凍融循環作用下混凝土強度退化試驗研究

【摘 要】為研究凍融循環作用下標號混凝土的強度退化，選取了強度等級為C50、C60混凝土，在保證砂率和外加劑等一致情況下，對凍融0次、25次、50次、75次、100次、125次、150次后的混凝土的表面損傷情況、受壓破化現象、立方體抗壓強度、動彈性模量進行了研究。結果表明：隨著凍融次數增加混凝土表面剝蝕加劇、粗骨料露出；受壓破壞時裂縫數量增多、寬度增加、破壞時混凝土整體更加酥松；抗壓強度降低；動彈性模量下降。

【關鍵詞】混凝土； 凍融循環； 強度退化； 動彈性模量

【中圖分類號】TU502+.3【文獻標志碼】A

0 引言

我國寒冷地區分布非常廣泛，總體年平均氣溫低，冬季尤其嚴寒，相較其他地區，這些區域中橋梁鋼-混結構［1］更容易遭受凍融破壞的侵蝕，凍害也更加嚴重。在嚴寒的環境下性能會出現不同程度的劣化，因此研究凍融作用下混凝土的耐久性 ［2］，是保障橋梁在凍融環境下長期服役的關鍵。

國內外學者針對凍融作用對混凝土結構的耐久性作用進行了大量研究，結構表明，混凝土結構在凍融作用下，隨著凍融次數增加，混凝土結構性能的劣化會不斷加深直至混凝土結構完全破環［3-4］。目前針對混凝土的凍融破壞理論，認可度較高的是由美國學者Powers［5-7］提出的膨脹壓理論和滲透壓理論。劉佳奇等［8］對處于碳酸鹽環境下混凝土的凍融損傷進行了研究，結果表明碳酸鹽環境下混凝土凍融損傷明顯加劇。曹大富等［9-10］對凍融后混凝土的受壓受拉性能進行了試驗研究，提出了混凝土強度等級為C20～C50范圍內凍融作用下混凝土的應力-應變全曲線方程。本文針對C50、C60兩種高強度等級混凝土研究了其強度退化的規律。

1 試驗概況

1.1 試件設計及制作

本文分別澆筑了C50、C60兩種普通硅酸鹽混凝土試件（配合比見表1），混凝土試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm和100 mm×100 mm×400 mm兩種，分別用于混凝土抗壓強度和動彈性模量測試。為消除砂率和骨料種類對混凝土抗凍性的影響［11-12］，砂率均為0.36，骨料采用相同種類。

1.2 試驗方案

1.2.1 凍融試驗方案

本文采用快凍法進行凍融試驗。試件的凍融循環中心溫度控制最低和最高溫度調整（-15±2） ℃和（5±2）℃內，本次混凝土凍融循環的中心溫度也等同控制，其余試驗條件參照GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》的相關規定進行。為控制凍融過程中的溫度變化，在部分試件混凝土內部布置溫度測點（圖1）。

2 試驗結果

2.1 凍融表面損傷

混凝土澆筑養護完成后，表面光滑完整，在經歷一定次數的凍融循環，混凝土表面出現了不同程度的損傷。

凍融循環次數達到50次時，混凝土表面的表皮脫落的面積擴大，同時出現部分區域的小麻點；凍融循環次數達到100次時，混凝土表面出現了骨料暴露現象，表面粉砂情況加劇，同時混凝土容器底部沉有泥沙；凍融循環次數達到150次時，混凝土表面的骨料幾乎全部暴露，鮮有能保持混凝土邊角完整的構件，用手能輕易剝落邊角混凝土。損傷的情況如圖2所示。

2.2 動彈性模量

凍融環境下混凝土內部會受到由混凝土內部游離水反復凍脹產生的膨脹壓力和滲透壓力，使得混凝土在凍融過程中出現內部既有裂縫的進一步延伸以及新的微裂縫的產生，動彈性模量可以在一定程度上反映出凍融作用對于混凝土性能造成的損傷。本次動彈性模量的測試方法采用共振法。

混凝土棱柱塊在每經受25次凍融循環作用后進行次測試，C60混凝土直到凍融次數達到150次，對C50混凝土分別測試了最大凍融次數為50次、75次、100次下動彈性模量變化，測試所得均值和相對值見圖3。

從圖3中可以看出，隨著凍融次數的增加混凝土的動彈性模量整體上呈現下降趨勢，表明混凝土的損傷隨凍融次數增加而加劇。C60混凝土在凍融150次后，相對動彈性模量為66%，C50混凝土最大凍融次數為50次、75次、100次時，相對動彈性模量為79.5%、61.3%、39.4%。C60混凝土在0～75次凍融循環作用下其動彈模整體下降速度較75-150次階段更平緩，這表明C60混凝土損傷在凍融75次更加明顯。對于C50混凝土在凍融50次后動彈性模量下降速度變快，表明C50混凝土凍融損傷在凍融50次后更加明顯。

