溫和地區(qū)低抗凍等級混凝土含氣量控制標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)研究

周斌， 肖翔， 陳宏松， 白銀， 寧逢偉

（1.揚(yáng)州市瓜洲泵站工程建設(shè)處，江蘇 揚(yáng)州 225200；2.揚(yáng)州市瓜洲泵站工程管理處，江蘇 揚(yáng)州 225200；3.水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京水利科學(xué)研究院，南京 210029）

0 引言

凍融破壞是一種常見的混凝土劣化現(xiàn)象，是威脅混凝土耐久性的重要影響因素之一。在我國長江以南地區(qū)，全年平均氣溫較高，但仍會(huì)遭遇少量寒冷天氣，氣溫低于0℃，滿足混凝土發(fā)生凍融侵蝕的基本條件，也應(yīng)予以重視。然而，這些地區(qū)畢竟極寒氣候少見，最冷月平均氣溫普遍高于-3℃，按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50662-2011《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，屬于溫和區(qū)?；炷羶鋈谄茐牡那治g程度較低，設(shè)計(jì)抗凍等級一般低于F150，只有F50、F100，與我國北方寒冷地區(qū)常見的F200、F300抗凍等級相比，為低抗凍等級。

針對混凝土的抗凍性需求，向混凝土中引入適量的微小氣泡、適當(dāng)提高含氣量[1]已成為改善抗凍性最重要的技術(shù)手段。如我國水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SL677-2014《水工混凝土施工規(guī)范》、江蘇省地方標(biāo)準(zhǔn)DB 32/T 2333-2013《水利工程混凝土耐久性技術(shù)規(guī)范》都根據(jù)混凝土的設(shè)計(jì)抗凍等級提出相應(yīng)的推薦含氣量控制標(biāo)準(zhǔn)。進(jìn)一步對含氣量的控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)僅將設(shè)計(jì)抗凍等級分成2個(gè)級別，即抗凍等級≥F200和抗凍等級≤F150，分級標(biāo)準(zhǔn)可能過于粗略。以水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SL677中對抗凍等級≤F150的二級配混凝土（最大粒徑為40mm）的相關(guān)規(guī)定為例，推薦含氣量為4.5%±1.0%。這說明無論混凝土的設(shè)計(jì)抗凍等級是F150、F100還是F50，它們的含氣量均應(yīng)控制在3.5%～5.5%。顯而易見，對3種抗凍等級混凝土的含氣量采用相同的控制標(biāo)準(zhǔn)是不科學(xué)的，這忽視了混凝土配合比對抗凍等級的精細(xì)調(diào)節(jié)作用。換句話說，F(xiàn)50、F100抗凍等級混凝土所需的含氣量可能不需要像F150抗凍等級一樣高?；炷恋脑O(shè)計(jì)含氣量過高很可能會(huì)誘發(fā)兩個(gè)問題：第一，在設(shè)計(jì)含氣量較高的前提下，為保證混凝土的強(qiáng)度等級，必須降低水膠比、提高單方膠凝材料用量，這既會(huì)增加材料成本，也不利于混凝土的抗裂。第二，設(shè)計(jì)較高的含氣量必然要提高引氣劑用量，不僅會(huì)增加混凝土成本，還易在混凝土生產(chǎn)過程中引起含氣量波動(dòng)，不利于混凝土的質(zhì)量控制。膠凝材料用量過大或者含氣量過高引起強(qiáng)度下降都易引起混凝土開裂，一旦形成初始裂紋，不僅會(huì)在荷載條件下繼續(xù)擴(kuò)展，還會(huì)為水和空氣等介質(zhì)提供擴(kuò)散通道，加快凍融破壞進(jìn)程，反而不利于抗凍性。

針對上述問題，同時(shí)為了增加研究成果在實(shí)際工程中的普適性，以溫和地區(qū)泵站、水閘、船閘等工程普遍使用的C25、C30和C35混凝土作為主要研究對象，細(xì)化研究了低抗凍等級混凝土（F50和F100）的含氣量控制標(biāo)準(zhǔn)。

