温和地区实际服役水工混凝土的抗冻性检验标准研究

2022-06-14高蓓蓓孔维国陈峰宁逢伟白银

低温建筑技术 2022年4期

高蓓蓓，孔维国，陈峰，宁逢伟，白银

（1.扬州市水利工程质量安全监督站，江苏扬州 225200；2.扬州市水利发展中心，江苏扬州 225200；3.水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京水利科学研究院，南京 210029）

0 引言

上世纪60年代，我国交通部组织一大批专家对全国在役水工混凝土进行病害调查，结合实地走访和试验分析，最终得出关于水工混凝土耐久性不利诱因方面的一个重要论断-“南锈北冻”。北方地区气候寒冷，南方地区气候相对温和，极寒天气比较少见，冻害威胁也相对较轻。我国GB/T 50662-2011《水工建筑物抗冰冻设计规范》针对这种气候差异，将“最冷月平均气温高于-3℃的区域”划分为温和区。温和地区水工混凝土设计抗冻等级较低，一般仅为F50或F100。久而久之，温和地区混凝土的抗冻性研究逐渐被忽视，特别是在已建工程混凝土的抗冻性检验方面，技术仍不成熟。

目前，已建工程混凝土的抗冻性检验仍以取芯制备标准抗冻试件进行，试验结果直观，检验结论说服力强，但取样工作量大，还容易造成较大的结构损伤，往往给后续结构修复增大难度。相比之下，硬化气孔参数测试对混凝土结构的破坏程度相对较轻，具有一定的替代可能性。然而，我国现行混凝土耐久性相关技术规范对混凝土硬化气孔参数所提要求较少，只建议气泡间距系数作为硬化混凝土的抗冻性检验指标，如DL/T 5241-2010《水工混凝土耐久性技术规范》要求气泡间距系数不超过300μm。但是，该标准并没有对温和地区和寒冷地区作出区分，所有抗冻等级混凝土都采用统一的控制标准，对于温和地区的混凝土抗冻性检验而言，过于苛刻，在实际工程检验过程中也缺乏可操作性。事实上，除了气泡间距系数之外，是否有其它硬化气孔参数适用于检验和评价混凝土抗冻性，能否提出更细化的抗冻性检验标准，如何体现温和地区混凝土抗冻设计的特殊性均是需要解决的重要技术问题。当前硬化混凝土气孔参数研究，仍是停留在入模含气量与硬化孔径分布、气泡间距系数之间的关系，以及硅灰、粉煤灰、矿粉对微细结构的改善作用等方面，尚未见硬化气孔参数控制标准方面的相关报道［1-4］。

针对上述问题，选取泵站、闸坝工程最常用的混凝土强度等级C25、C30和C35作为主要研究对象，通过调整引气剂掺量有梯度地设计多种混凝土硬化含气量，开展冻融循环试验和回归分析，建立抗冻性和硬化含气量之间的定量关联，以期提出已建工程混凝土的抗冻性检验标准。

1 原材料

水泥品种为P·O42.5，实测28d胶砂强度47.0MPa。粉煤灰为F类II级。细骨料为河砂，细度模数2.8，级配为II区。粗骨料由5～16mm和16～31.5mm的2种碎石组成，混合质量比例为3:7。减水剂为高性能减水剂，实测减水率为26%（掺量1.0%）。引气剂的引气量为6.3%（掺量0.01%）。消泡剂为白色液体。抗裂防水剂为一种粉体外加剂，兼具微细填充、补偿收缩和纤维阻裂等功能特性。

2 混凝土硬化气孔参数测试方法

采用丹麦进口的RapidAir457硬化混凝土气孔参数测试仪开展试验观测见图1，根据光的吸收和反射原理，并结合图像自动处理软件，量化统计混凝土内部气孔和基体的体积比例。为准确获得硬化混凝土内部的气孔特性，样品经历了比较复杂的处理工序，如切割、磨平、抛光（400～2000目砂纸）、超声波清洗、对比填充和着色等。此外，为提高硬化气孔参数与抗冻试验之间关联结果的可靠性，无论是室内试验还是工程现场实体取芯，样品均由100mm×100mm×400mm试件中切割而来见图2。根据气孔统计结果，典型测试结果如图3所示，可计算混凝土的硬化含气量。

