早期受凍混凝土服役性能損傷探究

胡曉鵬， 趙 楠， 楊 超， 牛荻濤

(西安建筑科技大學 土木工程學院， 陜西 西安 710055)

秋末冬初、冬末春初季節交替時，氣溫突變情況時有發生.實際工程中常常無法對剛澆筑的混凝土進行及時的防凍保護，導致混凝土在水化過程中一次或重復受凍，對混凝土結構服役期的承載性能和耐久性能造成難以彌補的損害.20世紀七八十年代國內外學者研究了混凝土早期受凍損傷規律和機理，提出了混凝土早期受凍“臨界強度值”[1].然而，“臨界強度值”這一性能指標僅僅針對混凝土的抗壓強度，并不能全面反映混凝土的早期受凍損傷程度；且大多采用室外自然受凍試驗模式，其中的受凍溫度、持續時長等因素無法精確控制.

2000年后國內外學者重新重視混凝土早期受凍損傷規律的研究.文獻[2-3]將混凝土分為新澆注混凝土、硬化中混凝土、幼齡期混凝土3個階段，闡述了混凝土早期凍融損傷的破壞機理.文獻[4-6]通過混凝土的早期凍融試驗，研究了早期凍傷混凝土的質量損失、抗壓強度損失和動彈性模量變化.文獻[7-9]通過混凝土早期凍融試驗，分析了早期凍傷混凝土的孔隙結構變化情況.然而，這些研究大多基于GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行混凝土材料的早期凍融試驗，試驗環境與實際工程條件存在明顯差異，將硬化混凝土凍融試驗方法用于研究物理形態多變、性能時變的早期混凝土受凍損傷規律顯然不合理.另外，目前混凝土早期凍融損傷方面的研究大多關注混凝土的宏觀性能指標損傷(強度、相對動彈性模量等)，而較少關注早期受凍后混凝土的微裂縫發展、孔隙變化等微觀性能.模擬實際工程環境，從宏觀和微觀兩方面系統研究早期受凍混凝土的服役性能，對于準確評定混凝土的早期受凍混凝土結構的承載性能具有重要的理論意義.

本文以-5℃環境下冷凍1次、持續時間8h ，來模擬早期突然受凍環境.通過測試不同起凍時刻混凝土服役期的宏觀性能(損傷形態、抗壓強度、劈拉強度、相對動彈性模量、滲透性等)和微觀性能(微觀形態、孔隙結構等)，分析早期受凍對混凝土服役性能的影響規律和損傷機理.

1 試驗

1.1 原材料及配合比

水泥為普通硅酸鹽42.5水泥；細骨料為灃河河砂，細度模數為2.9，堆積密度為1450kg/m3；粗骨料為粒徑0.5～2.0cm的碎石，壓碎指標為12%(質量分數，文中壓碎指標、減水率等除特別注明外，均為質量分數)，堆積密度為1600kg/m3；高效減水劑為RD-N型高效減水劑，減水率在20%左右，1h內無坍落度損失，摻入量為膠凝材料質量的1%.混凝土配合比見表1，混凝土坍落度為65mm，室外自然壞境(10℃左右)下初凝及終凝時間分別為90,360min.

表1 混凝土配合比Table 1 Mix proportion of concrete kg/m3

1.2 試件成型與養護

將澆筑振搗成型好的混凝土試件在室外自然環境下分別養護至0.5h(初凝前)、2.0h(初凝與終凝之間)、8.0h(終凝后)、1d(終凝后)和3d(終凝后)，將試件置于-5℃的氣溫模擬試驗箱內冷凍8h后取出.預留未凍融混凝土試件作為對比試件.將所有試件在室內自然環境下養護至服役期(本試驗為1a左右)后，測試其表面損傷形態、抗壓強度、劈拉強度、相對動彈性模量、滲透性、微觀損傷形態和孔隙結構.強度測試采用邊長為100mm的立方體試件；損傷形態、相對動彈性模量、內部孔隙測試采用100mm×100mm×400mm 的棱柱體試件；滲透性測試采用邊長為150mm 的立方體試件.

1.3 凍融損傷評價指標

損傷形態：對不同時刻起凍的混凝土試件進行切片并使用碳化硅丙三醇懸濁液拋光處理，使用高清照相機記錄其宏觀破損形態；隨后取含有骨料與凝膠體結合部位的局部試樣，采用S4800電子顯微鏡觀察其微觀形態.

