多因素耦合作用下透水混凝土道面抗冻性研究

李长辉，石广顺，赵方冉，陈 宇，王洪龙

(1.中国民航大学 机场学院，天津 300300；2. 山东省建筑设计研究院有限公司，山东 济南 250001；3.天津市市政工程设计研究院，天津 300000)

0 引言

近些年，研究者在机场领域提出了建设海绵型机场理念，其主要对策为建设大面积可渗、蓄水道面等设施。但是，在冬季我国北方机场中，由于温度低会导致飞机表面结冰。飞机表面结冰会增加飞机自重、改变气流方向，严重影响飞行安全[1]。为确保飞行安全，机场管理部门常将主要成分为乙二醇的除冰液喷洒在飞机表面用以飞机除冰。然而，含有除冰剂的水溶液散落在除冰坪混凝土上，在冻融和除冰液侵蚀的多因素相互作用、复合叠加下，除冰坪混凝土的表面会出现剥落与开裂[2-4]。肖柏林等[5]研究了不同颗粒骨料种类及形状对于矿山胶结填充料低标号流态混凝土内部孔隙的影响。Zhang等[6]研究了一种新的人工智能算法(MOLSSVR)对于透水混凝土的渗透系数和单轴抗压强度的预测。Chen等[7]研究了以Na2O和SiO2为主要掺合料的碱矿渣透水混凝土对于水的净化作用。洪锦祥等[8]研究了质量损失率、相对动弹性模量损失率与抗折强度损失率之间的关系。郭寅川等[9]研究了高寒地区桥面板水泥混凝土的抗盐冻性能，研究结果表明盐冻作用会加速混凝土表面砂浆层的剥蚀，但对混凝土剥蚀面下的砂浆层剥蚀不显著。李满良等[10]研究了在透水慢行系统结构生态下沥青混合料的渗透系数与空隙率及连续空隙率的关系。宋云连等[11]分别采用0%，8%，10%，12%，14%，16%的早强剂替换水泥掺入碎石中，研究了早强剂的掺量对于水泥稳定材料抗冻性能的影响。刘丹丹等[12]通过正交试验的方法，设定了3组不同水灰比及养护时间的试件，研究了水灰比对于透水混凝土性能的影响。对于透水混凝土道面，由于其大孔隙结构特点，除冰液会通过内部的连通孔隙通道流入指定的区域[13]。但是，其表层处闭口孔隙及表面开口孔隙仍会滞留除冰液。此外，一旦透水混凝土孔道出现堵塞的现象，大量的除冰液会滞留在孔道内部，在低温下受冻膨胀产生的冻胀应力不容忽视。由上述文献研究可知，研究内容多集中在普通混凝土道面抗冻性研究，对于机场道面中大孔隙率透水混凝土道面的抗冻性能研究有限。

因此本研究以透水混凝土材料为主要研究对象，开展了系统的抗冻试验研究，分析了混凝土试件在不同的除冰液浓度、孔隙率、低温、结冰速率下经过25，50，75，100次冻融循环后的相对动弹性模量损失及质量损失，系统研究了透水混凝土材料在除冰液及外部因素作用下的冻融损伤特点，结果对于工程具有指导性意义。

1 试验研究

1.1 试验原材料

试验所需主要材料包括：粗集料、水泥、水、减水剂、引气剂、乙二醇溶液等。试验所使用的粗骨料为8～10 mm 的单粒级石灰岩碎石，要求外形均匀且针片状颗粒的含量在15%以内，表观密度2 715 kg/m3，含水量0.5%，含泥量0.3%。水泥采用PI42.5硅酸盐水泥，外加剂为 AJF-6 缓凝高效减水剂与JM-2000C 高效引气剂。试验所使用的冻融介质为体积浓度不相同的乙二醇除冰液，冻融介质的体积浓度分别为 3.5%，12.5%及25%。目标孔隙率分别为15%，20%，25%，30%的透水混凝土质量配比如表1所示。

表1 不同孔隙率混凝土的配合比设计

1.2 冻融循环试验方案

按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》[14]的规定，本冻融循环试验采用快冻法，抗冻性能评价指标为质量损失率和相对动弹性模量。试验采用混凝土快速冻融试验机(DR-Ⅱ型, 天津东正测控技术发展有限公司制造)，试验机主要由温度测量控制系统、冻融试验箱、水冷循环系统、制冷加热系统等部分组成。试验机、试验用试件及控制系统程序如图1所示。采用抗冻性标准试件尺寸：100 mm×100 mm×400 mm。试验通过控制变量法分别测定不同孔隙率、除冰液浓度、冻融速率及低温冻结温度等因素对透水混凝土抗冻性能的影响。

