基于不同試驗條件的水工混凝土抗凍性能研究

李 洋

（北票市農村飲水工程建設管理站，遼寧 北票 122100）

調查顯示，中國已建成9.8萬余座各類水庫，總庫容達到9300億m3，廣泛分布于各個地區，不同地區的氣候環境和水庫承受的凍融循環次數具有明顯差異[1]。針對中國21世紀20年代、50年代、80年代平均氣溫《氣候變化國家評估報告》預估將升高1.2℃、2.2℃、3.2℃[2]，受凍融作用的水工構筑物區域劃分將因氣溫變化發生相應的改變，總體上使得南北分界線北移，這很可能導致水工構筑物受凍融次數的明顯增加，加速凍融破壞作用。此外，氣候變換使得極端天氣頻發，特別是地區的水工混凝土將因極端低溫的出現面臨更加嚴峻的挑戰。

當前，水工混凝土主要是在8℃±2℃的高溫和-17℃+2℃的低溫終了溫度條件下進行凍融試驗，從而評價其抗凍性能[3]。一般遵循以下原則設計抗凍等級：設計最冷月溫度＜-10℃的嚴寒區抗凍等級達到F300，設計溫度＞-3℃的溫和區抗凍等級F100或F50。對于水工混凝土抗凍耐久性國內外諸多學者開展了深入研究，并取得豐碩的成果[4-6]。借鑒調研資料[7]，我國華北、西北、東北地區最冷月極端平均低溫達到-32.7℃，南方地區為-8.4℃。針對最冷月氣溫條件和現行試驗方法、抗凍耐久性設計原則，本研究設計F50、F150、F300的水工混凝土，設定-50℃、-30℃、-15℃、-10℃、-5℃五個降溫終了溫度開展凍融循環試驗，探討了不同抗凍等級不同凍融溫度條件下各組試樣的抗凍性能。

1 試驗方法

1.1 原材料準備

膠凝材料選用海螺P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥，礦物摻合料選用鞍山成達電廠生產的Ⅰ級粉煤灰；粗、細骨料選用細度模數2.7的天然河砂和粒徑5～30mm連續級配的灰巖人工碎石；外加劑選用Air-202引氣劑和蘇博特PCA?-Ⅰ聚羧酸高效減水劑，拌合水選用當地自來水。經實驗室檢測，外加劑、粉煤灰、水泥的各性能參數和品質指標均符合現行標準要求，適用于抗凍耐久性試驗研究。

1.2 試驗配合比

根據氣候溫和區、氣候嚴寒區抗凍等級具體要求，以體積含氣量和配合比為變量，合理設計F50、F150、F300的混凝土試樣，經測試實際含氣量依次為2.6%、3.5%、5.6%，試驗配合比，見表1。

表1 試驗配合比 kg/m3

1.3 試驗方法

水工混凝土成型、養護等試驗操作嚴格按現行規范執行，試驗儀器主要選用GDJS-800氣候模擬系統，控制試樣中心溫度處于-70～150℃之間，控制精度0.1℃，波動度±0.5℃，恒溫時間、降溫速度等參數可通過系統程序控制。

設定試件中心降溫終了低溫有-50℃、-30℃、-15℃、-10℃、-5℃，統一降溫歷時2h，試件中心升溫終了溫度8℃，統一升溫歷時1h。經多次凍融循環，依次用電子天平(精度5g)、動彈性模量測定儀測定水工混凝土質量損失率和相對動彈模量，以此科學評估混凝土的抗凍耐久性能。

2 試驗結果與分析

2.1 凍融質量損失率

經多次凍融循環，在-50℃、-30℃、-15℃、-10℃、-5℃五種降溫終了溫度下F50、F150、F300的水工混凝土質量損失率， 凍融質量損失率變化曲線，見圖1。

圖1 凍融質量損失率變化曲線

由圖1可知，水工混凝土的質量損失率隨著凍融試驗降溫終了溫度的減小而增大，凍融循環達到200次后，降溫終了溫度從-5℃逐漸減小到-50℃，F50、F150中低抗凍等級的試樣質量損失率從2.4%、2.0逐漸提高到12.1%、9.1%；凍融循環達到350次后，F300高抗凍等級的試樣質量損失率從0.5%逐漸提高到7.6%。

2.2 動彈性模量變化

完成凍融質量損失測試后，利用儀器測定3種抗凍等級的混凝土試樣相對動彈模量，相對動彈模量變化曲線，見圖2。然后結合測試結果和凍融質量損失情況評估不同降溫終了溫度下各不同抗凍等級水工混凝土凍融耐久性。

