，各組成相的材料性質按照Webull分布來賦值，結果表明，該方法為進一步開展混凝土結構在凍融作用下的劣化機理和計算模型的研究提供了依據。

對4種不同水灰比的混凝土先后進行了凍融循環和加速碳化試驗，凍融循環次數選擇0、50、150次，試件尺寸為100mm×100mm×100mm。研究結果表明，凍融作為混凝土損傷的動力源，加速碳化進程，循環次數越多，相應的碳化深度越大。

在MgSO4溶液條件下，采用快凍法和常溫腐蝕方法研究了高強混凝土的應力腐蝕行為，試件尺寸為40mm×40mm×160mm。研究表明，凍融循環作用顯著加速了混凝土的硫酸鹽應力腐蝕破壞進程。

通過對四種不同配比混凝土進行凍融循環（0、50、150次）和氯離子侵蝕試驗，研究凍融作用對混凝土中氯離子侵蝕的影響。結果表明，凍融循環使混凝土孔隙率增大，它是混凝土損傷的動力源，為氯離子侵蝕創造更為有利的條件；凍融次數越多，氯離子侵蝕越嚴重。

以上研究表明，對于寒冷地區的水工混凝土，僅以相對動彈性模量降至60%和質量損失率達到5%作為凍融破壞的評價指標不一定合適，需要測試凍融循環作用下混凝土的其他耐久性指標和力學性能指標，并可建立動彈性模量損失與力學性能指標損失的相關性。而動彈性模量損失與耐久性指標的相關性研究，至今還鮮有研究。

現有動彈性模量損失與力學性能指標損失的相關性研究中，均是采用相同的混凝土配比，分別制作動彈性模量測試試件和力學性能指標測試試件進行凍融循環的，而試件尺寸的不同，會影響試件的凍融損傷程度，即動彈性模量測試試件與力學性能指標測試試件的凍融損傷程度不同，故二者相關性的建立也就存在一定的偏差。因此，采用100mm×100mm×400mm混凝土試件，按照“凍融循環—動彈性模量測試—其他耐久性指標和力學性能指標測試”的基本思路開展試驗研究，建立動彈性模量損失與力學性能指標損失的相關性，對水工混凝土結構的設計具有重要意義。

4 凍融循環作用下水工混凝土耐久性及力學性試驗方法探討

針對不同配制強度的水工混凝土，應按照“凍融循環—動彈性模量測試—其他耐久性指標和力學性能指標測試”的基本思路展開試驗研究。即首先制作100mm×100mm×400mm的混凝土試件，在標準養護室中養護28d后，進行循環次數為 0、25、50、75、100、125、150 次的凍融循環試驗，測試混凝土的質量損失與動彈性模量損失，然后再將該試件進行加工，用作混凝土的其他耐久性指標及力學性能指標試驗。

研究技術路線如圖1所示。

4.1 質量損失和動彈性模量測試

每凍融循環25次，進行質量損失和動彈性模量的測定試驗，研究混凝土的質量損失率及動彈性模量損失率隨凍融循環次數的變化規律。為進一步研究混凝土耐久性及力學性能指標損失與彈性模量損失的相關性奠定基礎。

4.2 耐久性指標試驗

動彈性模量測試后對試件進行加工，測試混凝土的耐久性指標（抗碳化性能、抗滲性能、抗硫酸鹽侵蝕性能和抗氯離子侵蝕性能），研究混凝土的耐久性指標隨凍融循環次數的退化規律。建立在凍融循環作用下，不同配制強度的混凝土耐久性指標的退化模型。

4.3 力學性能指標試驗

動彈性模量測試后對試件進行加工，測試混凝土的力學性能指標（立方體抗壓強度、單軸抗壓強度、抗剪強度、粘結強度和彎曲性能），研究混凝土的力學性能指標隨凍融循環次數的退化規律。建立在凍融循環作用下，不同配制強度的混凝土力學性能指標的退化模型。

4.4 耐久性指標及力學性能指標損失與動彈性模量損失的相關性

動彈性模量作為一種非破損試驗方法，它的測量具有可重復性，測量方法簡單。因此，在凍融循環作用條件下，混凝土的耐久性指標及力學性能指標的損失與動彈性模量損失的相關性研究，可為水工建筑物的設計、維修及其壽命預測等提供試驗及理論依據。

基于上述試驗研究結果，采用數學分析軟件，可進行水工混凝土力學性能指標的損失與動彈性模量損失的相關性研究。而水工混凝土的耐久性指標損失與動彈性模量損失的相關性，有待進一步的理論分析和試驗研究。

5 結論

隨著凍融循環次數的增加，混凝土的耐久性和力學性能是逐漸退化的；對普通混凝土，僅以相對動彈性模量值降至60%和質量損失率達到5%作為凍融破壞的評價指標不一定合適，需要參考強度指標及其他耐久性指標；提出“凍融循環—動彈性模量測試—其他耐久性指標和力學性能指標測試”的研究思路，是研究水工混凝土動彈性模量損失與混凝土其他耐久性指標和力學性能指標損失相關性的合理途徑；動彈性模量損失與力學性能損失的相關性，國內外已進行了初步的研究，而動彈性模量損失與混凝土其他耐久性指標的相關性，還有待進一步的理論分析和試驗研究