混凝土抗冻性试验方法浅析

陈信宇，严雨浩

（河海大学大禹学院，210000，南京）

纬度或海拔较高的水库大坝等建筑物，由于常年处于寒冷冰冻环境，其混凝土性能会严重劣化，导致建筑强度受到不利影响。因此对混凝土抗冻性的研究成为混凝土性能研究中十分重要的部分。

以混凝土、砂浆为主的多孔材料，经历数次冷冻—融化循环后，混凝土内部萌生出细微裂缝并扩展直至最终破坏的过程称为冻融破坏。除此之外，混凝土还会遭受“盐冻”破坏，指除冰盐导致的混凝土破坏，会引起严重的表面剥落，主要发生在使用除冰盐对冰冻混凝土进行除冰时。在冬季海港和海水建筑物的水位变动区往往也会发生类似破坏。国内外有许多专家学者研究了冻融破坏的机理，其中以静水压理论和结晶压理论较受重视，但仍然不完全清晰，杨全兵教授深入研究了盐冻破坏机理。

混凝土抗冻性与许多因素有关，如冻结速度、水灰比和饱水程度等。确定主要影响因素并模拟真实环境，研究更贴近真实情况的冻融循环试验方法，可以节省大量工程建设和维护成本，对于许多水利工程都有重大意义。

一、试验方法概述

目前的冻融循环试验方法，以循环时间、循环温度、溶液类型、溶液接触方式和评价指标为主要参数，溶液一般为清水或盐溶液，用来考虑混凝土在不同服役环境下的抗冻性。评价指标有抗压强度、重量损失、表面剥落量、残余应变和相对动弹性模量几种，因此试验循环次数有固定循环次数测试件指标改变量和计算达到规定指标改变量测最大循环次数两种方法。相对动弹性模量作为评价内部损伤的主要指标，可以较准确地体现混凝土试件内部的破坏程度，测量该指标的方法也分为超声声时法和超声声速法。表面剥落量、重量损失往往是冻融和盐溶液侵蚀的共同作用结果，以此作为附加标准。

二、我国冻融循环试验标准

依据普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准 （GB/T 50082—2009），我国混凝土抗冻性试验方法有三种，分别是慢冻法、快冻法、单面冻融法。而单面冻融法在被废止使用的上一标准GBJ 82—95中并未列出，该方法采用了RILEM TC 176:2002中CIF方法。

慢冻法适用于测定混凝土试件在“气冻水融”的反复冻融循环下的抗冻性能。采用边长为100 mm的立方体试件为标准试件，将试件放入冻融试验箱内进行试验。冷冻期间温度控制在-18℃～-20℃之间，极差不超过2℃，从降至-18℃开始计算冷冻时间，从装完试件到温度降至-18℃的时间应在1.5～2 h内，标准试件冷冻时间应在4～6 h内完成 （不同尺寸试件可依据标准设置不同冷冻时间），冷冻试验结束后立即加入18℃～20℃水，加水时间不超过10 min，冻融箱内水应至少高出试件表面20 mm，融化完毕后该循环结束，进入下一循环。该方法以试件抗压强度损失率达到25%或者质量损失率达到5%时的最大冻融循环次数确定试件抗冻性能，并以之标号。

快冻法适用于测定混凝土试件在“水冻水融”的反复冻融循环下的抗冻性能。将 100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体试件放置在试件盒内固定，注入清水浸泡进行冻融循环。每次冻融循环在2～4 h内完成，用于融化的时间不少于整个冻融时间的1/4，在冷冻和融化完成时试件中心温度控制在-18±2℃和 5±2℃。每块试件从3℃降至-16℃和从-16℃升至3℃的时间分别不少于整个冷冻时间和融化时间的1/2。每隔25次循环需要测量一次时间的横向基频并称重，并按下式计算相对动弹性模量P和抗冻耐久性系数。

式中，P和fn分别为经过N次冻融循环后混凝土试件的相对动弹性模量（%）和横向基频（Hz）， f0为冻融循环实验前试件横向基频初始值（Hz）。以相对动弹性模量P下降至初始值的60%或者质量损失率达5%时的最大冻融循环次数作为混凝土抗冻等级。

单面冻融法适用于测定处于大气环境中且与盐或其他介质接触的冻融循环的混凝土的抗冻性能。试验方法与RILEM CIF方法一致，采用边长为150 mm的立方体标准试件，附加PTFE片 （Teflon材料，尺寸150 mm×150 mm×2 mm）。最终切割成 150 mm×110 mm×70 mm标准试件，将与PTFE接触的面作为测试面，将该面放入3%氯化钠盐溶液中进行冻融循环，循环时间如图1。该方法除了需测定试件的剥落量、水分吸收量之外，通过测定在耦合介质中超声波的传播时间，计算得出传播时间的相对变化，再推求得出相对动弹性模量值判断试件内部损伤情况，再以剥落程度作为附加标准，判断混凝土试件的抗冻性能。

