气候变化条件下水工混凝土的抗冻性能

戈雪良，苏文德，陆采荣

(1．南京水利科学研究院，江苏南京 210029;2．厦门轨道交通集团有限公司，福建 厦门 361004)

我国现已建成各类水库98000多座，总库容近9300多亿m3［1］，分布在不同气候区域，每年经受的冻融循环次数不尽相同。《气候变化国家评估报告》预估我国在21世纪20年代、50年代和80年代平均气温分别升高约1.2℃、2.2℃和3.2℃［2］，气温变化将对我国水工混凝土结构物的受冻融作用区域划分产生重要影响，大体上导致南北分界线北移，现有分界线处以及北方地区的年平均冻融循环次数有可能显著增加，从而加速这部分地区水工混凝土结构物的冻融破坏。另外，气候变暖导致极端气候出现的频次增加，极端低温甚至是突破历史极值的低温使我国北方地区已考虑抗冻设计的水工混凝土的抗冻耐久性面临新的挑战。

目前，我国水工混凝土的抗冻融试验一般是在－17℃ ±2℃的降温终了低温，以及8℃ ±2℃的升温终了温度下进行，以此对水工混凝土的抗冻性能进行评估。水工混凝土抗冻等级的设计原则为:在最冷月评价温度低于－10℃的严寒区一般设计F300，而在最冷月评价温度大于－3℃的温和区设计F50或F100。国内外开展的水工混凝土抗冻耐久性方面的研究比较多，取得了一些重要的研究成果［3-9］。根据调研，我国南方地区最冷月(1月)极端低温气温平均值为－8.4℃，东北、西北、华北地区最冷月(1月)极端低温气温平均值为－32.7℃［10］。针对现行抗冻耐久性设计原则、抗冻试验方法以及我国南方和北方地区的最冷月气温现状，本文采用F50、F100、F300等3种抗冻等级的水工混凝土，在－5℃、－10℃、－17℃、－30℃、－40℃等5种降温终了混凝土试件中心温度下进行冻融试验，研究不同冻融温度条件下不同抗冻设计等级水工混凝土的抗冻性能。

1 原材料、配合比与试验方法

1．1 原材料

水泥采用P·O 42.5普通硅酸盐水泥，Ⅰ级粉煤灰。细骨料为天然河砂，细度模数为2.71。粗骨料为灰岩人工碎石，粒径范围为5～40 mm。外加剂为萘系高效减水剂和Air-202引气剂。经检测，水泥、粉煤灰、外加剂的品质和参数均符合相应现行规程规范的技术要求，可用于试验研究。

1．2 配合比

根据气候严寒区、温和区分别要求的水工混凝土抗冻等级情况，通过优化配合比以及控制体积含气量，设计了F50、F100、F300等3种抗冻等级的水工混凝土。经测试，F50、F100、F300水工混凝土实际含气量分别为2.8%、3.7%、5.8%，配合比见表1。

表1 不同抗冻等级的水工混凝土试验配合比

1．3 试验方法

采用自行研制的GDJS-800气候模拟系统进行水工混凝土冻融试验，该系统可实现混凝土试件中心温度－70～150℃的变化范围，实时控制精度为0.1℃，温度波动度为±0.5℃，可通过程序设定改变温降速率与温度恒定时间等试验参数。水工混凝土抗冻试件的成型、制作与养护按照SL352—2006《水工混凝土试验规程》进行。

冻融试验降温终了试件中心低温分别设为－5℃、－10℃、－17℃、－30℃、－40℃，降温历时均为2h，升温终了试件中心温度统一设为8℃，升温历时均为1h。经过若干个冻融循环后，采用动弹性模量测定仪(频率100～ 10000 kHz)、电子天秤(称量10 kg，感量5 g)分别测试混凝土的动弹性模量和质量，进而对抗冻耐久性进行评估。

2 试验结果与讨论

2．1 水工混凝土的冻融质量损失

F50、F100、F300等3种抗冻设计等级的水工混凝土在 －5℃、－10℃、－17℃、－30℃、－40℃等5种降温终了试件中心温度下，经受若干冻融循环次数后的质量损失率如图1所示。从图1可以看出，随着冻融试验降温终了水工混凝土试件中心温度的降低，水工混凝土的质量损失率逐渐增大。200次冻融循环后，降温终了试件中心温度从－5℃降到－40℃，中低抗冻设计等级的 F50、F100水工混凝土的质量损失率分别从2.6%增大到12.4%，以及从2.2%增大到9.2%。对于高抗冻设计等级的F300水工混凝土而言，350次冻融循环后，降温终了试件中心温度从－5℃降到－40℃，其质量损失率从0.6%增大到7.5%。

1 不同抗冻设计等级水工混凝土的冻融质量损失率

2．2 水工混凝土的动弹性模量变化

3种抗冻设计等级的水工混凝土在测试完冻融质量损失后，分别进行动弹性模量测试，根据动弹性模量变化，并结合冻融质量损失情况，可对不同抗冻设计等级的水工混凝土在不同降温终了试件中心温度条件下的冻融耐久性进行评估。不同冻融循环次数下水工混凝土的动弹性模量试验结果如图2所示。