2 试验结果及分析

2.1 除冰液浓度对透水混凝土抗冻性影响

混凝土在反复经受冻融循环的过程中，混凝土表面骨料会发生由冻融导致的松散剥落，造成混凝土的质量损失。因此采用混凝土的质量损失率作为参数可有效地衡量混凝土遭受冻融破坏的程度，混凝土的质量损失率Δm按式(1)计算：

(1)

式中，m0为未经试验试件的原始质量；m1为试件经受N次冻融循环后的质量。应注意的是在测试多孔混凝土质量损失率时，在一个冻融循环后将试件表面冲洗干净并擦去表面水分，静置3～4 h将其孔内水分控干后再测试其质量损失。

除质量损失率外，混凝土遭受冻融后的破坏程度还可用试件的相对动弹性模量损失率来评价，混凝土材料的相对动弹性模量损失率Er的计算方法见式(2)：

(2)

式中，E0为试件在未经冻融循环试验前的原始弹性模量；v0为试件在未经冻融循环试验前原始声波速度；En为试件经受N次冻融循环后的弹性模量；vn为试件经受N次冻融循环后的声波速度。

在相同冻结温度及冻融速率下，采用15%孔隙率的混凝土试件，分别测定体积分数为3.5%，12.5%，25%乙二醇溶液的抗冻性指标变化情况如图2、图3所示。

图2 不同除冰液浓度下的质量损失Fig.2 Mass losses under different deicing liquid concentrations

图3 不同除冰液浓度下相对动弹模量Fig.3 Relative dynamic elastic moduli under different deicing liquid concentrations

以清水为对照组，通过分析抗冻性评价指标的变化情况，结果表明：在第100次循环后，3.5%乙二醇浓度的试件质量损失率为1.5%，相对动弹模量为85%，其抗冻性最差，说明低浓度的除冰液会加剧混凝土骨料的剥落。而随着除冰液浓度增加，在第100次循环后，25%乙二醇浓度的试件质量损失率为0.4%，相对动弹性模量为94%，明显优于清水和低浓度试件，说明高浓度的乙二醇溶液可以改善透水混凝土的抗冻性能。

2.2 孔隙率对透水混凝土抗冻性能影响

试验使用25%浓度乙二醇溶液作为冻融介质，控制相同冻结温度及冻融速率，采用不同配合比分别测定了15%，20%，25%，30%孔隙率试件的抗冻性指标，研究了孔隙率对透水混凝土的冻融损伤规律，如图4、图5所示。

图4 不同孔隙率下的质量损失Fig.4 Mass losses under different porosities

图5 不同孔隙率下的相对动弹模量Fig.5 Relative dynamic elastic moduli under different porosities

结果表明,相同冻融循环次数下，试件孔隙率越大，质量损失越多，相对动弹模量下降越明显，抗冻性能越差。故透水混凝土配合比设计时，应尽量降低非连通孔的比例，以保证透水混凝土的抗冻性。

2.3 低温、冻融速率对透水混凝土抗冻性影响

对于混凝土的抗冻性而言，不同地区低温冻结温度的差异会影响其抗冻性能。试验仍使用25%浓度乙二醇溶液作为冻融介质，试件孔隙率控制为15%，通过冻融试验机控制系统将最高温度均设置为5 ℃，最低冻结温度由低到高分别设置为-20，-15，-10，-5 ℃。试件在经受50次冻融循环后的抗冻性能指标变化如图6所示。

图6 不同冻结温度下抗冻性指标Fig.6 Frost resistance indicators at different freezing temperatures

结果表明，当最低冻结温度为-5 ℃时，试件的质量损失率为-0.1%；当最低冻结温度为-20 ℃时，试件的质量损失率为 0.8%；通过试验数据可知，试件的质量损失随最低冻结温度的降低而增加。这是由于温度降低，混凝土内部孔隙结冰时间变长，孔隙内部水分结冰膨胀力变大，加剧了试件的剥落。在-5 ℃环境下，试件质量不降反增，这是由于25%乙二醇溶液的冰点较高，在-5 ℃时冻融介质并未结冰，不产生冻胀效应，试件吸水导致质量增加。温度越低，相对动弹模量下降也越明显。因此，最低冻结温度越低，抗冻性越差。

此外，试验分析了不同降温速率对透水混凝土抗冻性能的影响及经过50次冻融循环后的透水混凝土试件抗冻性指标的变化规律。试验结果表明：透水混凝土的冻融破坏与降温速率有关，试件的冻融破坏随降温速率的变快而加快，此时试件的抗冻性能也越差。造成此现象的原因是由于降温速率过快，透水混凝土材料内部孔隙中水分结冰从而导致在短时间内冻胀应力急剧上升，此时孔隙外部的应力增大，导致骨料间的嵌挤力与黏聚力降低，使骨料更易剥落。

