混凝土抗凍性試驗(yàn)方法淺析

陳信宇，嚴(yán)雨浩

（河海大學(xué)大禹學(xué)院，210000，南京）

緯度或海拔較高的水庫大壩等建筑物，由于常年處于寒冷冰凍環(huán)境，其混凝土性能會(huì)嚴(yán)重劣化，導(dǎo)致建筑強(qiáng)度受到不利影響。因此對(duì)混凝土抗凍性的研究成為混凝土性能研究中十分重要的部分。

以混凝土、砂漿為主的多孔材料，經(jīng)歷數(shù)次冷凍—融化循環(huán)后，混凝土內(nèi)部萌生出細(xì)微裂縫并擴(kuò)展直至最終破壞的過程稱為凍融破壞。除此之外，混凝土還會(huì)遭受“鹽凍”破壞，指除冰鹽導(dǎo)致的混凝土破壞，會(huì)引起嚴(yán)重的表面剝落，主要發(fā)生在使用除冰鹽對(duì)冰凍混凝土進(jìn)行除冰時(shí)。在冬季海港和海水建筑物的水位變動(dòng)區(qū)往往也會(huì)發(fā)生類似破壞。國內(nèi)外有許多專家學(xué)者研究了凍融破壞的機(jī)理，其中以靜水壓理論和結(jié)晶壓理論較受重視，但仍然不完全清晰，楊全兵教授深入研究了鹽凍破壞機(jī)理。

混凝土抗凍性與許多因素有關(guān)，如凍結(jié)速度、水灰比和飽水程度等。確定主要影響因素并模擬真實(shí)環(huán)境，研究更貼近真實(shí)情況的凍融循環(huán)試驗(yàn)方法，可以節(jié)省大量工程建設(shè)和維護(hù)成本，對(duì)于許多水利工程都有重大意義。

一、試驗(yàn)方法概述

目前的凍融循環(huán)試驗(yàn)方法，以循環(huán)時(shí)間、循環(huán)溫度、溶液類型、溶液接觸方式和評(píng)價(jià)指標(biāo)為主要參數(shù)，溶液一般為清水或鹽溶液，用來考慮混凝土在不同服役環(huán)境下的抗凍性。評(píng)價(jià)指標(biāo)有抗壓強(qiáng)度、重量損失、表面剝落量、殘余應(yīng)變和相對(duì)動(dòng)彈性模量幾種，因此試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)有固定循環(huán)次數(shù)測試件指標(biāo)改變量和計(jì)算達(dá)到規(guī)定指標(biāo)改變量測最大循環(huán)次數(shù)兩種方法。相對(duì)動(dòng)彈性模量作為評(píng)價(jià)內(nèi)部損傷的主要指標(biāo)，可以較準(zhǔn)確地體現(xiàn)混凝土試件內(nèi)部的破壞程度，測量該指標(biāo)的方法也分為超聲聲時(shí)法和超聲聲速法。表面剝落量、重量損失往往是凍融和鹽溶液侵蝕的共同作用結(jié)果，以此作為附加標(biāo)準(zhǔn)。

二、我國凍融循環(huán)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn) （GB/T 50082—2009），我國混凝土抗凍性試驗(yàn)方法有三種，分別是慢凍法、快凍法、單面凍融法。而單面凍融法在被廢止使用的上一標(biāo)準(zhǔn)GBJ 82—95中并未列出，該方法采用了RILEM TC 176:2002中CIF方法。

慢凍法適用于測定混凝土試件在“氣凍水融”的反復(fù)凍融循環(huán)下的抗凍性能。采用邊長為100 mm的立方體試件為標(biāo)準(zhǔn)試件，將試件放入凍融試驗(yàn)箱內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)。冷凍期間溫度控制在-18℃～-20℃之間，極差不超過2℃，從降至-18℃開始計(jì)算冷凍時(shí)間，從裝完試件到溫度降至-18℃的時(shí)間應(yīng)在1.5～2 h內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)試件冷凍時(shí)間應(yīng)在4～6 h內(nèi)完成 （不同尺寸試件可依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置不同冷凍時(shí)間），冷凍試驗(yàn)結(jié)束后立即加入18℃～20℃水，加水時(shí)間不超過10 min，凍融箱內(nèi)水應(yīng)至少高出試件表面20 mm，融化完畢后該循環(huán)結(jié)束，進(jìn)入下一循環(huán)。該方法以試件抗壓強(qiáng)度損失率達(dá)到25%或者質(zhì)量損失率達(dá)到5%時(shí)的最大凍融循環(huán)次數(shù)確定試件抗凍性能，并以之標(biāo)號(hào)。

