氣候變化條件下水工混凝土的抗凍性能

戈雪良，蘇文德，陸采榮

(1．南京水利科學研究院，江蘇南京 210029;2．廈門軌道交通集團有限公司，福建 廈門 361004)

我國現(xiàn)已建成各類水庫98000多座，總庫容近9300多億m3［1］，分布在不同氣候區(qū)域，每年經(jīng)受的凍融循環(huán)次數(shù)不盡相同?！稓夂蜃兓瘒以u估報告》預估我國在21世紀20年代、50年代和80年代平均氣溫分別升高約1.2℃、2.2℃和3.2℃［2］，氣溫變化將對我國水工混凝土結構物的受凍融作用區(qū)域劃分產(chǎn)生重要影響，大體上導致南北分界線北移，現(xiàn)有分界線處以及北方地區(qū)的年平均凍融循環(huán)次數(shù)有可能顯著增加，從而加速這部分地區(qū)水工混凝土結構物的凍融破壞。另外，氣候變暖導致極端氣候出現(xiàn)的頻次增加，極端低溫甚至是突破歷史極值的低溫使我國北方地區(qū)已考慮抗凍設計的水工混凝土的抗凍耐久性面臨新的挑戰(zhàn)。

目前，我國水工混凝土的抗凍融試驗一般是在－17℃ ±2℃的降溫終了低溫，以及8℃ ±2℃的升溫終了溫度下進行，以此對水工混凝土的抗凍性能進行評估。水工混凝土抗凍等級的設計原則為:在最冷月評價溫度低于－10℃的嚴寒區(qū)一般設計F300，而在最冷月評價溫度大于－3℃的溫和區(qū)設計F50或F100。國內外開展的水工混凝土抗凍耐久性方面的研究比較多，取得了一些重要的研究成果［3-9］。根據(jù)調研，我國南方地區(qū)最冷月(1月)極端低溫氣溫平均值為－8.4℃，東北、西北、華北地區(qū)最冷月(1月)極端低溫氣溫平均值為－32.7℃［10］。針對現(xiàn)行抗凍耐久性設計原則、抗凍試驗方法以及我國南方和北方地區(qū)的最冷月氣溫現(xiàn)狀，本文采用F50、F100、F300等3種抗凍等級的水工混凝土，在－5℃、－10℃、－17℃、－30℃、－40℃等5種降溫終了混凝土試件中心溫度下進行凍融試驗，研究不同凍融溫度條件下不同抗凍設計等級水工混凝土的抗凍性能。

1 原材料、配合比與試驗方法

1．1 原材料

水泥采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，Ⅰ級粉煤灰。細骨料為天然河砂，細度模數(shù)為2.71。粗骨料為灰?guī)r人工碎石，粒徑范圍為5～40 mm。外加劑為萘系高效減水劑和Air-202引氣劑。經(jīng)檢測，水泥、粉煤灰、外加劑的品質和參數(shù)均符合相應現(xiàn)行規(guī)程規(guī)范的技術要求，可用于試驗研究。

1．2 配合比

根據(jù)氣候嚴寒區(qū)、溫和區(qū)分別要求的水工混凝土抗凍等級情況，通過優(yōu)化配合比以及控制體積含氣量，設計了F50、F100、F300等3種抗凍等級的水工混凝土。經(jīng)測試，F(xiàn)50、F100、F300水工混凝土實際含氣量分別為2.8%、3.7%、5.8%，配合比見表1。

表1 不同抗凍等級的水工混凝土試驗配合比

1．3 試驗方法

采用自行研制的GDJS-800氣候模擬系統(tǒng)進行水工混凝土凍融試驗，該系統(tǒng)可實現(xiàn)混凝土試件中心溫度－70～150℃的變化范圍，實時控制精度為0.1℃，溫度波動度為±0.5℃，可通過程序設定改變溫降速率與溫度恒定時間等試驗參數(shù)。水工混凝土抗凍試件的成型、制作與養(yǎng)護按照SL352—2006《水工混凝土試驗規(guī)程》進行。

