抗冻剂对T梁混凝土抗冻性能的影响测试研究

陈志强 黄灵色

摘要 文章以某高原地区桥梁项目为工程背景，以实验室模拟测试的方法，围绕养护方法、抗冻剂类型、抗冻剂含量对C50T梁混凝土的抗冻性能影响进行了测试研究。结果表明，掺JB-1型抗冻剂的混凝土其抗冻性能优于掺HD型抗冻剂的混凝土，因此在同类条件地区进行混凝土T梁建设时，建议使用含量为1.50%的JB-1型抗冻剂。

关键词 T梁混凝土；抗冻剂；标准养护；负温养护；抗冻性能；测试研究

中图分类号 TU528文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）09-0108-03

0 引言

混凝土抗冻性能是指在经过多次反复融冻循环后，仍能维持其原有性能的能力。在高原地區，混凝土结构多处在恶劣的负温环境中，融冻循环频繁，致使混凝土结构面临十分严重的环境考验。为了增强T梁混凝土的抗冻性能，可以通过添加抗冻剂来提高混凝土的持久性。这对于海拔平均高度在3 000 m以上、环境作用级别为D、昼夜温差比较大的Ⅱ类环境地区尤其重要。该研究以实验室模拟测试的方法，围绕抗冻剂对T梁C50混凝土的抗冻性能的影响开展测试研究，以期为负温环境下的T梁混凝土抗冻工程应用提供技术参考。

1 试件养护方法

测试环境条件为海拔3 000 m以上，环境作用级别为D的Ⅱ类环境地区，为此设计了3套试件养护制度。

（1）标准养护。脱模后，将试件置于温度为20±2 ℃，湿度不低于95%的养护室内密封养护。

（2）变负温养护。用保鲜膜将新拌和混凝土密封好，在室温为20±2 ℃、湿度不低于95%的恒温室中预养4 h，然后放入冷冻箱中，然后在?20±2 ℃冷冻箱中养护12 h，再放入20±2 ℃正温环境下养护12 h，变负温养护7 d后，再转移到标准养护室养护。

（3）恒负温养护。新拌和混凝土用保鲜膜密封，在室温为20±2 ℃、湿度不低于95%的恒温室中预养4 h，然后放入?20±2 ℃冷冻箱中进行负温养护7 d，再转移到标准养护室养护。养护温度为?20 ℃，试件预养护和解冻时间4 h。

2 抗冻性测试方法

该测试使用的抗冻剂是JB-1型和HD型抗冻剂，都是硝酸盐类抗冻剂。测试中，JZ为高效减水剂配制的混凝土，A1、A2、A3分别为JB-1抗冻剂含量为1.00%、1.50%、2.00%的混凝土，B1、B2、B3分别为A1、A2、A3的基于高效减水剂的HD型抗冻复配。

在混凝土融冻循环中，当外部温度大于内部温度时，内部的冻结部分会被融化，更多水分参与融冻循环，使混凝土状态受到破坏。主要分为2个阶段：

（1）冻结阶段，试件箱内溶液冻结，借以模拟高原低温环境下的结冰现象。

（2）融化阶段，试件箱中的溶液融化，试件浸泡在溶液中，借以模拟环境温度开始上升，冰冻进入融化阶段。

这2个阶段构成1个循环过程，一般在2～4 h内完成。经过数次循环后，可以达到所模拟的负温融冻循环功效，经过融冻循环次数后，仍满足要求的就是混凝土的抗冻级别[1]。

测试在混凝土快速融冻测试机上进行。每类配比成型试件12组，每组配备3个试件。试件规格为10 cm×

10 cm×40 cm，取每组试件的测试均值作为抗冻指标，每经50次融冻后观察损伤，称量试件质量，检测试件的动态弹塑模量。当试件的相对动弹塑模量降低到60%，或者质量损失率达5%时，停止测试。动态弹塑模量按公式（1）进行计算：