快凍法適用于測定混凝土試件在“水凍水融”的反復(fù)凍融循環(huán)下的抗凍性能。將 100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試件放置在試件盒內(nèi)固定，注入清水浸泡進(jìn)行凍融循環(huán)。每次凍融循環(huán)在2～4 h內(nèi)完成，用于融化的時(shí)間不少于整個(gè)凍融時(shí)間的1/4，在冷凍和融化完成時(shí)試件中心溫度控制在-18±2℃和 5±2℃。每塊試件從3℃降至-16℃和從-16℃升至3℃的時(shí)間分別不少于整個(gè)冷凍時(shí)間和融化時(shí)間的1/2。每隔25次循環(huán)需要測量一次時(shí)間的橫向基頻并稱重，并按下式計(jì)算相對(duì)動(dòng)彈性模量P和抗凍耐久性系數(shù)。

式中，P和fn分別為經(jīng)過N次凍融循環(huán)后混凝土試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量（%）和橫向基頻（Hz）， f0為凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)前試件橫向基頻初始值（Hz）。以相對(duì)動(dòng)彈性模量P下降至初始值的60%或者質(zhì)量損失率達(dá)5%時(shí)的最大凍融循環(huán)次數(shù)作為混凝土抗凍等級(jí)。

單面凍融法適用于測定處于大氣環(huán)境中且與鹽或其他介質(zhì)接觸的凍融循環(huán)的混凝土的抗凍性能。試驗(yàn)方法與RILEM CIF方法一致，采用邊長為150 mm的立方體標(biāo)準(zhǔn)試件，附加PTFE片 （Teflon材料，尺寸150 mm×150 mm×2 mm）。最終切割成 150 mm×110 mm×70 mm標(biāo)準(zhǔn)試件，將與PTFE接觸的面作為測試面，將該面放入3%氯化鈉鹽溶液中進(jìn)行凍融循環(huán)，循環(huán)時(shí)間如圖1。該方法除了需測定試件的剝落量、水分吸收量之外，通過測定在耦合介質(zhì)中超聲波的傳播時(shí)間，計(jì)算得出傳播時(shí)間的相對(duì)變化，再推求得出相對(duì)動(dòng)彈性模量值判斷試件內(nèi)部損傷情況，再以剝落程度作為附加標(biāo)準(zhǔn)，判斷混凝土試件的抗凍性能。

圖1凍融循環(huán)時(shí)間

三、國外試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

國外使用較為普遍的方法有美國材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)（ASTM）和國際結(jié)構(gòu)材料試驗(yàn)室和專家聯(lián)合會(huì)（RILEM）推薦的實(shí)驗(yàn)方法，ASTM對(duì)于混凝土抗凍性試驗(yàn)制定的標(biāo)準(zhǔn)有許多，其中運(yùn)用較多、適用范圍較廣的有C666和C672，RILEM推薦的有CIF和平板試驗(yàn)（Slab Test）兩種。

ASTM C666快凍法是目前應(yīng)用最廣的測試方法，分為A、B兩種試驗(yàn)方法，溫度在 4.4℃～-17.8℃內(nèi)變化，A方法為“水凍水融”，B方法為“氣凍水融”，試件自由形變，循環(huán)持續(xù)到300次或動(dòng)彈性模量到達(dá)初始值的60%，并按式（2）計(jì)算抗凍性系數(shù)。

ASTM C672主要適用于測定混凝土表面暴露在除冰鹽 （De-icing Salt）條件下的抗剝落能力。將氯化鈣封存在試件表面，在-17.8±1.7℃的冰箱中放置16～18 h，再放置在溫度為23±1.7℃、濕度為 45%～55%的空氣中6～8 h，每5個(gè)循環(huán)沖洗表面并觀察試件剝落情況。該方法只能從定性分析的角度分析試件的抗凍性，不能準(zhǔn)確進(jìn)行不同混凝土的比較。

