溫和地區(qū)實際服役水工混凝土的抗凍性檢驗標準研究

高蓓蓓， 孔維國， 陳峰， 寧逢偉， 白銀

（1.揚州市水利工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，江蘇 揚州 225200；2.揚州市水利發(fā)展中心，江蘇 揚州 225200；3.水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，南京水利科學(xué)研究院，南京 210029）

0 引言

上世紀60年代，我國交通部組織一大批專家對全國在役水工混凝土進行病害調(diào)查，結(jié)合實地走訪和試驗分析，最終得出關(guān)于水工混凝土耐久性不利誘因方面的一個重要論斷-“南銹北凍”。北方地區(qū)氣候寒冷，南方地區(qū)氣候相對溫和，極寒天氣比較少見，凍害威脅也相對較輕。我國GB/T 50662-2011《水工建筑物抗冰凍設(shè)計規(guī)范》針對這種氣候差異，將“最冷月平均氣溫高于-3℃的區(qū)域”劃分為溫和區(qū)。溫和地區(qū)水工混凝土設(shè)計抗凍等級較低，一般僅為F50或F100。久而久之，溫和地區(qū)混凝土的抗凍性研究逐漸被忽視，特別是在已建工程混凝土的抗凍性檢驗方面，技術(shù)仍不成熟。

目前，已建工程混凝土的抗凍性檢驗仍以取芯制備標準抗凍試件進行，試驗結(jié)果直觀，檢驗結(jié)論說服力強，但取樣工作量大，還容易造成較大的結(jié)構(gòu)損傷，往往給后續(xù)結(jié)構(gòu)修復(fù)增大難度。相比之下，硬化氣孔參數(shù)測試對混凝土結(jié)構(gòu)的破壞程度相對較輕，具有一定的替代可能性。然而，我國現(xiàn)行混凝土耐久性相關(guān)技術(shù)規(guī)范對混凝土硬化氣孔參數(shù)所提要求較少，只建議氣泡間距系數(shù)作為硬化混凝土的抗凍性檢驗指標，如DL/T 5241-2010《水工混凝土耐久性技術(shù)規(guī)范》要求氣泡間距系數(shù)不超過300μm。但是，該標準并沒有對溫和地區(qū)和寒冷地區(qū)作出區(qū)分，所有抗凍等級混凝土都采用統(tǒng)一的控制標準，對于溫和地區(qū)的混凝土抗凍性檢驗而言，過于苛刻，在實際工程檢驗過程中也缺乏可操作性。事實上，除了氣泡間距系數(shù)之外，是否有其它硬化氣孔參數(shù)適用于檢驗和評價混凝土抗凍性，能否提出更細化的抗凍性檢驗標準，如何體現(xiàn)溫和地區(qū)混凝土抗凍設(shè)計的特殊性均是需要解決的重要技術(shù)問題。當前硬化混凝土氣孔參數(shù)研究，仍是停留在入模含氣量與硬化孔徑分布、氣泡間距系數(shù)之間的關(guān)系，以及硅灰、粉煤灰、礦粉對微細結(jié)構(gòu)的改善作用等方面，尚未見硬化氣孔參數(shù)控制標準方面的相關(guān)報道［1-4］。

針對上述問題，選取泵站、閘壩工程最常用的混凝土強度等級C25、C30和C35作為主要研究對象，通過調(diào)整引氣劑摻量有梯度地設(shè)計多種混凝土硬化含氣量，開展凍融循環(huán)試驗和回歸分析，建立抗凍性和硬化含氣量之間的定量關(guān)聯(lián)，以期提出已建工程混凝土的抗凍性檢驗標準。

1 原材料

水泥品種為P·O42.5，實測28d膠砂強度47.0MPa。粉煤灰為F類II級。細骨料為河砂，細度模數(shù)2.8，級配為II區(qū)。粗骨料由5～16mm和16～31.5mm的2種碎石組成，混合質(zhì)量比例為3:7。減水劑為高性能減水劑，實測減水率為26%（摻量1.0%）。引氣劑的引氣量為6.3%（摻量0.01%）。消泡劑為白色液體。抗裂防水劑為一種粉體外加劑，兼具微細填充、補償收縮和纖維阻裂等功能特性。