凍融試驗降溫終了試件中心低溫分別設為－5℃、－10℃、－17℃、－30℃、－40℃，降溫歷時均為2h，升溫終了試件中心溫度統(tǒng)一設為8℃，升溫歷時均為1h。經(jīng)過若干個凍融循環(huán)后，采用動彈性模量測定儀(頻率100～ 10000 kHz)、電子天秤(稱量10 kg，感量5 g)分別測試混凝土的動彈性模量和質量，進而對抗凍耐久性進行評估。

2 試驗結果與討論

2．1 水工混凝土的凍融質量損失

F50、F100、F300等3種抗凍設計等級的水工混凝土在 －5℃、－10℃、－17℃、－30℃、－40℃等5種降溫終了試件中心溫度下，經(jīng)受若干凍融循環(huán)次數(shù)后的質量損失率如圖1所示。從圖1可以看出，隨著凍融試驗降溫終了水工混凝土試件中心溫度的降低，水工混凝土的質量損失率逐漸增大。200次凍融循環(huán)后，降溫終了試件中心溫度從－5℃降到－40℃，中低抗凍設計等級的 F50、F100水工混凝土的質量損失率分別從2.6%增大到12.4%，以及從2.2%增大到9.2%。對于高抗凍設計等級的F300水工混凝土而言，350次凍融循環(huán)后，降溫終了試件中心溫度從－5℃降到－40℃，其質量損失率從0.6%增大到7.5%。

1 不同抗凍設計等級水工混凝土的凍融質量損失率

2．2 水工混凝土的動彈性模量變化

3種抗凍設計等級的水工混凝土在測試完凍融質量損失后，分別進行動彈性模量測試，根據(jù)動彈性模量變化，并結合凍融質量損失情況，可對不同抗凍設計等級的水工混凝土在不同降溫終了試件中心溫度條件下的凍融耐久性進行評估。不同凍融循環(huán)次數(shù)下水工混凝土的動彈性模量試驗結果如圖2所示。

圖2 不同抗凍設計等級水工混凝土的動彈性模量變化

從圖2可以看出，F(xiàn)50抗凍設計等級的水工混凝土試件在－30℃降溫終了試件中心溫度條件下經(jīng)過150次凍融循環(huán)后動彈性模量僅為初始值的31%，凍融循環(huán)次數(shù)繼續(xù)增加試件被凍斷;當降溫終了試件中心溫度降低至－40℃時，經(jīng)過100次凍融循環(huán)后動彈性模量為初始值的30%，凍融循環(huán)次數(shù)繼續(xù)增加試件被凍斷。F100抗凍設計等級的水工混凝土在降溫終了試件中心溫度達到－40℃時，經(jīng)過150次凍融循環(huán)后動彈性模量為初始值的30%，繼續(xù)凍融試驗試件被凍斷。在降溫終了試件中心溫度從－5℃降低到－40℃的過程中，經(jīng)過350次凍融循環(huán)后，F(xiàn)300抗凍設計等級的水工混凝土的動彈性模量從初始值的81%下降至39%，表明即使是F300高抗凍設計等級的水工混凝土，隨著凍融降溫終了試件中心溫度的降低，其抗凍性能也下降較快。

2．3 水工混凝土能經(jīng)受的最大凍融循環(huán)次數(shù)

圖3 水工混凝土能經(jīng)受的凍融循環(huán)次數(shù)

按照現(xiàn)行SL352—2006《水工混凝土試驗規(guī)程》中水工混凝土質量損失5%、動彈性模量下降至初始值的60%的抗凍性能評判標準，圖3給出了F50、F100、F300抗凍設計等級的水工混凝土在 －5℃、－10℃、－17℃、－30℃、－40℃等5個凍融試驗降溫終了試件中心溫度條件下能經(jīng)受的最大凍融循環(huán)次數(shù)。