強度損失率：依據GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》的技術要求，測試混凝土的抗壓強度和劈拉強度，計算其抗壓強度損失率和劈拉強度損失率.

相對動彈性模量：參照文獻[10]，使用超聲波檢測儀測試超聲波聲時，并按Ed=(t0/tn)2(其中Ed為相對動彈性模量；t0為未凍混凝土的超聲波聲時；tn為不同起凍時刻n下早期受凍混凝土的超聲波聲時)計算混凝土的相對動彈性模量.

滲透性：因一般大氣環境下混凝土的滲水性、滲氣性與其耐久性有一定的相關性，本文采用混凝土水氣滲透率測試儀AutoClam分別測試試件的滲氣性和滲水性.以測試時間為x軸，以第 5min 至第15min 壓力的自然對數為y軸，繪制曲線，所得直線斜率即為空氣滲透性系數ka；以測試時間的平方根為x軸，以第5min至第15min的滲水量為y軸，繪制曲線，所得直線斜率即為水滲透性系數kw.

孔隙結構：對試件進行切割、拋光、烘干、碳墨涂色、涂抹氧化鋅凡士林混合膠液等處理后，采用Rapid Air457混凝土氣孔結構分析儀測試試件的孔隙結構[11]，利用單導線法掃描試件，并記錄孔隙數量，計算得到試件的含氣量(體積分數)、孔隙間距系數、平均孔徑等孔隙結構參數.

2 試驗結果分析

2.1 損傷形態

圖1給出了不同起凍時刻混凝土的損傷形態.由圖1可見：

(1)未凍混凝土試件表面無明顯的肉眼可見裂縫；水化產物(纖維狀水化凝膠C-S-H和棒狀鈣礬石(AFt)晶體)大量生成，且具有規則形狀的晶核通過溶解-結晶機制沉淀在凝膠基體表面，AFt成簇聚集；此時C-S-H凝膠與AFt晶體混合形成致密的硬化漿體基體[12]，漿體基體與粗骨料界面連接緊密，孔隙分布均勻.

(2)0.5, 2.0h受凍混凝土試件由于起凍時刻過早，受凍時混凝土尚處于材料硬化過程；盡管混凝土中粗骨料及漿體形成了一定的骨架結構，但骨架結構強度較低，此刻受凍會完全或大部分破壞混凝土的骨架結構，試件四周出現明顯脫落，漿體自身、漿體與粗骨料界面處均有肉眼可見的針狀裂縫與貫穿裂縫，漿體強度較低造成細骨料顆粒顯露顯著.

(3)8.0h受凍混凝土試件由于混凝土材料硬化過程已完成，粗骨料及漿體組成的骨架結構具備了相當強度，可以抵抗部分凍脹應力，但因骨架結構強度有限，此刻受凍仍會部分破壞混凝土的骨架結構，造成混凝土試件四周出現輕微脫落，漿體自身、漿體與粗骨料間有肉眼可見裂縫，但裂縫寬度明顯小于終凝前受凍試件.

(4)1,3d受凍混凝土試件因混凝土水化程度較高、強度較高，粗骨料及漿體已形成較緊密的骨架結構，此刻受凍骨架結構會抵抗大多數的凍脹應力，僅在漿體與粗骨料界面的薄弱處形成細微裂縫.

2.2 宏觀性能參數

表2給出了不同起凍時刻(t)的混凝土抗壓強度fcu，劈裂抗拉強度ft，相對動彈性模量Ed，空氣滲透性系數ka以及水滲透性系數kw的測試結果.其中，“-”表示滲透性數據已超過AutoClam測試范圍，表明其抗滲氣性或抗滲水性很差.

由表2可以看出：

(1)受凍混凝土抗壓強度損失程度依次為2.0h>0.5h>8.0h>1d>3d，相應的抗壓強度損失率約為30.1%，22.3%，18.1%，7.6%，0.3%；受凍混凝土劈拉強度損失程度為2.0h>8.0h>0.5h>1d>3d，相應的劈拉強度損失率約為36.5%，34.6%，31.5%，24.7%，6.5%.對比發現，早期受凍造成的混凝土劈拉強度損失比抗壓強度損失更顯著.

