基于冻融温度的水工混凝土抗冻性研究

张安生

(盘山县水利建筑工程处，辽宁 盘锦 124000)

0 引 言

抗冻性是反映水工混凝土耐久性的重要参数，《水工混凝土试验规程》规定的降温终了时试件中心温度-18℃通常为国内水利水电行业研究水工混凝土抗冻性能的主要依据，相关研究大多以材料组分的视角，分析外加剂、矿物掺合料、骨料、水泥等组分对混凝土抗冻性的影响，在此基础上提出掺加优质矿物掺合料、选择合适的骨料与水泥、控制混凝土水胶比、掺加引气剂等提高混凝土抗冻性能的诸多方法[1-3]，而对混凝土抗冻性受冻融制度本身的影响研究还鲜有报道。

调查显示，截至2013年中国已建水库大坝98002座，这些分布于不同气候区域的水库所经受的冻融循环次数不尽相同。依据区域气候模式和《气候变化国家评估报告》，中国的平均气温在1920s、1950s、1980s升高了近1.2℃、2.2℃、3.2℃，这将严重影响按冻融程度划分的区域水工混凝土结构物。根据最冷月平均气温《水工建筑物抗冻设计规范》将我国划分成温和区、寒冷区、严寒区，以上各分区水工建筑物的最高抗冻等级依次为F50、F100、F300。文章设计了F300、F50两种抗冻设计等级混凝土，并开展-40℃、-30℃、-25℃、-18℃、-10℃、-5℃低温抗冻试验[4]，系统的探究不同低温下各等级混凝土的力学性能、动弹性模量、质量损失的变化规律，在此基础上分析了混凝土微观特征受冻融循环的影响。

1 研究方法

1.1 原材料

试验采用P·O42.5通用硅酸盐水泥，以及符合规范要求的Ⅰ级粉煤灰，细度模数为2.70的细骨料(河砂)，粒径5-20mm、20-40mm的灰岩人工粗骨料，选用的引气剂型号为Air-205，减水剂为萘系，外加剂符合有关规范要求。化学成分分析表，见表1。

表1 化学成分分析表 %

1.2 配合比设计

采用中国北方气候严寒区某水电站F300抗冻等级的面板混凝土、南方温和区常见的F50抗冻等级的混凝土和C20强度等级的常态混凝土配合比，含气量5%-6%，粉煤灰掺量20%。应用绝对体积法设计两组配合比，以饱和面干为骨料质量，配合比设计，见表2。

表2 配合比设计

1.3 试验方法

根据《水工混凝土试验规程》测试水工混凝土的抗冻性，设计试件为400mm×100mm×100mm，采用降温终了-40℃、-30℃、-18℃的F300抗冻设计水工混凝土、-25℃、-18℃、-10℃、-5℃的F50抗冻设计水工混凝土，统一使用8℃作为升温时中心温度，执行升温历时1h、降温历时2h的抗冻制度。经多次冻融循环，采用感量5g、称量10g的电子天平和100Hz-10kHz频率的测定仪，对以上不同抗冻设计等级试件的质量和动弹性模量进行测试。然后依据《水工混凝土试验规程》中的有关要求开展力学性能的测试。冻融后，可利用FEI-650电子显微镜测试内部芯样的微观形貌。

本研究利用自制气候模拟系统开展不同设计条件下的冻融试验，该设备的温度波动幅度±0.5℃、实时控制精度0.1℃、温控区间-70℃-150℃，通过程序可设定温度恒定时间、变温速率等参数。

2 结果与分析

2.1 F50低抗冻等级混凝土

在-25℃、-18℃、-10℃、-5℃冻融试件中心低温冻融作用下F50低抗冻设计等级水工混凝土的动弹性模量和质量损失变化，不同低温条件下F50低抗冻设计水工混凝土抗冻性，见图1。

图1 不同低温条件下F50低抗冻设计水工混凝土抗冻性

由图1可知，从-5℃不断减少至-25℃，F50抗冻设计水工混凝土经过200次冻融循环后，其质量损失自2.5%逐渐上升到7.6%，增长幅度达到180%。F50水工混凝土在-25℃低温条件下，经过200次冻融循环后被冻断无法测试动弹性模量。结合150次冻融循环的测试结果，水工混凝土的动弹性模量在中心低温-5℃减少至-25℃过程中，其保留值自76%不断减少至38%，具有较大的变化幅度。

