谈混凝土耐久性能——抗冻性

王国臣

（中国水利水电第十三工程局有限公司中心试验室 德州 253000）

1 混凝土耐久性的概念

混凝土耐久性是指结构在规定的使用年限内，在各种环境条件作用下，不需要额外的费用进行加固处理而保持其安全性、正常使用和可接受的外观能力。

影响结构耐久性的因素很多，混凝土质量及其保护层是内在因素；环境与载荷作用则是外在因素。目前，水工建筑物混凝土的耐久性主要通过抗冻性和抗渗性指标来表示，本文对混凝土的抗冻性进行阐述。

2 混凝土冻融作用破坏机理

混凝土的抗冻性是指混凝土受到物理作用（干湿变化、温度变化、冻融变化等）后，能保持强度和外观完整性的能力。它是反映混凝土耐久性的重要指标之一。

混凝土冻融作用破坏机理是：混凝土在其冻融的过程中，遭受的破坏应力主要由两部分组成。其一是当混凝土中的毛细孔水在某负温下发生物态变化，由水转变成冰，体积膨胀形成膨胀压力，从而在孔周围的微观结构中产生拉应力；其二是当毛细孔水结成冰时，由凝胶孔中过冷水在混凝土微观结构中迁移和重分布引起的渗管压。当混凝土受冻时，这两种压力会损伤混凝土内部微观结构，当经过反复多次的冻融循环以后，损伤逐步积累不断扩大，发展成互相连通的裂缝，使混凝土的强度逐步降低，最后甚至完全丧失。

3 混凝土冻融试验方法

混凝土冻融试验方法分慢冻法和快冻法两种。

3.1 慢冻法

3.1.1 试件制作

抗冻性能试验采用立方体试件。试件尺寸根据混凝土中骨料的最大粒经制作。试件尺寸为100mm×100mm×100mm、150mm×150mm×150mm、200mm×200mm×200mm，对应骨料最大粒径为30mm、40mm、60mm。

冻融试验所需混凝土试件的组数见表1，每组混凝土试件应为3块。

表1 慢冻法冻融试验所需混凝土试件组数

3.1.2 仪器设备

a.冷冻箱。装上试件后，能使箱内温度保持在－15～－20℃范围内。

b.融解水槽。装上试件后能使水温保持在15～20℃范围内。

c.案秤。称量10kg，感量为5g。

d.压力试验机。精度至少为±2%，其量程应能使试件的预期破坏荷载值不小于全量程的20%，也不大于全量程的80%。

3.1.3 试验步骤

a.如无特殊要求，试件在28天龄期时进行冻融试验。试验前4天应把冻融试件从养护地点取出，进行外观检查，随后放在15～20℃水中浸泡，浸泡时水面至少应高出试件顶面20mm，冻融试件浸泡4天后进行冻融试验。对比试件则应保留在标准养护室内，直到完成冻融循环后，与抗冻试件同时试压。

b.浸泡完毕后，取出试件，用湿布擦除表面水分、编号、称重，放入冷冻箱开始冻结试验。

c.抗冻试验冻结时温度应保持在-15～-20℃。试件在箱内温度到达-2℃时放入，装完试件如温度有较大升高，则以温度重新降至－15℃时起算冻结时间。每次从装完试件到重新降至-15℃所需的时间不应超过2h。冷冻箱内温度均以其中心处温度为准。

d.每次循环中试件的冻结时间应按其尺寸而定，对100mm×100mm×100mm、150mm×150mm×150mm 试件的冻结时间不应小于4h，对200mm×200mm×200mm试件不应小于6小时。如果在冷冻箱内同时进行不同规格尺寸试件的冻结试验，其冻结时间应按最大尺寸试件计。

e.冻结试验结束后，试件即可取出并应立即放入能使水温保持在15～20℃的水槽中进行融化。此时，槽中水面应至少高出试件表面20mm，试件在水中融化的时间不应小于4h。融化完毕即为该次冻融循环结束，取出试件送入冷冻箱进行下一次循环试验。

f.经常对冻融试件进行外观检查。发现有严重破坏时应进行称重，如试件的平均失重率超过5%，即可停止其冻融循环试验。

g.混凝土试件达到表1规定的冻融循环次数后，即应进行抗压强度试验。抗压试验前应称重并进行外观检查，详细记录试件表面破损、裂缝及边角缺损情况。如果试件表面破损严重，则应用石膏找平后再进行试压。