圖2 相對動彈模量變化曲線

由圖2可知，經150次凍融循環后在-30℃降溫終了溫度下F50水工混凝土試件的動彈模量只有初始值的30.6%，持續凍融循環混凝土試件發生凍裂破壞；凍融循環達到100次后在-50℃降溫終了溫度下的動彈模量只有初始值的30.1%，持續凍融混凝土試件發生凍裂破壞。凍融循環達到經150次后在-50℃降溫終了溫度下F150水工混凝土試件的動彈模量只有初始值的28.4%。經350次凍融循環后，在降溫終了溫度從-5℃不斷減小到-50℃時過程中F300水工混凝土相對動彈模量從最初的80.0%逐漸下降到38.5%，表明隨著凍融降溫終了溫度的減小F300高抗凍等級的水工混凝土抗凍性能也快速下降。

2.3 最大凍融循環次數

以水工混凝土動彈模量減小到初始值的60%、質量損失達到5%為評定標準，在降溫終了低溫-50℃、-30℃、-15℃、-10℃、-5℃條件下，抗凍等級F50、F150、F300水工混凝土能夠經受的最大凍融循環次數，最大凍融循環次數，見圖3。

圖3 最大凍融循環次數

從圖3可以看出，在不同降溫終了低溫條件下高、中、低3種抗凍等級水工混凝土能夠承受的最大凍融循環次數變化規律基本一致，隨著降溫終了溫度的下降最大凍融循環次數均逐漸減小。根據降溫終了溫度-17℃條件下確定的F50抗凍等級，在-5℃或-10℃低溫下能夠承受的最大凍融次數可以達到100次，而實際上溫和區的水工構筑物很少處于-17℃的低溫環境。對嚴寒地區而言，即使依據降溫終了溫度-17℃條件下的F300抗凍等級，而溫度繼續減小到-30℃乃至-50℃時，水工混凝土能夠承受的最大凍融次數也只有200次，實際工程中達到-30～-50℃的低溫環境也是比較常見的。

2.4 作用機理分析

實際上，凍融破壞就是一定低溫下過冷的水和結冰的水所引起的體積膨脹及遷移，從而增大了內部孔壓，致使水工混凝土發生破壞[8-9]。當毛細孔含水率達到特定界限值時，結冰就會形成巨大的壓力，該壓力值主要與凍結速度、毛細孔含水率等因素相關，試驗過程中-50℃、-30℃、-15℃、-10℃、-5℃五個凍融降溫終了溫度的降溫速率依次為24℃/h、18℃/h、12℃/h、9℃/h、6℃/h，宏觀上表現出水工混凝土劣化程度和降溫速度逐漸增大的變化特征。

此外，在凍融試驗降溫終了溫度-17℃的現行標準中，由于凝膠孔和毛細孔中的水處于過冷或者結冰狀態，相同溫度下過冷水明顯高于冰的蒸氣壓，使得凝膠孔水向冰界面滲透直至處于平衡，該過程形成的滲透壓力也會影響其抗凍耐久性。在降溫終了溫度降低到-30℃、-50℃時，較降溫終了溫度-17℃時可能凝膠孔中處于過冷狀態的水量會明顯增多，從而使得發生滲透遷移的過冷水量更多，并進一步加大了滲透壓力，這也是減小降溫終了溫度會使得抗凍耐久性下降的重要原因之一。

3 結 論

1）F300、F150、F50抗凍等級水工混凝土的動彈模量損失、質量損失均隨著降溫終了溫度的降低而增大，凍融過程中能夠承受的最大凍融次數也不斷減小。

2）降溫終了溫度-17℃條件下確定的F50抗凍等級，在-5℃或-10℃低溫下能夠承受的最大凍融次數可以達到100次；依據降溫終了溫度-17℃條件下的F300抗凍等級，溫度繼續減小到-30℃乃至-50℃時，水工混凝土能夠承受的最大凍融次數也只有200次。

3）水工混凝土抗凍耐久性受凍融低溫自身的影響較大，主要表現為減小降溫終了溫度會使得凝膠孔中處于過冷狀態的水量明顯增多，過冷水遷移形成的滲透壓力是造成混凝土凍融破壞的重要原因之一；此外，水工混凝土抗凍性能還受凍融時低溫溫降速率的影響，溫降速率越高則劣化程度越大。