2.3 受壓破壞現象

如圖4所示隨著凍融次數的增加混凝土在受壓破壞時伴隨著混凝土裂縫數量增多、裂縫寬度增加，并且在凍融100次后受壓破化時混凝土表面出現大面積脫落，破壞后整體結構更酥松。

未凍融的混凝土在斷裂時，斷面比較平整，有微小的一些裂縫，以骨料和漿體被拉斷為主，個別出現一些因骨料拔出而形成的孔洞，如圖5所示。但在經歷凍融循環作用后，隨著次數的增多，斷裂面規整度變差，多伴有漿體疏松、孔洞、多溝壑裂紋，觸感多粉灰，可以看到斷裂韌度大幅降低，承載能力下滑嚴重，如圖 6所示。

2.4 抗壓強度

在凍融作用下混凝土微孔隙中的游離水，形成膨脹壓力以及滲透壓力聯合作用的疲勞應力，使混凝土內部產生微裂紋以及混凝土表面的剝蝕破壞，最終導致混凝土的力學性能降低。

混凝土抗壓強度測定試驗加載結果如圖7所示。

由圖7可知，隨著凍融次數的增多，混凝土的抗壓強度整體呈現下降趨勢，C50混凝土在凍融100次后強度剩余為64%，而C60混凝土在150次動凍融后混凝土強度剩余60%。可以看出使用同一種標號水泥時提高混凝土的標號，可以很大程度上改善混凝土的抗凍性。這是由于高標號混凝土的水灰比較低，會使得混凝土內部毛細孔減少，可凍融的自由水減少，混凝土在凍融過程中受到的損傷也更低［9-10］。C50混凝土在凍融50次、75次、100次后混凝土強度累計降比為14%、7%、40%；C60混凝土在凍融50次、100次、150次后混凝土強度累計將比為11.7%、12.9%、22.1%，可以看出隨著凍融次數增加混凝土強度損傷速度加快。C50、C60混凝土分別在凍融75次、100次后強度下降加快，表明C50、C60混凝土強度退化分別主要發生在凍融75次、100次后。

3 結論

（1）凍融循環作用對混凝土由內到外產生肉眼可見的損傷，外表面主要是表皮脫落，骨料暴露甚至是局部脫落，內部主要表現為斷面規整度變差，漿體疏松、孔洞、多溝壑裂紋，觸感多粉灰等現象。

（2）隨著凍融循環次數的增加，混凝土的立方體抗壓強度、動彈性模量、立方體抗壓強度逐漸下滑，且隨著次數的增加，有下滑幅度輕微增加的趨勢。C50、C60混凝土分別在凍融100次、150次時抗壓強度降為未凍融試件的64%、60%，動彈性模量降為66%、39.4%；且兩種混凝土分別在凍融50次和100次后損傷速度加劇。

參考文獻

［1］ 衛星，李小珍，李俊，等.鋼—混凝土混合結構在大跨度連續剛構橋中的應用［J］.中國鐵道科學，2007（5）：43-46.

［2］ 《中國公路學報》編輯部.中國橋梁工程學術研究綜述［J］.中國公路學報，2014，27（5）：1-96.

［3］ 張一奔，徐飛，鄭山鎖.凍融損傷混凝土研究綜述［J］.混凝土，2021（3）：10-14.

［4］ 馬鳳華，魯艷蕊，陳琳.凍融后混凝土力學性能及鋼筋混凝土黏結性能的研究［J］.混凝土，2021（4）：13-15.

［5］ Powers T C， Helmuth RA. Theory of volume changes in hardened portland-cement paste during freezing［C］//Highway research board proceedings， 1953， 32： 285-297.

［6］ Powers T C， Willis T F. The air requirement of frost resistant concrete［C］//Highway Research Board Proceedings，1949，29： 183-211.

［7］ Powers T C.A working hypothesis for further studies of frost resistance of concrete［C］//ACI journal Proceedings，1945，1（ 1） ： 245-272.

［8］ 劉佳奇，王伯昕，汪飛.碳酸鹽侵蝕-凍融循環條件下混凝土抗壓性能試驗研究［J］.混凝土，2021（11）：21-23+28.

［9］ 曹大富，富立志，楊忠偉，等.凍融循環下砼力學性能與相對動彈性模量關系［J］.江蘇大學學報（自然科學版），2012，33（6）：721-725.

［10］ 曹大富，富立志，楊忠偉， 等.凍融循環作用下混凝土受壓本構特征研究［J］.建筑材料學報， 2013，16（1）：17-23.

［11］ 陳松，李偉龍，王起才.水泥砂漿含氣量對孔隙特征及抗凍性影響的研究［J］.硅酸鹽通報，2014，33（6） ： 1293-1297.

［12］ 譚克鋒.水灰比和摻合料對混凝土抗凍性能的影響［J］.武漢理工大學學報，2006（3）：58-60.

［作者簡介］陳俊（1998—），男，碩士，研究方向為鋼-混組合結構耐久性。