图1 RapidAir457硬化混凝土气孔参数测试仪

图2 硬化气孔参数测试的取样部位

图3 典型硬化气孔分布曲线

3 结果讨论分析

3.1 C25～C35混凝土的硬化含气量和相对动弹模量测试结果

为研究混凝土的硬化气孔参数，共制备了7组C25 混凝土（06C25、11C25、17C25、23C25、32C25、39C25和 45C25）、6组 C30混凝土（11C30、22C30、29C30、41C30、53C30和 57C30）和 5组 C35混凝土（12C35、21C35、31C35、40C35和52C35）。配合比见表1，其中引气剂和消泡剂的浓度均为1%。

表1 C25～C35混凝土的配合比 kg/m3

所有混凝土的硬化含气量及相对动弹模量如表2所示。以C25混凝土为例进行抗冻性分析发现，25次冻融循环试验后，相对动弹模量为61%～98%，均大于60%，说明所有混凝土的抗冻等级均能满足F25抗冻等级的相关要求。相对动弹模量随硬化含气量的增加而变大。即同强度等级条件下，提高硬化含气量可改善混凝土的抗冻性能。可见，当C25混凝土的硬化含气量在0.5%以上时，即可满足F25的抗冻等级需求。

表2 C25～C35混凝土的硬化含气量和相对动弹模量

50次冻融循环试验后，个别混凝土的相对动弹模量已不足60%，如0.6%和1.1%硬化含气量下混凝土的相对动弹模量分别为30%和46%，表明C25混凝土的硬化含气量在1.1%及其以下时，不能满足F50抗冻等级的相关需求。当硬化含气量提升至1.7%～4.5%之间时，相对动弹模量为69%～98%，仍超过了60%。可见，对于C25混凝土而言，满足F50抗冻等级需求的硬化含气量应在1.1%～1.7%之间。

75次冻融循环试验后，1.7%～4.5%硬化含气量范围内，混凝土的相对动弹模量为54%～97%。除1.7%含气量下混凝土的相对动弹模量不足60%外（54%），其余混凝土的相对动弹模量均超过60%（含气量2.3%～4.5%），说明满足F75抗冻等级C25混凝土的硬化含气量在1.7%～2.3%之间。100次冻融循环试验后，2.3%～4.5%硬化含气量范围内，混凝土的相对动弹模量为53%～97%。2.3%和3.2%硬化含气量条件下混凝土的相对动弹模量分别为53%和68%，说明满足F100抗冻等级的C25混凝土的硬化含气量在2.3%～3.2%之间。

同理C30混凝土F25、F50、F75、F100抗冻等级的硬化含气量分别为1.1%以上、1.1%～2.2%之间、1.1%～2.2%之间和2.2%～2.9%之间。C35混凝土情况相对特殊，1.2%硬化含气量条件下，抗冻等级能够达到F75以上，而在100次冻融循环后，相对动弹模量降至37%，不足60%。但硬化含气量提升至2.1%时，相对动弹模量超过了60%，为62%，说明F100抗冻等级的硬化含气量应在1.2%～2.1%之间。

3.2 混凝土硬化含气量与相对动弹模量的关联性

若要建立温和地区低抗冻等级混凝土硬化含气量的检验标准，必先弄清满足特定抗冻等级要求的临界硬化含气量，如何建立硬化含气量与混凝土冻融损伤进程的定量关联当属重中之重。传统抗冻性检验只是对具体混凝土配合比或结构混凝土开展抗冻等级试验，进而得出满足或不满足要求等结论，而缺少特定冻融循环次数后硬化含气量差异导致损伤进程变化的相关描述。混凝土抗冻试验通常会测得相对动弹模量和质量损失两个技术指标，受混凝土冻融破坏特点的影响，相对动弹模量比质量损失更能定量表达混凝土的受冻损伤历程。如刘崇熙、刘志勇等［5，6］均发现相对动弹模量能够定量反应不同冻融循环次数时混凝土的损伤程度，并分别采用指数函数模型和幂函数模型表征相对动弹模量与冻融循环次数之间的定量关联。刘良林等［7］研究了相对动弹模量与入模含气量之间的定量关联，并提出了能够反应二者关系的二阶多项式模型。可是，尚未见混凝土硬化含气量与相对动弹模量之间定量关联的相关报道，它是建立临界硬化含气量的重要依据，尚需深入探索分析。