图1冻融循环时间

三、国外试验标准

国外使用较为普遍的方法有美国材料试验协会标准（ASTM）和国际结构材料试验室和专家联合会（RILEM）推荐的实验方法，ASTM对于混凝土抗冻性试验制定的标准有许多，其中运用较多、适用范围较广的有C666和C672，RILEM推荐的有CIF和平板试验（Slab Test）两种。

ASTM C666快冻法是目前应用最广的测试方法，分为A、B两种试验方法，温度在 4.4℃～-17.8℃内变化，A方法为“水冻水融”，B方法为“气冻水融”，试件自由形变，循环持续到300次或动弹性模量到达初始值的60%，并按式（2）计算抗冻性系数。

ASTM C672主要适用于测定混凝土表面暴露在除冰盐 （De-icing Salt）条件下的抗剥落能力。将氯化钙封存在试件表面，在-17.8±1.7℃的冰箱中放置16～18 h，再放置在温度为23±1.7℃、湿度为 45%～55%的空气中6～8 h，每5个循环冲洗表面并观察试件剥落情况。该方法只能从定性分析的角度分析试件的抗冻性，不能准确进行不同混凝土的比较。

RILEM CIF-Test（Capillary suction,internal damage and freeze thaw test）试验方法与我国标准中单面冻融法一致。平板试验中，将试样单面部分放入3%氯化钠溶液中进行冻融循环，测定56次循环后平板表面的剥落质量，以此评价混凝土抗冻性能。

四、国内学者专家改进方法

国内外标准中在列的冻融循环方法，大都基于混凝土冻融破坏机理提出，因此试验都为冻融循环单因素或在盐溶液中浸泡和冻融循环双因素耦合作用。而在实际工程中，混凝土的工作往往是多因素耦合，因此国内学者考虑了冻融、盐溶液和载荷的多因素耦合作用，在ASTM C666快冻法的基础上对试件施加载荷，施加四点弯应力测试受弯试件的抗冻性能。王海军在我国标准快冻法基础上对混凝土试件施加压应力，但未考虑应力松弛在长期试验中的影响，王燕茹等设计的两套装置以国家标准快冻法为基础用加载试验机可控制长期应力，但在混凝土试件中留有孔洞可能导致溶液进入试件影响冻融循环。还有人设计了疲劳—冻融试验法，用残余应变以及声发射技术确定内部损伤。

五、方法评价

我国标准中的快冻法和ASTM C666快冻法，均是将试件完全浸泡于溶液中进行“水冻水融”，试件的热量交换在任何方向都可以进行，导致温度分布不均匀、各部分形变不一致，导致结果不精确。在实际工程中，混凝土热量传递应该垂直于溶液的接触面，因此不能较好地贴合实际。在此基础上，单面冻融法侧面使用空气隔热，使热量的传递垂直于溶液接触面，结果更加精确。混凝土四点弯应力更加贴合混凝土实际工作中的受力状态，但使用盐溶液浸泡进行冻融循环不能准确反映出盐冻的破坏，根据闫培渝的观点，在实际工程中盐冻破坏往往在混凝土处于非饱和状态，在盐溶液冰冻过程中，由于分相作用使冰中的含盐量很低，与清水结冰无明显差别，因此对于完全浸泡在盐溶液的“水冻水融”“水冻气融”试验，模拟状态与真实的盐冻状态是有差别的。现有单面冻融法（RILEM CIF方法）是目前评价混凝土抗冻性效果最好的试验。

六、结 语

冻融与盐冻两大破坏是目前混凝土工程中的难题，而混凝土冻融破坏的机理还有待继续研究，这对试验的设计有极为重要的理论推进作用。现有的冻融循环试验需要进一步完善模拟冻融单因素条件下的破坏，在此基础上再进行不同溶液侵蚀、复杂应力状态下的多因素耦合试验。多因素耦合作用的破坏机理比单因素破坏复杂很多，因此还需要更多的试验和研究才能得到更贴合实际的结果，为实际工程服务。 ■

参考文献：

[1]杨全兵.混凝土盐冻破坏机理 (Ⅰ)——毛细管饱水度和结冰压[J].建筑材料学报,2007(5).

[2] 王海军,高勇,魏华,等.混凝土在压应力状态下的抗冻性试验分析[J].沈阳工业大学学报,2016,38(4).

[3]王燕茹,张鹏,代征征,等.混凝土冻融试验中加载方法的试验研究[J].混凝土,2017(7).

[4]阎培渝.混凝土“盐冻”的定义与试验方法[J].混凝土世界,2010(11).