3.1.4 试验结果整理

混凝土冻融试验后应按下式计算其强度损失率：

式中 △fc——N次冻融循环后的混凝土强度损失率，以3个试件的平均值计算，%；

fco——对比试件的抗压强度平均值，MPa；

fcn——经N次冻融循环后的3个试件抗压强度平均值，MPa；

混凝土试件冻融后的重量损失率可按下式计算：

式中 ωn——N次冻融循环后的重量损失率，以3个试件的平均值计算，%；

Go——冻融循环试验前的试件重量，kg；

Gn——N次冻融循环后的试件重量，kg；

混凝土的抗冻标号，以同时满足强度损失率不超过25%、重量损失率不超过5%时的最大循环次数来表示。

3.2 快冻法

3.2.1 试件制作

该试验采用100mm×100mm×400mm的棱柱体试件。混凝土试件每组3块，在试验过程中可连续使用，除制作冻融试件外，尚应制备同样形状尺寸、中心埋有热电偶的测温试件，测温试件所用混凝土的抗冻性能应高于冻融试件。

3.2.2 仪器设备

a.快速冻融试验机。能使试件静置在水中不动，依靠热交换液体的温度变化而连续、自动地按照要求进行冻融的装置。满载运转时冻融箱内各点温度的极差不得超过2℃。

b.试件盒。由1～2mm厚的钢板或塑料制成。其净截面尺寸应为110mm×110mm，高度应比试件高出50～100mm。试件底部垫起后盒内水面应至少能高出试件顶面5mm。

c.案秤。称量 10kg，感量 5g；或称量20kg，感量 10g。

d.动弹性模量测定仪。

e.热电偶、电位差计。在20～2℃范围内测定试件中心温度，测量精度不低于±0.5℃。

3.2.3 试验步骤

a.如无特殊规定，试件在28天龄期时开始冻融试验。冻融试验前4天应把试件从养护地点取出，进行外观检查，然后在温度为15～20℃的水中浸泡（包括测温试件）。浸泡时水面至少应高出试件顶面20mm，试件浸泡4天后进行冻融试验。

b.浸泡完毕后，取出试件，用湿布擦除表面水分，称重，并按规定测定其横向基频的初始值。

c.将试件放入试件盒内，为了使试件受温均衡，并消除试件周围因水分结冰引起的附加压力，试件的侧面与底部应垫放适当宽度与厚度的橡胶板，在整个试验过程中，盒内水位高度应始终保持高出试件顶面5mm左右。

d.把试件盒放入冻融箱内。其中装有测温试件的试件盒应放在冻融箱的中心位置，此时即可开始冻融循环。

e.冻融循环过程应符合下列要求：

ⓐ每次冻融循环应在2～4h内完成，其中用于融化的时间不得小于整个冻融时间的1/4；

ⓑ在冻结和融化终了时，试件中心温度应分别控制在-17±2℃和 8±2℃；

ⓒ每块试件从6℃降至-15℃所用的时间不得少于冻结时间的1/2。每块试件从-15℃升至6℃所用的时间也不得少于整个融化时间的1/2，试件内外的温差不宜超过28℃；

ⓓ冻和融之间的转换时间不宜超过10min。

f.试件一般每隔25次循环做一次横向基频测量，测量前应将试件表面浮渣清洗干净，擦去表面积水，并检查其外部损伤及重量损失。横向基频的测量方法及步骤应按规定执行。测完后，应即把试件掉一个头重新装入试件盒内。试件的测量、称量及外观检查应尽量迅速，以免水分损失。

g.为保证试件在冷液中冻结时温度稳定均衡，当有一部分试件停冻取出时，应另用试件填充空位。如冻融循环因故中断，试件应保持在冻结状态下，并最好能将试件保存在原容器内用冰块围住。如无这一可能，则应将试件在潮湿状态下用防水材料包裹，加以密封，并存放在－17±2℃的冷冻室或冰箱中。