2.2 F300高抗冻等级混凝土

在-40℃、-30℃、-18℃冻融试件中心低温冻融作用下F300高抗冻设计等级水工混凝土的动弹性模量和质量损失变化，不同低温条件下F300低抗冻设计水工混凝土抗冻性，见图2。

图2 不同低温条件下F300低抗冻设计水工混凝土抗冻性

由图2可知，从-18℃不断减少至-40℃，经350次冻融循环后F300等级的水工混凝土，其质量损失自1.5%逐渐上升到7.6%，增长幅度达到370%。结合350次冻融循环的测试结果，水工混凝土的动弹性模量在中心低温-18℃减少至-40℃过程中，其保留值自62%不断减少至40%，变化幅度达到38%。试验表明，随着温度的降低高抗冻设计等级的水工混凝土抗冻性具有较大的下降幅度。

2.3 冻融最低温度影响

在-25℃、-18℃、-10℃、-5℃和-40℃、-30℃、-18℃冻融试件中心低温冻融作用下，F50水工混凝土的抗压强度，见图3；F300水工混凝土的抗压强度，见图4。

图3 F50水工混凝土的抗压强度

图4 F300水工混凝土的抗压强度

由图3、图4可知，从-5℃不断减少至-25℃，F50抗冻设计水工混凝土经过200次冻融循环后，其抗压强度下降率自40.5%快速上升到84.6%。从-18℃不断减少至-40℃，F300抗冻设计水工混凝土经过350次冻融循环后，其抗压强度下降率自13.5%快速上升到76.5%。

2.4 最大冻融循环次数

根据《水工混凝土试验规程》规定的动弹性模量减少到起始值的60%、质量损失5%的评判标准，在不同中心低温冻融下F50、F300经受的最大冻融循环次数，F300水工混凝土的抗压强度，见图5。

图5 F300水工混凝土的抗压强度

由图5可知，在-5℃、-10℃低温条件下，按-18℃低温抗冻设计达到F50的水工混凝土经受的最大冻融循环次数超过200次、150次；在-30℃、-40℃低温条件下，按-18℃低温抗冻设计达到F300的水工混凝土经受的最大冻融循环次数达到200次、160次。

2.5 微观形貌分析

将冻融循环作用后的水工混凝土内部芯样利用环境扫描电子显微镜进行直接观测，能够有效避免水工混凝土芯样受表层喷金处理、烘干等工序的影响，可以最大限度的表征混凝土微观形貌受冻融作用的影响。

根据-40℃低温经350次循环的F300和-18℃低温经200次循环的F50芯样的微观形貌可知，一定程度的冻融循环作用可以使水工混凝土内部产生较多的裂缝，裂缝宽度总体处于0.5-3.1μm之间，冻融循环在很大程度上改变了水化产物结构，使其变得更加疏松，这些疏松结构以及裂缝的存在为有效渗入冻融介质创造了有利条件，在很大程度上加快了冻胀破坏，对水工混凝土抗压强度以及动弹性模量的变化造成直接影响。

3 结 论

1)不同等级的水工混凝土抗冻性能随着冻融最低温度的降低而逐渐下降。从-5℃不断减少至-25℃，F50混凝土经过200次冻融循环后，其质量损失增长幅度达到180%，动弹性模量在中心低温-5℃减少至-25℃过程中，其保留值自76%不断减少至38%，变化幅度达到50%以上；从-18℃不断减少至-40℃，F300混凝土经过350次冻融循环后，其质量损增长幅度达到370%，动弹性模量在中心低温-18℃减少至-40℃过程中，其保留值自62%不断减少至40%，变化幅度达到38%。

2)随着冻融最低温度的降低水工混凝土的最大冻融循环次数和力学性能不断减少。从-5℃不断减少至-25℃，F50抗冻设计水工混凝土经过200次冻融循环后，其抗压强度下降率自40.5%快速上升到84.6%；从-18℃不断减少至-40℃，F300抗冻设计水工混凝土经过350次冻融循环后，其抗压强度下降率自13.5%快速上升到76.5%。

3)一定程度的冻融循环作用可以使水工混凝土内部产生较多的裂缝，裂缝宽度总体处于0.5-3.1μm之间，冻融循环在很大程度上改变了水化产物结构，使其变得更加疏松，并为有效渗入冻融介质创造了有利条件，在很大程度上加速了冻胀破坏。