由表2可知，25～100次冻融循环后，C25～C35混凝土的相对动弹模量普遍随硬化含气量增加而增加，在较低硬化含气量水平时（≤2.0%），相对动弹模量增加幅度较大，进一步提升硬化含气量，相对动弹模量增幅放缓。考虑到相对动弹模量随硬化含气量的变化趋势与对数函数曲线比较相似，特采用对数函数拟合了相对动弹模量与硬化含气量之间的相关性。C25混凝土的对数函数拟合结果如图4所示。25次循环、50次循环、75次循环和100次循环后相对动弹模量与硬化含气量均呈对数函数关系。相关系数平方R2为0.8997～0.9805，相关性较好。与C25混凝土相似，C30混凝土和C35混凝土的相对动弹模量也与硬化含气量呈较好的对数函数关系，拟合结果汇总如表3所示。C30混凝土拟合相关系数的平方R2为0.9060～0.9750，C35混凝土拟合相关系数的平方R2为0.8885～0.9739，相关性总体较好。

图4 C25混凝土相对动弹模量与硬化含气量的对数函数拟合结果

表3 相对动弹模量与硬化含气量的相关性分析

3.3 F50和F100抗冻等级条件下C25～C35混凝土硬化含气量的检验标准研究

为推进应用硬化气孔参数检验已建工程混凝土的抗冻性，对硬化含气量的检验标准进行了深入研究。按照DL/T 5150-2017《水工混凝土试验规程》规定，特定冻融循环次数后，当混凝土的相对动弹模量降至60%及其以下时，视为混凝土已受冻破坏。据此可将60%的相对动弹模量作为混凝土受冻破坏的临界状态，考虑到硬化含气量变化对混凝土抗冻性能的影响应是一个渐进的过程，60%相对动弹模量对应的硬化含气量就是混凝土是否受冻破坏的临界硬化含气量。根据此临界值确定标准并结合上述C25～C35混凝土的对数函数表达式，计算了F25～F100抗冻等级条件下混凝土的临界硬化含气量。临界硬化含气量的计算结果汇总如表4所示，可见，C25混凝土的临界硬化含气量为0.5%～2.4%，C30混凝土的临界硬化含气量为0%～2.4%，C35混凝土的临界硬化含气量为0%～2.0%。对数函数拟合表达式是一种缺少物理意义的数学关系式，临界硬化含气量只能是实测区间内的插值，而不能是外延值。具体而言，当C25、C30、C35混凝土的临界硬化含气量分别低于0.6%、1.1%和1.2%时，均属无效结果。

表4 C25～C35混凝土的临界硬化含气量 %

鉴于温和地区混凝土的设计抗冻等级一般为F50和F100，接下来只针对这2个抗冻等级进行讨论。对于F50抗冻等级而言，C25、C30、C35混凝土的计算临界硬化含气量分别为1.4%、1.1%、0.5%，1.4%在C25混凝土实测硬化含气量0.6%～4.5%之间，1.1%在C30混凝土实测硬化含气量1.1%～5.7%之间，可作为临界硬化含气量。而0.5%小于C35混凝土实测硬化含气量区间的下限1.2%，为无效结果。考虑强度等级由C30提高至C35后，相同硬化含气量条件下混凝土的抗冻性略有提高，硬化含气量的控制标准可适当降低，即≤1.1%。因此，确定F50抗冻等级条件下C25、C30和C35混凝土的硬化含气量控制标准，分别不低于1.4%、1.1%和1.1%。同理F100抗冻等级条件下C25、C30、C35混凝土的计算临界硬化含气量分别为2.4%、2.4%、2.0%，均在各自实测硬化含气量的区间范围内，符合插值法选定临界限值的基本准则，同时可作为抗冻性检验控制标准。

3.4 F50和F100混凝土硬化含气量工程验证

验证已建工程硬化混凝土含气量检验标准的有效性，特在扬州市某泵站工程现场开展试验。整个试验全面按照实际施工流程进行，通过控制入模含气量见图5，制备了6个尺寸约为600mm×600mm×1500mm见图6、硬化含气量梯度设计的混凝土浇筑块。再在浇筑块上取芯切割成100mm×100mm×400mm标准尺寸，同时制作100mm×100mm硬化气孔参数的观测试块，切割部位和方法与室内试验时相同。

图5 入模含气量测试

图6 工程现场制备的浇筑块

通过现场制备试件，测得的硬化含气量和抗冻等级如表5所示，对于C25、C30、C35这3种强度等级混凝土，硬化含气量均满足上述检验标准，并略高于临界值，经对现场取得芯样进行抗冻等级测试，所有试件均能满足相应抗冻等级的相关要求。表明所提出的硬化含气量检验标准比较适合F50和F100抗冻等级，具有较强的实用性，可在温和地区类似水工混凝土工程中推广应用。