图2 不同抗冻设计等级水工混凝土的动弹性模量变化

从图2可以看出，F50抗冻设计等级的水工混凝土试件在－30℃降温终了试件中心温度条件下经过150次冻融循环后动弹性模量仅为初始值的31%，冻融循环次数继续增加试件被冻断;当降温终了试件中心温度降低至－40℃时，经过100次冻融循环后动弹性模量为初始值的30%，冻融循环次数继续增加试件被冻断。F100抗冻设计等级的水工混凝土在降温终了试件中心温度达到－40℃时，经过150次冻融循环后动弹性模量为初始值的30%，继续冻融试验试件被冻断。在降温终了试件中心温度从－5℃降低到－40℃的过程中，经过350次冻融循环后，F300抗冻设计等级的水工混凝土的动弹性模量从初始值的81%下降至39%，表明即使是F300高抗冻设计等级的水工混凝土，随着冻融降温终了试件中心温度的降低，其抗冻性能也下降较快。

2．3 水工混凝土能经受的最大冻融循环次数

图3 水工混凝土能经受的冻融循环次数

按照现行SL352—2006《水工混凝土试验规程》中水工混凝土质量损失5%、动弹性模量下降至初始值的60%的抗冻性能评判标准，图3给出了F50、F100、F300抗冻设计等级的水工混凝土在 －5℃、－10℃、－17℃、－30℃、－40℃等5个冻融试验降温终了试件中心温度条件下能经受的最大冻融循环次数。

根据图3中的试验结果，低、中、高3种抗冻设计等级的水工混凝土在不同冻融降温终了低温条件下能经受的最大冻融循环次数的演变规律是一样的，均是随着降温终了试件中心温度的降低而减少。按照－17℃降温终了试件中心温度条件冻融确定的F50抗冻设计等级水工混凝土，在－10℃或－5℃低温条件下能经历最大冻融循环次数在100次以上，而目前处于气候温和区的水利工程很少能经历－17℃低温条件。而对于严寒地区的水利工程而言，即使是依据－17℃降温终了试件中心温度条件冻融确定的F300抗冻设计等级水工混凝土，当温度继续降低至－30℃甚至－40℃时，其能经受的最大冻融循环次数在200次以下，而目前该气候区域内出现－30℃ ～－40℃的低温条件是完全有可能的。

2．4 机理分析

水工混凝土的冻融破坏主要是由一定冻结温度下结冰的水和过冷的水引起，结冰的水产生体积膨胀、过冷的水发生迁移，这两种行为均能引起混凝土内部孔压增大，产生破坏。毛细孔中的含水率超过一定限值时，冻结会产生很大的压力，该压力值除了与毛细孔中的含水率有关外，还与冻结速度有关，5个冻融降温终了混凝土试件中心温度(－5℃、－10℃、－17℃、－30℃、－40℃)对应的降温速率分别为 6.5℃ /h、9℃ /h、12.5℃ /h、19℃ /h 和 24℃ /h，与之相对应的是水工混凝土抗冻耐久性呈现降温速率和劣化程度增大的规律。

另外，在现行－17℃降温终了混凝土试件中心温度的标准冻融试验方法中，毛细孔中的水会结冰，凝胶孔水一般处于过冷状态，过冷水的蒸气压比相同温度下冰的蒸气压要高，由此导致凝胶孔水向毛细孔中冰的界面渗透的现象，直至达到平衡状态。渗透过程中产生的渗透压力对水工混凝土的抗冻耐久性也会产生影响。在降低降温终了混凝土试件中心温度至－30℃甚至－40℃时，凝胶孔中处于过冷状态的水量可能会比中心温度为－17℃时增加，进而更多的过冷水发生渗透迁移现象，大量过冷水的渗透迁移进一步导致渗透压力的增大，这也是降低冻融过程中水工混凝土试件中心温度后，水工混凝土抗冻耐久性下降的主要原因之一。

3 结论

a．随着冻融过程中降温终了试件中心温度的降低，F50、F100、F300等3种代表低、中、高不同抗冻设计等级的水工混凝土的质量损失、动弹性模量损失逐渐增大，水工混凝土能经受的最大冻融循环次数逐渐减少。

b．按照现行－17℃降温终了低温条件冻融方法确定的F50抗冻设计等级水工混凝土，在－10℃或－5℃低温条件下能经历最大冻融循环次数在100次以上;依据－17℃降温终了低温条件冻融方法确定的F300抗冻设计等级水工混凝土，当温度继续降低至－30℃甚至－40℃时，其能经受的最大冻融循环次数在200次以下。

c．冻融低温本身对水工混凝土的抗冻耐久性会产生影响，主要表现为采用更低的混凝土试件中心温度后，混凝土凝胶孔中处于过冷状态的水量增多，过冷水迁移产生较大渗透压力，是水工混凝土产生冻融破坏的主要原因之一;另外，冻融过程中的低温温降速率对水工混凝土的抗冻性能也存在一定影响，随着温降速率的增大，水工混凝土的劣化程度增大。

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