凍融介質(zhì)及溫度閾值對(duì)混凝土快速凍融試驗(yàn)試件溫度歷程的影響

葛昕

1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081

在我國寒冷地區(qū)凍融破壞是混凝土材料的主要病害之一，在結(jié)冰膨脹壓力和滲透壓力的共同作用下混凝土?xí)a(chǎn)生由表及里的粉化和剝蝕，當(dāng)表層混凝土的粉化和剝蝕量達(dá)到一定程度后則失去對(duì)鋼筋的保護(hù)作用，影響到混凝土結(jié)構(gòu)的安全［1-4］。為了科學(xué)評(píng)價(jià)混凝土材料的抗凍性能，GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中提出了慢凍法、快凍法和單面凍融法三種試驗(yàn)方法，其中快凍法因其穩(wěn)定的試驗(yàn)結(jié)果、高效的試驗(yàn)效率應(yīng)用最廣泛［5］。

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，我國普遍采用快速凍融試驗(yàn)機(jī)開展混凝土抗凍試驗(yàn)，在JG/T 243—2009《混凝土抗凍試驗(yàn)設(shè)備》中對(duì)混凝土快速凍融試驗(yàn)機(jī)的組成、材料、使用條件、使用要求、試驗(yàn)方法等作出了詳細(xì)規(guī)定［6］。

在混凝土抗凍試驗(yàn)中，主要通過凍融箱內(nèi)防凍液、以防凍液為凍融介質(zhì)的測溫試件（用于控制冷凍、融化過程）、以水為凍融介質(zhì)的凍融試件（用于測試混凝土抗凍性能）之間的熱量轉(zhuǎn)換（圖1），實(shí)現(xiàn)對(duì)凍融試件溫度的控制。抗凍試驗(yàn)中乙二醇溶液是應(yīng)用最廣泛的防凍液，其在凍融過程中不會(huì)產(chǎn)生相變［7-8］，而水在凍融過程中存在水—冰相變，因此在凍融循環(huán)過程中，以水為凍融介質(zhì)的凍融試件的溫度變化歷程必然有異于以防凍液為凍融介質(zhì)的測溫試件，從而影響混凝土材料抗凍性能試驗(yàn)值的準(zhǔn)確性。因此，本文研究不同凍融介質(zhì)、測溫試件和凍融箱內(nèi)防凍液的溫度閾值對(duì)測溫試件和凍融試件溫度變化歷程的影響規(guī)律，為提高混凝土抗凍試驗(yàn)的合理性和準(zhǔn)確性提供支撐。

圖1 混凝土快速凍融試驗(yàn)的熱量轉(zhuǎn)換

1 試驗(yàn)過程及方法

1.1 試驗(yàn)原材料及配合比

1.1.1 試驗(yàn)原材料

水泥采用北京金隅水泥經(jīng)貿(mào)有限公司生產(chǎn)的P·O42.5普通硅酸鹽水泥，其物理和力學(xué)性能見表1。粉煤灰采用F類Ⅱ級(jí)粉煤灰，燒失量為3.1%。粗集料為5～25 mm連續(xù)級(jí)配碎石，細(xì)集料為細(xì)度模數(shù)2.88的中砂。外加劑為聚羧酸高性能減水劑，其性能指標(biāo)見表2。試驗(yàn)用水為北京市飲用自來水。

表1 水泥物理和力學(xué)性能

表2 外加劑的性能指標(biāo)

1.1.2 混凝土配合比（表3）

表3 混凝土配合比

1.2 試驗(yàn)儀器

選擇插入式溫度傳感器作為測溫設(shè)備，其測量范圍為-30～30℃，測量精度為±0.3℃。

利用北京三思行測控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的快速凍融試驗(yàn)機(jī)開展混凝土抗凍試驗(yàn)。此試驗(yàn)機(jī)滿足JG/T 243—2009要求，內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 混凝土快速凍融試驗(yàn)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.3 試驗(yàn)步驟

1）按照表3中的配合比制備9個(gè)尺寸（長×寬×高）為400 mm×100 mm×100 mm的混凝土試件。混凝土澆筑時(shí)在試件中心預(yù)埋溫度傳感器，并利用少量膠水密封溫度傳感器與試件表層混凝土的接觸面，如圖3所示。混凝土試件拆模后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)至24 d齡期。

圖3 預(yù)埋溫度傳感器的混凝土試件

2）養(yǎng)護(hù)至24 d齡期，將試件放入橡膠試驗(yàn)盒內(nèi)，其中6個(gè)橡膠試驗(yàn)盒倒入水，3個(gè)橡膠試驗(yàn)盒倒入防凍液，確保試件完全浸泡于凍融介質(zhì)中，持續(xù)浸泡至28 d齡期，即制作完成3個(gè)以防凍液作為凍融介質(zhì)的測溫試件、3個(gè)以水作為凍融介質(zhì)的測溫試件、3個(gè)以水作為凍融介質(zhì)的凍融試件。