1 原材料

水泥為P·O42.5，28d膠砂強(qiáng)度為47.0MPa。粉煤灰品種為F類II級。細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)2.8的河砂，粗骨料由5～16mm碎石與16～31.5mm碎石按照質(zhì)量比3:7混合使用。減水劑為高性能減水劑，推薦摻量為1.0%，減水率為26%。引氣劑推薦摻量為0.01%，引氣量為6.3%。消泡劑為白色液體，推薦摻量為0.03%。膨脹纖維抗裂防水劑為一種粉體外加劑，主要由膨脹組分和微合成纖維組成，兼具微細(xì)填充、補(bǔ)償收縮和纖維阻裂等功能。

2 基準(zhǔn)配合比

混凝土基準(zhǔn)配合比，如表1所示，共包括3個(gè)強(qiáng)度等級，C25、C30 和 C35。

表1 混凝土基準(zhǔn)配合比k g·m-3

3 結(jié)果與討論

3.1 含氣量差異下C25～C35混凝土配合比設(shè)計(jì)

通過摻加引氣劑或消泡劑、調(diào)整水膠比共制備了7組C25混凝土，混凝土的含氣量分別為0.7%、1.2%、1.8%、2.7%、3.6%、4.5%和5.3%，對應(yīng)的配合比編號(hào)分別為 07C25、12C25、18C25、27C25、36C25、45C25 和53C25，坍落度為120～160mm。制備了6組C30混凝土，配合比編號(hào)分別為 13C30、26C30、34C30、48C30、60C30和66C30。各混凝土的含氣量分別為1.3%、2.6%、3.4%、4.8%、6.0%和6.6%，坍落度為180～220mm。制備了5組C35混凝土，含氣量分別為1.3%、2.6%、3.5%、4.5%和6.0%，配合比編號(hào)分別為13C35、26C35、35C35、45C35和60C35，坍落度為100～140mm。配合比見表2～表4，引氣劑和消泡劑的濃度均為1%。

表2 C25混凝土含氣量的差異化設(shè)計(jì) k g·m-3

表3 C30混凝土含氣量的差異化設(shè)計(jì) k g·m-3

表4 C35混凝土含氣量的差異化設(shè)計(jì) k g·m-3

為判斷不同含氣量條件下混凝土是否屬于同強(qiáng)度等級，對所有混凝土進(jìn)行了7d和28d的抗壓強(qiáng)度測試，C25、C30和C35的抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果如表5～表7所示。

表5 C25混凝土的抗壓強(qiáng)度M P a

表6 C30混凝土的抗壓強(qiáng)度M P a

表7 C35混凝土的抗壓強(qiáng)度M P a

可見，7組C25混凝土7d抗壓強(qiáng)度和28d抗壓強(qiáng)度分別分布在30.3～34.3MPa、34.1～41.9MPa之間，所有混凝土的28d抗壓強(qiáng)度均滿足31.6MPa的配制強(qiáng)度需求。6組C30混凝土的7d抗壓強(qiáng)度和28d抗壓強(qiáng)度分別分布在33.2～38.4MPa、39.4～47.6MPa之間，所有混凝土的28d抗壓強(qiáng)度均滿足37.4MPa的配制強(qiáng)度需求。5組C35混凝土的7d抗壓強(qiáng)度和28d抗壓強(qiáng)度分別分布在38.0～43.0MPa、46.2～55.2MPa之間，所有混凝土的28d抗壓強(qiáng)度均滿足42.4MPa的配制強(qiáng)度需求。即各強(qiáng)度等級混凝土（C25、C30和C35）均能滿足相應(yīng)強(qiáng)度等級的強(qiáng)度要求。并且同強(qiáng)度等級混凝土中，單個(gè)測值（不同含氣量條件下）均未超過平均值的15%，實(shí)現(xiàn)了含氣量差異下的同強(qiáng)度等級設(shè)計(jì)。