(2)受凍混凝土相對動彈性模量損失程度依次為2.0h>0.5h>8h>1d>3d，即初凝與終凝期間受凍混凝土相對動彈性模量損失最大，初凝前受凍次之，終凝后相對動彈性模量損失隨著齡期的增加逐漸減少，3d受凍混凝土的相對動彈性模量損失僅為5%左右.

(3)3d受凍試件的空氣滲透性系數和水滲透性系數均大于未凍試件；1d受凍試件的空氣滲透性系數和水滲透性系數最大；0.5，2.0，8.0h這3個時刻受凍后，混凝土的抗滲氣性和抗滲水性很差，AutoClam設備加壓的氣體壓強在極短時間內消散，設備所加的水也很快完全滲入試件中，超出了設備的測試范圍.

2.3 孔隙結構

混凝土早期突然受凍除了會造成水泥漿體與粗骨料界面、漿體自身產生微裂縫外，還會造成漿體自身孔隙結構(含氣量、孔隙大小、孔隙數量、孔隙連通性等)的變化.表3給出了不同時刻受凍混凝土試件服役期孔隙結構的測試結果.

由表3可以看出：

(1)與未凍混凝土相比，混凝土終凝后(8.0h，1d，3d)受凍，其服役期的含氣量、孔隙頻率、平均弦長、氣孔總步長及孔隙數量均明顯增大，比表面、孔隙間距系數及漿氣比均明顯減少；隨著起凍時刻的推遲，孔隙結構特征參數的變化程度漸小.說明終凝后受凍造成混凝土材料的孔隙總量增大、孔隙直徑增大、氣泡數量增加、氣泡間距減小，導致混凝土內部結構疏松；但隨著起凍時刻的推遲，上述孔隙結構參數趨近于未凍混凝土.

圖1 不同起凍時刻混凝土的損傷形態Fig.1 Damage modes of different frozen concretes

IndexFrozen up timeUnfrozen0.5h2.0h8.0h1d3dfcu/MPa31.624.622.125.929.231.5ft/MPa3.92.72.52.63.03.7Ed/%100.082.178.591.292.394.9ka/[(ln Pa)·min-1]45———8062kw×10-7/(m3·min-0.5)13.84———19.9914.44

表3 早期受凍混凝土的孔隙結構參數Table 3 Pore structure characteristics of early frost concretes

(2)與未凍混凝土和終凝后受凍混凝土相比，混凝土初凝前(0.5h)受凍，其服役期的含氣量、孔隙頻率、平均弦長、氣孔總步長及孔隙數量均急劇增大，分別是未凍混凝土的5.24，4.44，1.18，5.27，4.44倍，比表面、孔隙間距系數及漿氣比明顯降低.說明初凝前受凍造成混凝土結構密實度及整體性受損程度比終凝后受凍混凝土嚴重.

(3)與未凍混凝土、其他時刻起凍混凝土相比，混凝土初凝后終凝前(2.0h)受凍時，其服役期的含氣量、平均弦長及氣孔總步長最大，比表面最小，孔隙頻率數量略小于初凝前受凍混凝土，孔隙間距系數與未凍混凝土相差不大.說明初凝后終凝前受凍混凝土服役期的孔徑分布雜亂，結構整體性極差，早期凍害受損最為嚴重.

圖2給出了不同時刻受凍混凝土服役期各孔徑梯度下弦長頻率和含氣量的變化規律.

由圖2可以看出：

(1)終凝后(8.0h,1d，3d)受凍混凝土與未凍混凝土的各孔徑梯度下弦長頻率的分布表現為孔徑0～0.08mm的孔隙大量存在，孔徑0.01～0.04mm的弦長頻率最高，孔徑0.08～1.50mm 的孔隙出現的頻率較低，而1.50～4.00mm孔徑含量極低或不存在.各孔徑梯度下含氣量表現為V型分布，即極小孔徑含氣量較高，隨孔徑變大含氣量下降并趨于平緩，而后大孔徑含氣量又明顯上升.說明終凝后受凍混凝土、未凍混凝土的大孔徑量少、小孔徑量多，兩者的含氣量均較高.

(2)與終凝后(8.0h，1，3d)受凍混凝土的弦長頻率及含氣量分相比，初凝前(0.5h)受凍混凝土孔徑0～0.06mm的弦長頻率明顯降低，0.06～1.00mm的弦長頻率輕微增大，1.0～4.0mm孔徑含量極低.各孔徑梯度含氣量表現為V型分布，但各孔徑梯度含氣量均不同程度增大，尤其是0.22～0.24mm 孔徑的含氣量增大明顯(約增大4倍).