3）將9個(gè)帶有試件的橡膠試驗(yàn)盒移至快速凍融試驗(yàn)機(jī)中的試件架上，開始快速凍融循環(huán)試驗(yàn)。

4）改變測溫試件的凍融介質(zhì)、測溫試件和凍融箱內(nèi)防凍液的溫度閾值，測量測溫試件和凍融試件的中心溫度。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 凍融介質(zhì)對(duì)混凝土試件溫度變化歷程的影響

測溫試件的溫度閾值設(shè)定為（-20、5℃），凍融箱內(nèi)防凍液的溫度閾值設(shè)定為（-25、10℃），通過改變測溫試件的凍融介質(zhì)，得到測溫試件、凍融試件及凍融箱內(nèi)防凍液溫度變化歷程，見圖4。

圖4 采用不同凍融介質(zhì)時(shí)測溫試件、凍融試件及凍融箱內(nèi)防凍液溫度變化歷程

對(duì)比圖4（a）和圖4（b）可見：①以防凍液為測溫試件的凍融介質(zhì)時(shí)凍融試件在1 400 min內(nèi)完成了7個(gè)凍融循環(huán)，而以水為測溫試件的凍融介質(zhì)時(shí)在相同時(shí)間內(nèi)僅完成6個(gè)凍融循環(huán)。②測溫試件凍融介質(zhì)的改變并未顯著影響凍融箱內(nèi)防凍液溫度閾值，但當(dāng)測溫試件的凍融介質(zhì)由防凍液變?yōu)樗畷r(shí)，延長了凍融箱內(nèi)防凍液溫度上限值（10℃）的持續(xù)時(shí)間。③當(dāng)改變測溫試件的凍融介質(zhì)時(shí)，凍融試件中心溫度變化歷程的差異主要體現(xiàn)在0℃處。以防凍液為測溫試件的凍融介質(zhì)時(shí)，融化過程中凍融試件中心溫度達(dá)到0℃后不再上升，溫度維持在0℃約30 min后進(jìn)入冷凍循環(huán)；以水為測溫試件的凍融介質(zhì)時(shí)，融化過程中凍融試件中心溫度在0℃時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)短暫的溫度滯留期，隨后繼續(xù)上升至5℃后進(jìn)入冷凍循環(huán)。冷凍過程中也出現(xiàn)了與融化過程類似的現(xiàn)象。

2.2 溫度閾值對(duì)混凝土試件溫度變化歷程的影響

以防凍液為測溫試件的凍融介質(zhì)，通過調(diào)整測溫試件、凍融箱內(nèi)防凍液的溫度閾值，得到測溫試件、凍融試件及凍融箱內(nèi)防凍液溫度變化歷程，見圖5。

圖5 不同溫度閾值條件下測溫試件、凍融試件及凍融箱內(nèi)防凍液溫度變化歷程

對(duì)比圖5（a）和圖5（b）可見：當(dāng)測溫試件的溫度設(shè)定下限值保持不變，上限值從5℃調(diào)整至8℃時(shí)，凍融循環(huán)周期時(shí)長從200 min增長到300 min，增長約1/2，且凍融試件中心溫度上限值從0℃提高到7.6℃。其原因?yàn)椋簝鋈谙鋬?nèi)防凍液與測溫試件的溫度設(shè)定上限值過于接近時(shí)，凍融箱內(nèi)防凍液、凍融介質(zhì)、測溫試件之間熱量傳輸速率降低，需要更長的時(shí)間達(dá)到測溫試件的溫度設(shè)定上限值，融化過程所需時(shí)長大幅增加，從而增加整個(gè)凍融循環(huán)周期時(shí)長；當(dāng)融化過程時(shí)長大幅增加時(shí)，凍融試件中心溫度也更接近于測溫試件的溫度上限值（8℃）。

對(duì)比圖5（b）和圖5（c）可見：保持測溫試件溫度閾值和凍融箱內(nèi)防凍液溫度下限值不變，僅將凍融箱內(nèi)防凍液溫度的上限值從10℃調(diào)整至15℃時(shí)，凍融循環(huán)周期時(shí)長從300 min降低至200 min，降低約1/3，凍融試件中心溫度上限值從7.6℃降低到4.9℃。其原因?yàn)椋河捎趦鋈谙鋬?nèi)防凍液與測溫試件的溫度設(shè)定上限值的差異增大，凍融箱內(nèi)防凍液、凍融介質(zhì)、測溫試件之間熱量傳輸速率提高，凍融循環(huán)周期時(shí)長縮短，熱量傳輸時(shí)間減少，因此凍融試件中心溫度上限值略有降低。