3.2 C25混凝土的含氣量控制標(biāo)準(zhǔn)研究

25～100 次凍融循環(huán)后C25混凝土的相對動(dòng)彈模量見表8所示?？梢?，25次凍融循環(huán)試驗(yàn)后，相對動(dòng)彈模量為61%～98%，均大于60%，說明所有混凝土的抗凍等級均能滿足F25抗凍等級的相關(guān)要求。相對動(dòng)彈模量隨含氣量的增加而變大。即同強(qiáng)度等級條件下，提高含氣量可改善混凝土的抗凍性能。可見，當(dāng)C25混凝土的含氣量在0.7%以上時(shí)，即可滿足F25的抗凍等級需求。50次凍融循環(huán)試驗(yàn)后，個(gè)別混凝土的相對動(dòng)彈模量已不足60%，如0.7%和1.2%含氣量下混凝土的相對動(dòng)彈模量分別為30%和46%，表明C25混凝土的含氣量在1.2%及其以下時(shí)，不能滿足F50抗凍等級的相關(guān)需求。當(dāng)含氣量提升至1.8%～5.3%之間時(shí)，相對動(dòng)彈模量為69%～98%，仍超過了60%。可見，對于C25混凝土而言，滿足F50抗凍等級需求的適宜含氣量應(yīng)在1.2%～1.8%之間。75次凍融循環(huán)試驗(yàn)后，1.8%～5.3%含氣量范圍內(nèi)，混凝土的相對動(dòng)彈模量為54%～97%。除1.8%含氣量下混凝土的相對動(dòng)彈模量不足60%外（54%），其余混凝土的相對動(dòng)彈模量均超過60%（含氣量2.7%～5.3%），說明滿足F75抗凍等級C25混凝土的適宜含氣量在1.8%～2.7%之間。100次凍融循環(huán)試驗(yàn)后，2.7%～5.3%含氣量范圍內(nèi)，混凝土的相對動(dòng)彈模量為53%～97%。2.7%和3.6%含氣量條件下混凝土的相對動(dòng)彈模量分別為53%和68%，說明滿足F100抗凍等級的C25混凝土的適宜含氣量在2.7%～3.6%之間。

表8 凍融試驗(yàn)后C25混凝土的相對動(dòng)彈模量%

為進(jìn)一步明確C25混凝土在典型低抗凍等級條件下的適宜含氣量，研究了抗凍等級與含氣量之間的關(guān)聯(lián)性。相對動(dòng)彈模量指標(biāo)可以定量表達(dá)混凝土的受凍損傷歷程，如劉崇熙等[2]建立的指數(shù)函數(shù)模型和劉志勇等[3]提出的冪函數(shù)模型，分別以指數(shù)函數(shù)和冪函數(shù)的形式建立了相對動(dòng)彈模量變化與凍融循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系。水膠比和含氣量等因素的影響規(guī)律是建立關(guān)聯(lián)性數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)[4-6]。但是，由于目前對低抗凍等級混凝土缺乏研究，導(dǎo)致凍融損傷程度（相對動(dòng)彈模量）與含氣量之間仍沒有可靠的關(guān)系模型，例如，常規(guī)采用的二階多項(xiàng)式模型，其相關(guān)系數(shù)的平方R2僅為0.7268[7]，相關(guān)性并不高，不能揭示二者之間的相關(guān)性規(guī)律。因此，進(jìn)一步研究相對動(dòng)彈模量與含氣量之間的關(guān)聯(lián)性模型具有重要意義。