Ed=13.244×10?4×WL3f 2/a4 （1）

式中，Ed——试件动弹塑模量（MPa）；W——试件质量（kg）；L——试件长度（mm）；a——试件正方形截面的边长（mm）；f——试件的横向振动基频（Hz）。

相对动弹塑模量是指每次融冻循环后，试件的动弹塑模量与测试前同批试件的动弹塑模量之比，按公式（2）进行计算：

式中，Ed0——初始动弹塑模量（MPa）；Edn——第n次循环的动弹塑模量（MPa）；Ei——第i次循环的相对动弹塑模量。

质量损失率计算公式：

式中，Woi——试件第i次循环的初始质量（g）；Wni——第i个试件第n次循环后的质量（g）；ΔWnt——第i个试件第n次循环后的质量损失率（%）。

3 养护方法对T梁混凝土的抗冻性能影响

3.1 对质量损失的影响

测试获得的C50T梁混凝土质量损失结果显示：在标准养护条件下，抗冻剂含量为1.00%时，随着养护温度的降低，混凝土质量损失对应增加，与变负温条件下的质量损失率相比，A1组和B1组试件该值相差约0.30%；与JZ组相比，两种抗冻混凝土的质量损失均比较小；在变负温养护下，JZ组的质量损失比较大，达到2.81%。早期变负温条件对混凝土功效发展影响较大，显示养护条件对混凝土抗冻性能存在明显影响。

当抗冻剂含量为1.50%时，两组防冻混凝土在变负温养护和标准养护下的质量损失比较小，都小于1.00%，抗冻组分和早强组分改善了混凝土的内部结构，一定程度降低了其液相水的冰点，从而形成良好的抗冻性能。与抗冻混凝土相比，JZ组的混凝土质量损失率降低了0.50%～1.00%。

当抗冻剂含量为2.00%时，在标准养护下，A组和B组抗冻试件的混凝土质量损失相对较小，其中的早强组分加速了水化产物的形成，改善了混凝土内部的微观结构搭接，使混凝土结构变得更加紧密，从而形成良好的抗冻性能。

3.2 对相对动弹塑模量的影响

通过分析抗冻剂含量对相对动弹塑模量影响可知：当抗冻剂含量为1.00%、1.50%、2.00%时，不同养护制度下T梁混凝土抗冻性能显著不同。加入少量抗冻剂以后，水化反应加快，生成了大量水化产物，使得混凝土的内部孔隙发生变化。液相水的冰点降低，可缓解结冰带来的膨胀压力，增强了抗冻性。在变负温养护下，当抗冻剂含量高于2.00%时，混凝土抗冻性跟抗冻剂含量间呈负相关关系[2]。

4 抗冻剂类型的影响

4.1 对质量损失的影响

测试结果显示，同种抗冻剂下，随着抗冻剂含量的增加，混凝土的质量损失对应降低。标准养护下，质量损失率A组与B组相差1.00%，抗冻功效良好。早强组分产生的水化产物有效填充了结构孔隙，混凝土内部含气量低，增强了混凝土的密实度。在变负温养护条件下，A组试件的混凝土质量损失率比较小，分别降低了2.06%、1.91%和2.21%。B组试件在标准养护条件下，其质量损失率比较小，损失率随剂量的增加而增加。变负温条件下，抗冻剂含量1.50%时，混凝土的质量损失比较小。

4.2 对相对动弹塑模量的影响

测试结果表明，随着融冻循环的增加，两种混凝土的相对动弹塑模量呈现对应降低状态。标准养护条件下，A组试件的相对动弹塑模量降低17.50%～20.00%，B组试件降低20.00%～26.00%；变负温养护条件下，A组比初始的相对动弹塑模量降低23.00%～25.00%，B组降低22.00%～25.00%。弹塑模量受抗冻剂含量的影响十分明显。标准养护条件下，随着抗冻剂含量的增加，相对动弹塑模量越大，抗冻性相对越好。同等养护条件下，A组试件要低于B组试件的相对动弹塑模量降低速率，表明融冻对其产生了较大的破坏。变负温养护条件下，两种混凝土均大幅降低了相对动弹塑模量。防冻组分能使混凝土在负温下继续水化，但是低温会导致水化变得不完全，从而影响了混凝土的相对动弹塑模量状态[3]。

5 抗冻剂含量对混凝土抗冻性能的影响

5.1 对质量损失的影响

C50T梁混凝土28 d养护后开展抗冻性能测试。抗冻剂含量为1.00%、1.50%、2.00%的混凝土融冻循环以后，其质量损失率检测结果见图1。

图1（a）曲线显示，标准养护条件下，经过300次冻融循环后，混凝土的质量损失随着循环次数的增加而增加，各组混凝土的质量损失率总体呈上升趋势。JZ组试件的表面砂浆脱落，质量损失最大。JB-1抗冻剂含量为2%的试件其质量损失率最小，降低1.80%。JZ组试件经过300次融冻后，质量损失率比初始状态下降2.30%；添加抗冻剂以后，质量损失率显著降低。A3组的质量损失率比JZ组低0.60%，HD抗冻剂含量2.00%的试件的质量损失率比JZ组低0.50%。随着抗冻剂含量的增加，质量损失率相应降低；JZ组试件的抗冻性最差，A3组试件的抗冻性最好。抗冻剂改善混凝土内部的孔隙结构，提高薄弱界面区的功效，可以明显增强混凝土的冻融耐受性。