试件处在融解状态下的时间不宜超过两个循环。特殊情况下，超过两个循环周期的次数，在整个试验过程中只允许1～2次。

h.冻融到达以下三种情况之一即可停止试验：ⓐ已达到300次循环；ⓑ相对动弹性模量下降到60%以下；ⓒ重量损失率达5%。

3.2.4 试验结果整理

混凝土试件每做完25次冻融循环试验，都要测量一次重量和相对动弹模量，当相对动弹模量下降至初始值的60%或质量损失率达5%时，即认为试件已破坏，并以相应的冻融循环次数作为混凝土的抗冻等级。如果试件冻融至预定的循环次数，而相对动弹模量或质量损失均未达上述指标，可认为试验的混凝土的抗冻性已满足实际要求。根据冻融循环次数及相应的动弹性模量可计算出混凝土耐久性系数，供设计选材时参考。

混凝土试件的相对动弹性模量可按下式计算：

式中P——经N次冻融循环后试件的相对动弹性模量，以3个试件的平均值计算，%；fn——N次冻融循环后试件的横向基频，HZ/s；fo——冻融循环试验前测得的试件横向基频初始值，HZ/s。

混凝土试件冻融后的质量损失率应按下式计算：

式中 △Wn——N次冻融循环后试件的重量损失率，以3个试件的平均值计算，%；

Go——冻融循环试验前的试件重量，kg；

Gn——N次冻融循环后的试件重量，kg。

4 南水北调中线一期天津干线西黑山进口闸至有压箱涵段工程冻融试验结果

4.1 工程概况

南水北调西黑山进口闸至有压箱涵段西起河北省保定市徐水县西黑山村西总干渠，桩号为0+000；东至徐水县丁家庄南，桩号为15+200：全长15.208km。设计输水流量50m3/s，加大输水流量60m3/s。

该段建筑物以输水箱涵为主，其中，无压箱涵长6294.508m，有压箱涵长4093m。混凝土设计等级为C30F150W6、C25F150W6，根据该工程实际情况进行了混凝土抗冻试验检测。

4.2 冻融试验结果

慢冻法检测周期长，因此采用快冻法进行混凝土抗冻试验，按《水工混凝土试验规程》（DL/T5151—2001）进行检测，试验结果整理见表2。

5 提高混凝土抗冻性的措施

a.采用加气混凝土，防止混凝土冻融破坏。混凝土的组成、配合比、养护条件和密实度决定了其在饱水状态下抵抗冻融破坏的能力，目前加气混凝土可以有效提高混凝土的抗冻性。在混凝土中掺加优质引气型高效减水剂，一般引气量为4%～8%，既能获得大量均匀分布的微小气泡，提高抗冻性，也能大幅度减小W/C，从而保证混凝土强度不降低，提高其抗冻性。

表2 西黑山进口闸至有压箱涵段工程冻融试验结果

b.加强施工管理，严格控制施工配合比。混凝土搅拌必须均匀，振捣必须到位，要严格遵守养护制度，可以用表面养护剂来改善养护条件，提高保水性，加速表面硬化。

c.避免或减轻碱集料反应。混凝土碱集料反应危害很大，一旦发生很难修复。当混凝土使用有碱活性反应的骨料时，必须从配合比出发，严格控制混凝土中的总碱含量以保证混凝土的耐久性。

6 结语

混凝土结构的耐久性是一个涉及环境、材料、设计、施工等多种因素的复杂问题，要解决好这个问题需要进行多方面的工作。钢筋混凝土结构耐久性应由正确的结构设计、材料选择以及严格的施工质量来保证，同时在使用阶段实行必要的管理和维护。只有这样，才能保证和提高混凝土结构的耐久性，保证我国建筑事业的可持续发展。■