根據(jù)C25混凝土的相對動(dòng)彈模量與含氣量之間的相關(guān)性特點(diǎn)，采用對數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合，25、50、75次循環(huán)和100次循環(huán)試驗(yàn)后的擬合曲線如圖1所示?？梢姡?jīng)對數(shù)函數(shù)擬合后，特定次數(shù)的凍融循環(huán)試驗(yàn)后，C25混凝土的相對動(dòng)彈模量和含氣量的關(guān)聯(lián)性的相關(guān)系數(shù)平方R2均超過了0.94，相關(guān)性較好?；诓逯捣ǖ幕舅枷?，采用上述對數(shù)函數(shù)表達(dá)式計(jì)算了不同抗凍等級條件下C25混凝土的臨界含氣量，所謂臨界含氣量是指，混凝土如要達(dá)到相應(yīng)的抗凍等級，其含氣量必須超過的限值。臨界含氣量即相對動(dòng)彈模量為60%時(shí)的對應(yīng)含氣量。各抗凍等級C25混凝土的臨界含氣量計(jì)算結(jié)果如表9所示?？梢?，F(xiàn)50和F100兩個(gè)抗凍等級條件下的臨界含氣量分別為1.6%和3.0%。

圖1 C25混凝土的相對動(dòng)彈模量與含氣量的關(guān)聯(lián)性

表9 各抗凍等級C25混凝土的臨界含氣量計(jì)算結(jié)果

3.3 C30混凝土的含氣量控制標(biāo)準(zhǔn)研究

凍融試驗(yàn)后C30混凝土的相對動(dòng)彈模量如表10所示。可見25次凍融循環(huán)試驗(yàn)后，相對動(dòng)彈模量為86%～99%，均大于60%，說明含氣量在1.3%以上時(shí)，所有混凝土的抗凍等級均能夠滿足F25的相關(guān)要求。50次凍融循環(huán)試驗(yàn)后，1.3%含氣量條件下混凝土的相對動(dòng)彈模量已降至55%，不足60%，不能滿足F50需求。當(dāng)含氣量提升至2.6%～6.6%之間時(shí)，相對動(dòng)彈模量為84%～99%，仍大于60%?？梢灶A(yù)見，C30混凝土F50抗凍等級的適宜含氣量應(yīng)在1.3%～2.6%之間。75次凍融循環(huán)試驗(yàn)后，1.3%～6.6%含氣量范圍內(nèi)，混凝土的相對動(dòng)彈模量為39%～99%。除1.3%含氣量條件下混凝土的相對動(dòng)彈模量為39%，其余混凝土均超過了60%，說明滿足F75抗凍等級需求的適宜含氣量也在1.3%～2.6%之間。100次凍融循環(huán)試驗(yàn)后，混凝土的相對動(dòng)彈模量為55%～99%。2.6%和3.4%含氣量條件下混凝土的相對動(dòng)彈模量分別為55%和70%，說明滿足F100抗凍等級的C30混凝土的適宜含氣量在2.6%～3.4%之間。

表10 凍融試驗(yàn)后C30混凝土的相對動(dòng)彈模量%

為進(jìn)一步明確C30混凝土各抗凍等級的含氣量控制標(biāo)準(zhǔn)，采用對數(shù)函數(shù)對25次循環(huán)、50次循環(huán)、75次循環(huán)和100次循環(huán)試驗(yàn)后C30混凝土的相對動(dòng)彈模量和含氣量進(jìn)行擬合，擬合曲線如圖2所示。相關(guān)系數(shù)的平方R2為0.9118～0.9562，相關(guān)性較好。

圖2 C30混凝土的相對動(dòng)彈模量與含氣量的關(guān)聯(lián)性

基于插值法的基本思想，依據(jù)上述對數(shù)函數(shù)擬合表達(dá)式計(jì)算了不同抗凍等級條件下C30混凝土的臨界含氣量，計(jì)算結(jié)果如表11所示。可見，F(xiàn)50和F100兩個(gè)抗凍等級條件下的臨界含氣量分別為1.3%和2.7%。但是，由文中可知，1.3%含氣量下C30混凝土的抗凍等級不能滿足F50抗凍等級需求，這說明能夠滿足F50抗凍等級的含氣量標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)略大于1.3%。同時(shí)，考慮到C30混凝土比C25混凝土的水膠比小，同含氣量條件下具有一定的抗凍優(yōu)勢，因此，F(xiàn)50抗凍等級C30混凝土的臨界含氣量應(yīng)小于或等于1.6%，即臨界含氣量在1.3%～1.6%之間?；谏鲜隹紤]，推薦F50抗凍等級的臨界含氣量為1.5%。