(3)與0.5h受凍混凝土相比，初凝后終凝前(2.0h)受凍混凝土各孔徑梯度的弦長頻率、含氣量分布相似，但孔徑0～1.00mm的弦長頻率輕微降低，孔徑1.70～4.00mm的弦長頻率明顯增大；各孔徑含氣量表現為V型分布，但孔徑0～1.60mm 的含氣量輕微降低，孔徑2.00～4.00mm的含氣量明顯增大.

3 起凍時刻對混凝土服役性能的影響分析

混凝土初凝前受凍，由于水化反應剛開始、可塑性較強、自由水含量極高等因素，在-5℃外界環境下部分自由水凍結成冰后膨脹，造成混凝土內部產生凍脹應力，加之凍結過程中冰晶前進的不均勻使得混凝土內部應力不斷進行重新分布[13]，阻止了膠凝體和粗骨料的結合，抑制了水化反應的進行和強度的增長.當初凝前混凝土轉入標準條件下養護后，冰晶融化成水，大量水泥顆粒參與到未完成的水化過程中，生成一定的水化產物，實現了混凝土材料的自我修復.

圖2 早期受凍混凝土含氣量和弦長頻率分布圖Fig.2 Frequency histogram of air content and chord length frequency of early-frost concrete

混凝土初凝后終凝前，混凝土部分失去塑性，混凝土部分強度已形成，受凍過程與初凝前相似，但在凍脹應力及靜水壓力共同作用下已成型的凝膠體開裂，漿體自身、漿體與粗骨料間出現明顯裂縫，混凝土整體性和密實性遭到破壞.與初凝前受凍的混凝土相比，轉入標準養護后繼續參與水化的水泥顆粒相對較少，混凝土強度回升有限.

混凝土終凝后起凍，在受凍之前水化反應已充分快速進行，大量水化產物生成，水泥石的結構組織趨于密實均勻，混凝土已經具備較高強度,這種強度較大程度上可以抵抗自由水結冰所形成的凍脹應力及靜水壓力，因此早期凍傷對混凝土服役性能的影響越來越小.

4 結論

(1)未凍混凝土中無明顯可見裂縫，粗骨料與漿體間連接緊密，漿體密實，孔隙分布均勻；0.5，2.0h受凍試件四周出現明顯脫落，漿體自身、漿體與粗骨料界面處有可見針狀裂縫與貫穿裂縫，細骨料顆粒顯露明顯；8.0h受凍試件四周出現輕微脫落，漿體自身、漿體與粗骨料界面處有肉眼可見裂縫，但裂縫寬度明顯小于終凝前受凍試件；1，3d受凍混凝土受凍試件完整度較好，但個別粗骨料與漿體界面處有細微裂縫.

(2)混凝土抗壓強度、劈拉強度及相對動彈性模量的損失程度均表現為2.0h>0.5h≈8.0h>1d>3d，劈拉強度損失最顯著，抗壓強度損失次之，相對動彈性模量損失最小.3d受凍試件的抗滲性略差于未凍混凝土，1d受凍試件更差，0.5，2.0，8.0h受凍試件最差.

(3)終凝后受凍造成混凝土的孔隙總量增大、孔隙直徑增大、氣泡數量增加、氣泡間距減小，導致混凝土內部結構疏松；但隨著起凍時刻的推遲，孔隙參數趨近于未凍混凝土.與未凍混凝土、終凝后受凍混凝土相比，混凝土初凝前受凍其服役期的含氣量、孔隙頻率、平均弦長、氣孔總步長及孔隙數量急劇增大，比表面、孔隙間距系數及漿氣比明顯降低.初凝后終凝前受凍混凝土服役期的孔徑分布雜亂，結構整體性極差，早期凍害受損最為嚴重.