RILEM CIF-Test（Capillary suction,internal damage and freeze thaw test）試驗(yàn)方法與我國標(biāo)準(zhǔn)中單面凍融法一致。平板試驗(yàn)中，將試樣單面部分放入3%氯化鈉溶液中進(jìn)行凍融循環(huán)，測定56次循環(huán)后平板表面的剝落質(zhì)量，以此評(píng)價(jià)混凝土抗凍性能。

四、國內(nèi)學(xué)者專家改進(jìn)方法

國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中在列的凍融循環(huán)方法，大都基于混凝土凍融破壞機(jī)理提出，因此試驗(yàn)都為凍融循環(huán)單因素或在鹽溶液中浸泡和凍融循環(huán)雙因素耦合作用。而在實(shí)際工程中，混凝土的工作往往是多因素耦合，因此國內(nèi)學(xué)者考慮了凍融、鹽溶液和載荷的多因素耦合作用，在ASTM C666快凍法的基礎(chǔ)上對(duì)試件施加載荷，施加四點(diǎn)彎應(yīng)力測試受彎試件的抗凍性能。王海軍在我國標(biāo)準(zhǔn)快凍法基礎(chǔ)上對(duì)混凝土試件施加壓應(yīng)力，但未考慮應(yīng)力松弛在長期試驗(yàn)中的影響，王燕茹等設(shè)計(jì)的兩套裝置以國家標(biāo)準(zhǔn)快凍法為基礎(chǔ)用加載試驗(yàn)機(jī)可控制長期應(yīng)力，但在混凝土試件中留有孔洞可能導(dǎo)致溶液進(jìn)入試件影響凍融循環(huán)。還有人設(shè)計(jì)了疲勞—凍融試驗(yàn)法，用殘余應(yīng)變以及聲發(fā)射技術(shù)確定內(nèi)部損傷。

五、方法評(píng)價(jià)

我國標(biāo)準(zhǔn)中的快凍法和ASTM C666快凍法，均是將試件完全浸泡于溶液中進(jìn)行“水凍水融”，試件的熱量交換在任何方向都可以進(jìn)行，導(dǎo)致溫度分布不均勻、各部分形變不一致，導(dǎo)致結(jié)果不精確。在實(shí)際工程中，混凝土熱量傳遞應(yīng)該垂直于溶液的接觸面，因此不能較好地貼合實(shí)際。在此基礎(chǔ)上，單面凍融法側(cè)面使用空氣隔熱，使熱量的傳遞垂直于溶液接觸面，結(jié)果更加精確。混凝土四點(diǎn)彎應(yīng)力更加貼合混凝土實(shí)際工作中的受力狀態(tài)，但使用鹽溶液浸泡進(jìn)行凍融循環(huán)不能準(zhǔn)確反映出鹽凍的破壞，根據(jù)閆培渝的觀點(diǎn)，在實(shí)際工程中鹽凍破壞往往在混凝土處于非飽和狀態(tài)，在鹽溶液冰凍過程中，由于分相作用使冰中的含鹽量很低，與清水結(jié)冰無明顯差別，因此對(duì)于完全浸泡在鹽溶液的“水凍水融”“水凍氣融”試驗(yàn)，模擬狀態(tài)與真實(shí)的鹽凍狀態(tài)是有差別的?，F(xiàn)有單面凍融法（RILEM CIF方法）是目前評(píng)價(jià)混凝土抗凍性效果最好的試驗(yàn)。

六、結(jié) 語

凍融與鹽凍兩大破壞是目前混凝土工程中的難題，而混凝土凍融破壞的機(jī)理還有待繼續(xù)研究，這對(duì)試驗(yàn)的設(shè)計(jì)有極為重要的理論推進(jìn)作用?，F(xiàn)有的凍融循環(huán)試驗(yàn)需要進(jìn)一步完善模擬凍融單因素條件下的破壞，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行不同溶液侵蝕、復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的多因素耦合試驗(yàn)。多因素耦合作用的破壞機(jī)理比單因素破壞復(fù)雜很多，因此還需要更多的試驗(yàn)和研究才能得到更貼合實(shí)際的結(jié)果，為實(shí)際工程服務(wù)。 ■

參考文獻(xiàn)：

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