3 不同孔隙类型的冻胀效应模拟分析

根据弹塑性力学，基于二维随机生成与投放的混凝土骨料建模思路[15-16]，通过ABAQUS建模软件进行了二维细观混凝土骨料随机模型下的透水混凝土在不同孔隙类型下孔隙水结冰膨胀产生的应力应变模拟分析。

3.1 不同形状的闭口孔隙冻胀模拟

透水混凝土内部孔隙类型复杂，既有水泥浆中的微小孔隙，也有由于骨料嵌挤作用形成的大孔[17]。首先，通过对孔隙部件施加与25%乙二醇溶液膨胀系数等效的膨胀作用力，模拟了圆形闭口孔隙的冻胀应力应变关系，如图7、图8所示。

图7 圆形孔隙结冰膨胀后的应力分布Fig.7 Stress distribution of frozen circular pore after expansion

图8 圆形孔隙结冰膨胀后塑性应变损伤Fig.8 Plastic strain damage of frozen circular pore after expansion

仿真结果表明，在混凝土上表层，拉应力在孔隙正上方处达到峰值1.67 MPa，且逐渐向两侧减弱，呈对称分布。孔隙水受冻产生的塑性应变向四周发散，形成损伤带，在孔隙正上方位置处达到最大，达到 0.475 mm。因此，孔隙的正上方面层位置处最容易出现表面剥落。

此外，建立骨料嵌挤产生的多边形闭口孔隙模型，模拟其冻胀应力分布，如图9、图10所示。

图9 三角形孔隙应力场Fig.9 Stress field of triangle pore

图10 四边形孔隙应力场Fig.10 Stress field of quadrilateral pore

模拟结果表明，在遭受冻胀作用时，当孔隙为多边形时，其最大冻胀应力多集中在多边形的顶角位置，如图9、图10所示。三角形孔隙及四边形孔隙在顶角位置处的最大冻胀应力分别为0.57 MPa及0.65 MPa。造成此现象的原因是由于当孔隙内水分受冻后结冰发生膨胀，并处于几何孔隙的顶角处，因此易造成冻胀应力集中。此外当孔隙为多边形时，其所受冻胀应力与多边形的边数存在联系。

另外，在试验的基础上模拟了椭圆形闭口孔隙相互耦合作用下的冻胀效应，主要模拟了单排多孔与多排多孔的透水混凝土材料内部损伤情况，如图11、图12所示。模拟结果表明，当透水混凝土内部孔隙间发生冻胀损伤时，其损伤的演化主要为损伤带的扩展，孔隙损伤带会往邻近孔隙方向进行延伸呈“贯穿”状态。当损伤带贯穿后，会出现骨料被损伤带包围的情况，造成骨料的剥落或断裂，此时透水混凝土材料内部受冻胀影响的范围提升，从而导致透水混凝土的透水功能减退或失效。

图11 单排双椭圆孔损伤Fig.11 Damage of single-row double oval pores

图12 双排双椭圆孔损伤Fig.12 Damage of double-row double oval pores

3.2 表面开口孔隙冻胀模拟

由于独特的内部构造，透水混凝土表层粗糙，含有大量的表面开口孔隙。与连通孔不同，这类开口孔隙只能使水分渗入而无法使水分排出，渗入的水分积聚在表面开口孔隙内部结冰膨胀，从而会造成透水混凝土抗冻性的降低[18]。本研究模拟了上表层相邻半圆形开口孔隙应力分布情况，模拟结果和试验结果如图13所示。

图13 表面双开口孔隙应力分布Fig.13 Stress distribution of pores with double openings on surface

结果表明，应力峰值主要集中在开口孔隙的几何边角处，此处的骨料容易产生冻胀开裂；相邻孔隙之间的骨料处应力平均值最大，此处的混凝土骨料易剥落，为危险区域。

4 结论

(1)在经过100次冻融循环后，乙二醇浓度为25%的透水混凝土试件相比于乙二醇浓度为3.5%的透水混凝土试件的质量损失率减小了275.0%，相对动弹性模量提高了10.6%。透水混凝土材料的抗冻性随最低冻结温度的降低及冻融速率的加快而变差；相同环境下，透水混凝土材料的抗冻性随非联通孔隙的增多而变差。因此，机场管理部门可采用高浓度除冰液以降低道面的冻融损伤；在透水混凝土配合比设计时，应尽可能降低非连通孔的比例，以保证抗冻性。

(2)通过对不同孔隙类型的冻胀模拟分析，上表层处的闭口孔隙中，圆形孔冻胀应力峰值位于正上方表层处，多边形孔隙峰值集中在几何边角处；相邻闭口孔隙间会产生应力损伤带，损伤带“贯通”后的区域容易产生开裂或剥落。