2.3 混凝土快速凍融試驗(yàn)試件溫度變化歷程的調(diào)整方法

GB/T 50082—2009對(duì)混凝土快速凍融試驗(yàn)［5］的規(guī)定是：①混凝土凍融試驗(yàn)過程中，每次凍融循環(huán)時(shí)間在2～4 h內(nèi)完成；②融化時(shí)間不小于凍融循環(huán)時(shí)間的1/4；③凍融試件中心最低溫度為（-18±2）℃，最高溫度為（5±2）℃；④冷凍過程中凍融試件從3℃降至-16℃的時(shí)間不小于冷凍時(shí)間的1/2；融化過程中凍融試件從-16℃升至3℃的時(shí)間不小于融化時(shí)間的1/2；⑤凍融試件內(nèi)外溫差不大于28℃；⑥冷凍和融化之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間不宜超過10 min。

在圖4（a）中以防凍液為測溫試件的凍融介質(zhì)、測溫試件的溫度閾值為-20、5℃、凍融箱內(nèi)防凍液的溫度閾值為-25、10℃時(shí)，凍融試件的中心溫度最低值為-22℃，最高溫度僅為0.3℃。考慮到傳感器的精度為±0.3℃，凍融試件可能并未完全融化，尚未完成一個(gè)完整的凍融循環(huán)就進(jìn)入下一個(gè)冷凍過程，此種情況不滿足GB/T 50082—2009中第③條、第④條的要求。

在圖4（b）中以水為測溫試件的凍融介質(zhì)、測溫試件的溫度閾值為-20、5℃、凍融箱內(nèi)防凍液的溫度閾值為-25、10℃時(shí)，凍融試件的中心溫度在-19～5℃范圍內(nèi)波動(dòng)，滿足GB/T 50082—2009相關(guān)要求。

以防凍液為測溫試件的凍融介質(zhì)時(shí)，由于用于凍融試驗(yàn)的防凍液冰點(diǎn)低于-25℃［7.8］，在凍融循環(huán)試驗(yàn)過程中不會(huì)對(duì)測溫試件產(chǎn)生凍融損傷，而以水為測溫試件的凍融介質(zhì)時(shí)，凍融循環(huán)過程中測溫試件會(huì)因水結(jié)成冰的膨脹壓力對(duì)混凝土造成凍融損傷，當(dāng)損傷累積到一定程度后，測溫試件會(huì)產(chǎn)生破壞，因此與以防凍液為凍融介質(zhì)的測溫試件相比，以水為凍融介質(zhì)的測溫試件破壞速度顯著加速。這就意味著快速凍融試驗(yàn)機(jī)在長期使用過程中，需要頻繁更換以水為凍融介質(zhì)的測溫試件。考慮到各測溫試件之間的差異、試驗(yàn)高效和連續(xù)性要求，以水為測溫試件的凍融介質(zhì)，雖然在理論上滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但在實(shí)際使用過程中會(huì)降低試驗(yàn)效率。

圖5中以防凍液為測溫試件的凍融介質(zhì)。由圖5（a）到圖5（b）保持凍融箱內(nèi)防凍液溫度閾值（-25、10℃）和測溫試件溫度下限值（-20℃）不變，將上限值從5℃調(diào)整至8℃，凍融循環(huán)時(shí)間達(dá)5 h，無法滿足GB/T 50082—2009第①條的要求，在實(shí)際使用過程中效率過低。

由圖5（b）到圖5（c）保持測溫試件溫度閾值（-20、8℃）和凍融箱內(nèi)防凍液溫度下限值-25℃不變，將上限值從10℃調(diào)整至15℃，此時(shí)凍融試件的溫度變化歷程可以滿足GB/T 50082—2009的各項(xiàng)要求。

由圖5可以發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)整測溫試件和凍融箱內(nèi)防凍液的溫度閾值可以實(shí)現(xiàn)對(duì)凍融試件溫度閾值和凍融循環(huán)周期時(shí)長的調(diào)整，以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 結(jié)論與建議

1）測溫試件采用不同的凍融介質(zhì)時(shí)，測溫試件和凍融箱內(nèi)防凍液的溫度閾值無明顯變化，只影響其溫度上限值的持續(xù)時(shí)間。

2）以防凍液為測溫試件的凍融介質(zhì)、測溫試件溫度閾值為-20、5℃、凍融箱內(nèi)防凍液溫度閾值為-25、10℃時(shí)，凍融試件的中心溫度不滿足GB/T 50082—2009要求。以水為測溫試件的凍融介質(zhì)、測溫試件溫度閾值為-20、5℃、凍融箱內(nèi)防凍液溫度閾值為-25、10℃時(shí)，雖然在理論上滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但由于測溫試件破壞速度加快，在實(shí)際使用過程中須頻繁更換，這會(huì)間接降低試驗(yàn)效率。

3）以防凍液為測溫試件的凍融介質(zhì)，通過調(diào)整測溫試件和凍融箱內(nèi)防凍液的溫度閾值，可以實(shí)現(xiàn)凍融試件溫度歷程和凍融循環(huán)周期時(shí)長的調(diào)整，滿足GB/T 50082—2009相關(guān)要求。