(4)未凍混凝土、終凝后受凍混凝土的大孔徑量少、小孔徑量多，兩者含氣量均較高.0.5h受凍混凝土孔徑0～0.06mm的弦長頻率明顯降低，0.06～1.00mm的弦長頻率輕微增大，各孔徑梯度的含氣量均不同程度增大，尤其是2.20～2.40mm孔徑的含氣量增大明顯.與0.5h受凍混凝土相比，2.0h受凍混凝土孔徑0～1.00mm的弦長頻率輕微降低，而孔徑1.70～4.00mm的弦長頻率明顯增大，孔徑0～1.60mm的含氣量輕微降低，而孔徑2.00～4.00mm的含氣量明顯增大.

參考文獻：

[1] 崔靜忠.混凝土的早期受凍[J].混凝土，1983(6)：14-18.

CUI Jingzhong.Early frost of concrete[J].Concrete，1983(6):14-18.(in Chinese)

[2] 冀曉東.凍融后混凝土力學性能及鋼筋混凝土粘結性能研究[D].大連：大連理工大學，2007.

JI Xiaodong.The experimental study and theoretical analysis on the mechanical performance of concrete and bond behavior between concrete and steel bar after freezing and thawing[D].Dalian:Dalian University of Technology,2007.(in Chinese)

[3] MIN T B，CHO I S，PARK W J，et al.Experimental study on the development of compressive strength of early concrete age using calcium-based hardening accelerator and high early strength cement[J].Construction and Building Materials,2014，64(8):208-214.

[4] 巴恒靜，張惠，趙亞丁.早期受凍對混凝土強度的影響[J].低溫建筑技術，2013(6)：1-4.

BA Hengjing，ZHANG Hui，ZHAO Yading.The effect of early-age frozen damage on compressive strength of concrete[J].Low Temperature Architecture Technology.2013(6):1-4.(in Chinese)

[5] 張延年，劉旭峰，徐馳，等.齡期對凍融循環后混凝土影響試驗[J].沈陽建筑大學學報(自然科學版)，2012，28(2)：261-268.

ZHANG Yannian，LIU Xufeng，XU Chi，et al.Experimental research of influence of age on concrete after freeze-thaw cycle[J].Journal of Shenyang Jianzhu University(Natural Science)，2012，28(2):261-268.(in Chinese)

[6] 聶志平.混凝土早期凍融循環后滲透性能的研究[D].沈陽：沈陽建筑大學，2011.

NIE Zhiping.Study on the permeability of concrete in the early stage of freezing and thawing cycles[D].Shenyang:Shenyang Jianzhu University，2011.(in Chinese)

[7] 王鈺.施工期受凍混凝土與鋼筋的力學性能研究[D].大連：大連理工大學，2007.

WANG Jue.Experimental study on mechanical properties between steel bar and frozen concrete during winter construction[D].Dalian:Dalian University of Technology，2007.(in Chinese)

[8] QIN X C，MENG S P，CAO D F，et al.Evaluation of freeze-thaw damage on concrete material and pre-stressed concrete specimens[J].Construction and Building Materials，2016，125(10):892-904.

[9] MA Z M，WITTMANN F H，XIAO J Z，et al.Influence of freeze-thaw cycles on properties of integral water repellent concrete[J].Journal Wuhan University of Technology，2016，31(4):851-856.

[10] 關虓，牛荻濤，肖前慧，等.氣凍氣融作用下混凝土抗凍性及損傷層演化規律研究[J].鐵道學報，2017，39(3)：112-119.

GUAN Xiao,NIU Ditao,XIAO Qianhui,et al.Study on frost resistance of concrete and education law of concrete damage cayer thickness under air-freezing and air-thawing[J].Journal of the China Railway Society,2007,39(3):112-119.(in Chinese)

[11] CARLSON J，SUTTER L，DAM T V，et al.Compa-rison of flatbed scanner and rapid air 457system for determining air void system parameters of hardened concrete[J].Transportation Research Record Journal of the Transportation Research Board，1979(1):54-59.

[12] 閻培渝，韓建國.復合膠凝材料的初期水化產物和漿體結構[J].建筑材料學報，2004，7(2):202-206.

YAN Peiyu,HAN Jianguo.Early-age hydrates and paste structure of complex binders[J].Journal of Building Materials,2004,7(2):202-206.(in Chinese)

[13] 王立久，袁大偉.關于混凝土凍害機理的思考[J].低溫建筑技術，2007(5):1-3.

WANG Lijiu，YUAN Dawei.The research of mechanism of freeze-thaw damage in concrete[J].Low Temperature Architecture Technology，2007(5):1-3.(in Chinese)