2 混凝土硬化氣孔參數(shù)測試方法

采用丹麥進口的RapidAir457硬化混凝土氣孔參數(shù)測試儀開展試驗觀測見圖1，根據(jù)光的吸收和反射原理，并結(jié)合圖像自動處理軟件，量化統(tǒng)計混凝土內(nèi)部氣孔和基體的體積比例。為準確獲得硬化混凝土內(nèi)部的氣孔特性，樣品經(jīng)歷了比較復(fù)雜的處理工序，如切割、磨平、拋光（400～2000目砂紙）、超聲波清洗、對比填充和著色等。此外，為提高硬化氣孔參數(shù)與抗凍試驗之間關(guān)聯(lián)結(jié)果的可靠性，無論是室內(nèi)試驗還是工程現(xiàn)場實體取芯，樣品均由100mm×100mm×400mm試件中切割而來見圖2。根據(jù)氣孔統(tǒng)計結(jié)果，典型測試結(jié)果如圖3所示，可計算混凝土的硬化含氣量。

圖1 RapidAir457硬化混凝土氣孔參數(shù)測試儀

圖2 硬化氣孔參數(shù)測試的取樣部位

圖3 典型硬化氣孔分布曲線

3 結(jié)果討論分析

3.1 C25～C35混凝土的硬化含氣量和相對動彈模量測試結(jié)果

為研究混凝土的硬化氣孔參數(shù)，共制備了7組C25 混 凝 土（06C25、11C25、17C25、23C25、32C25、39C25和 45C25）、6組 C30混凝土（11C30、22C30、29C30、41C30、53C30和 57C30）和 5組 C35混凝土（12C35、21C35、31C35、40C35和52C35）。配合比見表1，其中引氣劑和消泡劑的濃度均為1%。

表1 C25～C35混凝土的配合比 kg/m3

所有混凝土的硬化含氣量及相對動彈模量如表2所示。以C25混凝土為例進行抗凍性分析發(fā)現(xiàn)，25次凍融循環(huán)試驗后，相對動彈模量為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。相對動彈模量隨硬化含氣量的增加而變大。即同強度等級條件下，提高硬化含氣量可改善混凝土的抗凍性能。可見，當C25混凝土的硬化含氣量在0.5%以上時，即可滿足F25的抗凍等級需求。

表2 C25～C35混凝土的硬化含氣量和相對動彈模量

50次凍融循環(huán)試驗后，個別混凝土的相對動彈模量已不足60%，如0.6%和1.1%硬化含氣量下混凝土的相對動彈模量分別為30%和46%，表明C25混凝土的硬化含氣量在1.1%及其以下時，不能滿足F50抗凍等級的相關(guān)需求。當硬化含氣量提升至1.7%～4.5%之間時，相對動彈模量為69%～98%，仍超過了60%?？梢姡瑢τ贑25混凝土而言，滿足F50抗凍等級需求的硬化含氣量應(yīng)在1.1%～1.7%之間。

75次凍融循環(huán)試驗后，1.7%～4.5%硬化含氣量范圍內(nèi)，混凝土的相對動彈模量為54%～97%。除1.7%含氣量下混凝土的相對動彈模量不足60%外（54%），其余混凝土的相對動彈模量均超過60%（含氣量2.3%～4.5%），說明滿足F75抗凍等級C25混凝土的硬化含氣量在1.7%～2.3%之間。100次凍融循環(huán)試驗后，2.3%～4.5%硬化含氣量范圍內(nèi)，混凝土的相對動彈模量為53%～97%。2.3%和3.2%硬化含氣量條件下混凝土的相對動彈模量分別為53%和68%，說明滿足F100抗凍等級的C25混凝土的硬化含氣量在2.3%～3.2%之間。

同理C30混凝土F25、F50、F75、F100抗凍等級的硬化含氣量分別為1.1%以上、1.1%～2.2%之間、1.1%～2.2%之間和2.2%～2.9%之間。C35混凝土情況相對特殊，1.2%硬化含氣量條件下，抗凍等級能夠達到F75以上，而在100次凍融循環(huán)后，相對動彈模量降至37%，不足60%。但硬化含氣量提升至2.1%時，相對動彈模量超過了60%，為62%，說明F100抗凍等級的硬化含氣量應(yīng)在1.2%～2.1%之間。