根據(jù)圖3中的試驗結果，低、中、高3種抗凍設計等級的水工混凝土在不同凍融降溫終了低溫條件下能經(jīng)受的最大凍融循環(huán)次數(shù)的演變規(guī)律是一樣的，均是隨著降溫終了試件中心溫度的降低而減少。按照－17℃降溫終了試件中心溫度條件凍融確定的F50抗凍設計等級水工混凝土，在－10℃或－5℃低溫條件下能經(jīng)歷最大凍融循環(huán)次數(shù)在100次以上，而目前處于氣候溫和區(qū)的水利工程很少能經(jīng)歷－17℃低溫條件。而對于嚴寒地區(qū)的水利工程而言，即使是依據(jù)－17℃降溫終了試件中心溫度條件凍融確定的F300抗凍設計等級水工混凝土，當溫度繼續(xù)降低至－30℃甚至－40℃時，其能經(jīng)受的最大凍融循環(huán)次數(shù)在200次以下，而目前該氣候區(qū)域內出現(xiàn)－30℃ ～－40℃的低溫條件是完全有可能的。

2．4 機理分析

水工混凝土的凍融破壞主要是由一定凍結溫度下結冰的水和過冷的水引起，結冰的水產(chǎn)生體積膨脹、過冷的水發(fā)生遷移，這兩種行為均能引起混凝土內部孔壓增大，產(chǎn)生破壞。毛細孔中的含水率超過一定限值時，凍結會產(chǎn)生很大的壓力，該壓力值除了與毛細孔中的含水率有關外，還與凍結速度有關，5個凍融降溫終了混凝土試件中心溫度(－5℃、－10℃、－17℃、－30℃、－40℃)對應的降溫速率分別為 6.5℃ /h、9℃ /h、12.5℃ /h、19℃ /h 和 24℃ /h，與之相對應的是水工混凝土抗凍耐久性呈現(xiàn)降溫速率和劣化程度增大的規(guī)律。

另外，在現(xiàn)行－17℃降溫終了混凝土試件中心溫度的標準凍融試驗方法中，毛細孔中的水會結冰，凝膠孔水一般處于過冷狀態(tài)，過冷水的蒸氣壓比相同溫度下冰的蒸氣壓要高，由此導致凝膠孔水向毛細孔中冰的界面滲透的現(xiàn)象，直至達到平衡狀態(tài)。滲透過程中產(chǎn)生的滲透壓力對水工混凝土的抗凍耐久性也會產(chǎn)生影響。在降低降溫終了混凝土試件中心溫度至－30℃甚至－40℃時，凝膠孔中處于過冷狀態(tài)的水量可能會比中心溫度為－17℃時增加，進而更多的過冷水發(fā)生滲透遷移現(xiàn)象，大量過冷水的滲透遷移進一步導致滲透壓力的增大，這也是降低凍融過程中水工混凝土試件中心溫度后，水工混凝土抗凍耐久性下降的主要原因之一。

3 結論

a．隨著凍融過程中降溫終了試件中心溫度的降低，F(xiàn)50、F100、F300等3種代表低、中、高不同抗凍設計等級的水工混凝土的質量損失、動彈性模量損失逐漸增大，水工混凝土能經(jīng)受的最大凍融循環(huán)次數(shù)逐漸減少。

b．按照現(xiàn)行－17℃降溫終了低溫條件凍融方法確定的F50抗凍設計等級水工混凝土，在－10℃或－5℃低溫條件下能經(jīng)歷最大凍融循環(huán)次數(shù)在100次以上;依據(jù)－17℃降溫終了低溫條件凍融方法確定的F300抗凍設計等級水工混凝土，當溫度繼續(xù)降低至－30℃甚至－40℃時，其能經(jīng)受的最大凍融循環(huán)次數(shù)在200次以下。

c．凍融低溫本身對水工混凝土的抗凍耐久性會產(chǎn)生影響，主要表現(xiàn)為采用更低的混凝土試件中心溫度后，混凝土凝膠孔中處于過冷狀態(tài)的水量增多，過冷水遷移產(chǎn)生較大滲透壓力，是水工混凝土產(chǎn)生凍融破壞的主要原因之一;另外，凍融過程中的低溫溫降速率對水工混凝土的抗凍性能也存在一定影響，隨著溫降速率的增大，水工混凝土的劣化程度增大。

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