表11 各抗凍等級C30混凝土的臨界含氣量計(jì)算結(jié)果

3.4 C35混凝土的含氣量控制標(biāo)準(zhǔn)研究

C35混凝土的相對動(dòng)彈模量的測試結(jié)果如表12所示。可見25次凍融循環(huán)試驗(yàn)后混凝土的相對動(dòng)彈模量為91%～99%，50次凍融循環(huán)試驗(yàn)后混凝土的相對動(dòng)彈模量為72%～99%，75次凍融循環(huán)試驗(yàn)后混凝土的相對動(dòng)彈模量為65%～99%。表明1.3%～6.0%含氣量范圍內(nèi)，各C35混凝土均能滿足抗凍等級F75的相關(guān)需求。然而，100次凍融循環(huán)試驗(yàn)后，1.3%含氣量條件下C35混凝土13C35的相對動(dòng)彈模量降至44%，不足60%。當(dāng)含氣量提升至2.6%～6.0%，C35混凝土的相對動(dòng)彈模量為62%～99%，均超過了60%。說明滿足F100抗凍等級C35混凝土的適宜含氣量應(yīng)在1.3%～2.6%之間。

表12 凍融試驗(yàn)后C35混凝土的相對動(dòng)彈模量%

為進(jìn)一步明確C35混凝土各抗凍等級的含氣量控制標(biāo)準(zhǔn)，采用對數(shù)函數(shù)對25次循環(huán)、50次循環(huán)、75次循環(huán)和100次循環(huán)試驗(yàn)后C35混凝土的相對動(dòng)彈模量和含氣量進(jìn)行擬合，擬合曲線如圖3所示?？梢姡瑢?shù)函數(shù)擬合相關(guān)系數(shù)的平方R2為0.9111～0.9651，相關(guān)性較好。

圖3 C35混凝土的相對動(dòng)彈模量與含氣量的關(guān)聯(lián)性

基于插值法的基本思想，依據(jù)上述對數(shù)函數(shù)擬合表達(dá)式計(jì)算了不同抗凍等級條件下C35混凝土的臨界含氣量，計(jì)算結(jié)果如表13所示?？梢奆100抗凍等級條件下的臨界含氣量為2.3%。由于1.3%含氣量條件下C35混凝土均能滿足F25、F50和F75抗凍等級，因此，推薦F25、F50和F75混凝土的臨界含氣量為1.3%。

表13 各抗凍等級C35混凝土的臨界含氣量計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)語

文中抓住溫和地區(qū)凍融危害相對較輕的特點(diǎn)，通過含氣量差異化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了7組C25混凝土、6組C30混凝土和5組C35混凝土，測試了混凝土的含氣量、質(zhì)量損失和相對動(dòng)彈模量，分析了含氣量和相對動(dòng)彈模量之間的定量關(guān)聯(lián)，探討了F50和F100抗凍等級條件下的含氣量控制閾值，形成結(jié)論如下：

（1） 25～100次凍融循環(huán)條件下，C25、C30和C35混凝土相對動(dòng)彈模量的衰減程度與混凝土的含氣量呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系。

（2） F50抗凍等級條件下C25、C30和C35混凝土的含氣量應(yīng)分別不低于1.6%、1.5%和1.3%。

（3） F100抗凍等級條件下C25、C30和C35混凝土的含氣量應(yīng)分別不低于3.0%、2.7%和2.3%。