3.2 混凝土硬化含氣量與相對動彈模量的關(guān)聯(lián)性

若要建立溫和地區(qū)低抗凍等級混凝土硬化含氣量的檢驗標準，必先弄清滿足特定抗凍等級要求的臨界硬化含氣量，如何建立硬化含氣量與混凝土凍融損傷進程的定量關(guān)聯(lián)當屬重中之重。傳統(tǒng)抗凍性檢驗只是對具體混凝土配合比或結(jié)構(gòu)混凝土開展抗凍等級試驗，進而得出滿足或不滿足要求等結(jié)論，而缺少特定凍融循環(huán)次數(shù)后硬化含氣量差異導(dǎo)致?lián)p傷進程變化的相關(guān)描述?；炷量箖鲈囼炌ǔy得相對動彈模量和質(zhì)量損失兩個技術(shù)指標，受混凝土凍融破壞特點的影響，相對動彈模量比質(zhì)量損失更能定量表達混凝土的受凍損傷歷程。如劉崇熙、劉志勇等［5，6］均發(fā)現(xiàn)相對動彈模量能夠定量反應(yīng)不同凍融循環(huán)次數(shù)時混凝土的損傷程度，并分別采用指數(shù)函數(shù)模型和冪函數(shù)模型表征相對動彈模量與凍融循環(huán)次數(shù)之間的定量關(guān)聯(lián)。劉良林等［7］研究了相對動彈模量與入模含氣量之間的定量關(guān)聯(lián)，并提出了能夠反應(yīng)二者關(guān)系的二階多項式模型?？墒牵形匆娀炷劣不瑲饬颗c相對動彈模量之間定量關(guān)聯(lián)的相關(guān)報道，它是建立臨界硬化含氣量的重要依據(jù)，尚需深入探索分析。

由表2可知，25～100次凍融循環(huán)后，C25～C35混凝土的相對動彈模量普遍隨硬化含氣量增加而增加，在較低硬化含氣量水平時（≤2.0%），相對動彈模量增加幅度較大，進一步提升硬化含氣量，相對動彈模量增幅放緩。考慮到相對動彈模量隨硬化含氣量的變化趨勢與對數(shù)函數(shù)曲線比較相似，特采用對數(shù)函數(shù)擬合了相對動彈模量與硬化含氣量之間的相關(guān)性。C25混凝土的對數(shù)函數(shù)擬合結(jié)果如圖4所示。25次循環(huán)、50次循環(huán)、75次循環(huán)和100次循環(huán)后相對動彈模量與硬化含氣量均呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系。相關(guān)系數(shù)平方R2為0.8997～0.9805，相關(guān)性較好。與C25混凝土相似，C30混凝土和C35混凝土的相對動彈模量也與硬化含氣量呈較好的對數(shù)函數(shù)關(guān)系，擬合結(jié)果匯總?cè)绫?所示。C30混凝土擬合相關(guān)系數(shù)的平方R2為0.9060～0.9750，C35混凝土擬合相關(guān)系數(shù)的平方R2為0.8885～0.9739，相關(guān)性總體較好。

圖4 C25混凝土相對動彈模量與硬化含氣量的對數(shù)函數(shù)擬合結(jié)果

表3 相對動彈模量與硬化含氣量的相關(guān)性分析

3.3 F50和F100抗凍等級條件下C25～C35混凝土硬化含氣量的檢驗標準研究

為推進應(yīng)用硬化氣孔參數(shù)檢驗已建工程混凝土的抗凍性，對硬化含氣量的檢驗標準進行了深入研究。按照DL/T 5150-2017《水工混凝土試驗規(guī)程》規(guī)定，特定凍融循環(huán)次數(shù)后，當混凝土的相對動彈模量降至60%及其以下時，視為混凝土已受凍破壞。據(jù)此可將60%的相對動彈模量作為混凝土受凍破壞的臨界狀態(tài)，考慮到硬化含氣量變化對混凝土抗凍性能的影響應(yīng)是一個漸進的過程，60%相對動彈模量對應(yīng)的硬化含氣量就是混凝土是否受凍破壞的臨界硬化含氣量。根據(jù)此臨界值確定標準并結(jié)合上述C25～C35混凝土的對數(shù)函數(shù)表達式，計算了F25～F100抗凍等級條件下混凝土的臨界硬化含氣量。臨界硬化含氣量的計算結(jié)果匯總?cè)绫?所示，可見，C25混凝土的臨界硬化含氣量為0.5%～2.4%，C30混凝土的臨界硬化含氣量為0%～2.4%，C35混凝土的臨界硬化含氣量為0%～2.0%。對數(shù)函數(shù)擬合表達式是一種缺少物理意義的數(shù)學(xué)關(guān)系式，臨界硬化含氣量只能是實測區(qū)間內(nèi)的插值，而不能是外延值。具體而言，當C25、C30、C35混凝土的臨界硬化含氣量分別低于0.6%、1.1%和1.2%時，均屬無效結(jié)果。