图1（b）曲线显示，在变负温条件下经过300次循环以后，A组和B组试件的质量损失率均低于JZ组，表明抗冻剂增强了混凝土的密度，使胶凝体系不易被融冻侵蚀。抗冻剂含量为1.50%时，抗冻功效较好，其冻融300次以后的质量损失率降低1.91%，B1组试件次之，JZ组试件的质量损失率最大。A2组比JZ组的质量损失率降低0.90%，与相同循环次数下标准养护的试件相比，质量损失率增加了0.10%。B2组比JZ组的质量损失率降低0.80%，比标准养护试件提高0.10%。随着融冻循环次数的增加，与水接触的混凝土表面会逐步形成含冰层。当融冻带来的冻胀力超过其极限抗拉能力时，含冰层就会脱落。

5.2 对动弹塑模量的影响

抗冻剂含量对混凝土动弹塑模量的结果如图2所示。

由图2（a）曲线显示，在标准养护下经过300次融冻循环后，每组试件随着融冻循环次数的增加，其相对动弹塑模量降低，但相对动弹塑模量都不小于75%。其中JZ组的相对动态模量最低，比初始状态下降27.70%，A3组的相对动弹塑模量最高，比初始下降17.4%，比JZ组增长10.20%。B3组的相对动弹塑模量比JZ组增长了8.60%，相对于初始状态下降了19.20%。由上述测试结果显示，混凝土的相对动弹塑模量随着抗冻剂含量的增加而增加；当抗冻剂含量不足时，混凝土密度会降低，内部结构会增加更多的间隙；抗冻剂的引气成分催生更加细小、均匀、封闭的气泡，用来吸收冰晶发展过程中所产生的冻胀力，减少冻胀引起的混凝土原有裂隙的扩展，以增强抗冻性。

由图2（b）曲线显示，变负温养护条件下，经过300次融冻循环后，试件混凝土的动弹塑模量明显受到抗冻剂比例的影响，其中JZ组的相对动弹塑模量变化最大，比初始情况下降29.70%，比标准养护下的试件降低了2.00%。内部界面的过渡区容易发生渗透压，会在一定程度上增加砂浆的饱和度，使得混凝土呈现出抗冻性低的特点。抗冻剂含量为1.50%的A2组和B2组试件的相对动弹塑模量变化不大，主要是由于抗冻剂防冻组分降低了混凝土内部的液相水的冰点，防止了溶液冻结。早强组分跟水化产物Ca（OH）2发生化学反应，其产物能够起到细化粒径和孔径的作用，弥补骨料界面与水泥浆体过渡区的微裂纹。当抗冻剂含量为1.50%时，相对动弹塑模量越大，则抗冻性越好，但当含量超出1.50%时，相对动弹塑模量会降低，抗冻剂过量会削弱混凝土结构之间的黏结力，从而在整体上削弱了试件抵抗冻胀能力[4]。

6 结语

T梁混凝土的抗冻性能测试结果显示，在标准养护条件下，融冻循环次数增加，试件JZ组的混凝土质量损失率為2.32%。相比之下，A3组试件的质量损失率较低，且相对动弹塑模量更高。相同含量的A组试件的质量损失更低，相对动弹塑模量大于B组，由此可见，抗冻剂含量不同对混凝土抗冻性能影响明显。负温养护条件下，300次融冻循环后，防冻混凝土的动弹塑模量损失率和质量损失率均大于标准养护下的试件。掺JB-1型抗冻剂的混凝土，其抗冻性能优于掺HD型抗冻剂的混凝土，且抗冻剂含量为1.50%时，试件混凝土的抗冻性能表现最好，因此在同类条件地区进行混凝土T梁建设时，建议使用含量为1.50%的JB-1型抗冻剂。

参考文献

[1]尹建. 养护制度对负温混凝土温度场及微观性能的影响[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2017.

[2]王梦雪. 低掺量防冻剂作用机理及其对混凝土性能的影响[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2019.

[3]熊羽. 高原低温环境下桥梁高性能混凝土的制备及性能研究[D]. 南京：东南大学， 2017.

[4]张豪杰. 掺复合防冻剂普通混凝土冬季施工质量检测与试验研究[D]. 兰州：兰州理工大学， 2012.