表4 C25～C35混凝土的臨界硬化含氣量 %

鑒于溫和地區(qū)混凝土的設(shè)計抗凍等級一般為F50和F100，接下來只針對這2個抗凍等級進行討論。對于F50抗凍等級而言，C25、C30、C35混凝土的計算臨界硬化含氣量分別為1.4%、1.1%、0.5%，1.4%在C25混凝土實測硬化含氣量0.6%～4.5%之間，1.1%在C30混凝土實測硬化含氣量1.1%～5.7%之間，可作為臨界硬化含氣量。而0.5%小于C35混凝土實測硬化含氣量區(qū)間的下限1.2%，為無效結(jié)果?？紤]強度等級由C30提高至C35后，相同硬化含氣量條件下混凝土的抗凍性略有提高，硬化含氣量的控制標準可適當降低，即≤1.1%。因此，確定F50抗凍等級條件下C25、C30和C35混凝土的硬化含氣量控制標準，分別不低于1.4%、1.1%和1.1%。同理F100抗凍等級條件下C25、C30、C35混凝土的計算臨界硬化含氣量分別為2.4%、2.4%、2.0%，均在各自實測硬化含氣量的區(qū)間范圍內(nèi)，符合插值法選定臨界限值的基本準則，同時可作為抗凍性檢驗控制標準。

3.4 F50和F100混凝土硬化含氣量工程驗證

驗證已建工程硬化混凝土含氣量檢驗標準的有效性，特在揚州市某泵站工程現(xiàn)場開展試驗。整個試驗全面按照實際施工流程進行，通過控制入模含氣量見圖5，制備了6個尺寸約為600mm×600mm×1500mm見圖6、硬化含氣量梯度設(shè)計的混凝土澆筑塊。再在澆筑塊上取芯切割成100mm×100mm×400mm標準尺寸，同時制作100mm×100mm硬化氣孔參數(shù)的觀測試塊，切割部位和方法與室內(nèi)試驗時相同。

圖5 入模含氣量測試

圖6 工程現(xiàn)場制備的澆筑塊

通過現(xiàn)場制備試件，測得的硬化含氣量和抗凍等級如表5所示，對于C25、C30、C35這3種強度等級混凝土，硬化含氣量均滿足上述檢驗標準，并略高于臨界值，經(jīng)對現(xiàn)場取得芯樣進行抗凍等級測試，所有試件均能滿足相應(yīng)抗凍等級的相關(guān)要求。表明所提出的硬化含氣量檢驗標準比較適合F50和F100抗凍等級，具有較強的實用性，可在溫和地區(qū)類似水工混凝土工程中推廣應(yīng)用。

表5 現(xiàn)場制備試件的硬化含氣量和抗凍等級測試

4 結(jié)語

（1）25～100次凍融循環(huán)時，C25、C30和C35混凝土的相對動彈模量與硬化含氣量呈對數(shù)相關(guān)關(guān)系。

（2）對于已建工程C25、C30和C35混凝土的抗凍性檢驗標準，建議F50設(shè)計抗凍等級的硬化含氣量應(yīng)分別不低于1.4%、1.1%和1.1%；F100設(shè)計抗凍等級的硬化含氣量應(yīng)分別不低于2.4%、2.4%和2.0%。

（3）揚州市某泵站的現(xiàn)場取芯試驗表明，所提出的硬化含氣量檢驗標準能夠滿足溫和地區(qū)已建工程水工混凝土的抗凍性檢驗需求，可在類似工程中推廣應(yīng)用。