冻融循环作用下水工混凝土耐久性和力学性能试验研究方法探讨

高国威 张成银

（盐城市水利勘测设计院 盐城 224002 安徽省·水利部淮委水利科学研究院 蚌埠 233000）

1 概述

我国地域辽阔，有相当大的部分处于严寒地带，致使不少水工建筑物发生了冻融破坏现象。根据全国水工建筑物耐久性调查资料，在32座大型混凝土坝工程、40余座中小型工程中，22%的大坝和21%的中小型水工建筑物存在冻融破坏问题，大坝混凝土的冻融破坏主要集中在东北、华北、西北地区。尤其在东北严寒地区，兴建的水工混凝土建筑物，几乎所有工程局部或大面积地遭受不同程度的冻融破坏。除三北地区普遍发现混凝土的冻融破坏现象外，地处较为温和的华东地区的混凝土建筑物也发现有冻融现象。因此，冻融循环作用下混凝土建筑物的设计寿命，是目前国内外研究的重要课题。

混凝土的耐久性及力学性能，是进行水工混凝土建筑物寿命设计的重要依据。而在冻融循环条件下，混凝土的耐久性和力学性能，会随着冻融循环次数的增加而逐渐降低。现有的有关冻融循环后混凝土性能的试验资料，大多是以质量损失和动弹性模量为标准，针对混凝土抗冻安全等级展开的。

由弹性模量的物理意义可知，动弹性模量反映的是材料的弹性性能，相当于静力加载时材料的初始切线模量，它不能反映材料的塑性性能，它的损失也只能代表材料弹性性能的损失。因此，对于普通混凝土，仅以相对动弹性模量降至60%和质量损失率达到5%作为冻融破坏的评价指标不一定合适，故而需要进行冻融循环作用下，混凝土耐久性指标及力学性能指标的测试。而动弹性模量作为一种非破损试验方法，它的测量具有可重复性，测量方法简单。因此，在冻融循环作用下，能否建立动弹性模量损失与耐久性指标和力学性能指标损失的相关性，是目前研究冻融循环作用下的混凝土基本性能的关键，对冻融循环作用下的混凝土结构的设计、施工及寿命预测，具有重要的指导作用。

2 水工混凝土冻融循环破坏机理

水工混凝土遭受冻融侵蚀是一个较为复杂的物理劣化过程，包含渗透扩散、冻融循环、开裂破坏等次生过程。而冻融过程中孔隙水的反复结冰是导致混凝土劣化的根本原因。从20世纪40年代以后，国内外均对混凝土的冻融破坏机理展开了大量研究，也提出了众多冻融破坏理论，其中冰胀压和渗透压理论最具代表性。但这些理论大部分是从纯物理的模型出发的，经假设推理得出的，有些是以水泥净浆和砂浆试件通过部分试验得出的。因此，迄今为止，对混凝土的冻融破坏机理，国内外尚未得到统一的认识和结论，也给冻融循环作用下，混凝土的耐久性指标及力学性能指标的理论和试验研究来了一定的难度。

3 研究历史与现状

混凝土作为最普遍的建筑材料之一，在工程应用中已有100多年的历史。长期以来，人们认为混凝土结构持久耐用。然而事实并非如此，混凝土结构建成后，在周围环境因素的侵蚀下，随其使用时间的延长，结构内部将发生一系列物理、化学变化，其各种物理性能逐渐降低，对整个结构适用性和安全性造成影响。而冻融循环是严寒地区水工混凝土损伤破坏的重要因素之一。

因此，工程界对混凝土抗冻性非常关心。冻融循环作用下，混凝土的耐久性和力学性能的变化，引起国内外众多学者的兴趣，不仅因为它是影响混凝土结构寿命与性能的一个非常重要的因素，同时也因为混凝土的冻害发生的范围极其广泛。

在以往的对冻融循环作用下混凝土抗拉、抗压强度的下降规律的研究认为抗拉、抗压强度的损失率与动弹性模量的损失率相关，可以通过测量动弹性模量来估计混凝土的剩余强度。同时指出，作为一种非破损实验，动弹性模量的测量是实用而有效的。但由于自身的局限性，动弹性模量不能全面反映混凝土的各项性能，尤其不能很好地反映混凝土的抗压性能。目前混凝土抗冻性试验多以动弹性模量作为混凝土破坏程度的指标，似嫌不足。

通过配制四种不同强度等级的普通混凝土，对混凝土试件进行了 0、25、50、75、100、125 次的冻融循环，测定了立方体抗压强度、劈拉强度、动弹性模量及质量损失等数据，并建立了抗压强度和劈拉强度与动弹性模量的关系式，为抗压强度和劈拉强度的确定提供依据。

对C30混凝土进行了冻融循环后混凝土的抗压、抗折、劈拉强度试验，研究结果表明，冻融循环作用对混凝土强度的影响比对相对动弹性模量或重量损失的影响要大，在相对动弹性模量或重量损失满足要求时，混凝土强度不一定满足要求。因此，混凝土的动弹性模量或重量损失作为抗冻性能指标已不再合适。

采用新老混凝土粘结而制作的立方体试件，通过快速冻融试验，研究了冻融循环作用对新老混凝土粘结性能的影响。结果表明，冻融循环作用会明显降低新老混凝土的粘结强度。

采用配制强度为62MPa高强混凝土和38MPa的普通混凝土，进行冻融循环作用下混凝土抗拉强度、劈裂抗拉、抗剪强度以及的研究，试验表明随冻融循环次数的增加，混凝土抗拉强度、劈裂抗拉、抗剪强度和动弹性模量是逐渐降低的。

采用Z形试件剪切试验方法，对混凝土试件在冻融循环作用下的剪切强度进行了试验研究，定性分析了在冻融循环作用下，混凝土的相对剪切强度随冻融循环次数的增加而降低，其降低程度与混凝土自身的强度有关。

采用快速冻融方法，对混凝土试件和根据混凝土配合比制成的砂浆试件，进行了100次、200次、300次的冻融循环，并检测了冻融循环对海水混凝土抗压强度、弹性模量及应力—应变关系的影响；在混凝土细观力学方面，对混凝土试件进行了数值模拟，各组成相的材料性质按照Webull分布来赋值，结果表明，该方法为进一步开展混凝土结构在冻融作用下的劣化机理和计算模型的研究提供了依据。

对4种不同水灰比的混凝土先后进行了冻融循环和加速碳化试验，冻融循环次数选择0、50、150次，试件尺寸为100mm×100mm×100mm。研究结果表明，冻融作为混凝土损伤的动力源，加速碳化进程，循环次数越多，相应的碳化深度越大。

在MgSO4溶液条件下，采用快冻法和常温腐蚀方法研究了高强混凝土的应力腐蚀行为，试件尺寸为40mm×40mm×160mm。研究表明，冻融循环作用显著加速了混凝土的硫酸盐应力腐蚀破坏进程。

通过对四种不同配比混凝土进行冻融循环（0、50、150次）和氯离子侵蚀试验，研究冻融作用对混凝土中氯离子侵蚀的影响。结果表明，冻融循环使混凝土孔隙率增大，它是混凝土损伤的动力源，为氯离子侵蚀创造更为有利的条件；冻融次数越多，氯离子侵蚀越严重。

以上研究表明，对于寒冷地区的水工混凝土，仅以相对动弹性模量降至60%和质量损失率达到5%作为冻融破坏的评价指标不一定合适，需要测试冻融循环作用下混凝土的其他耐久性指标和力学性能指标，并可建立动弹性模量损失与力学性能指标损失的相关性。而动弹性模量损失与耐久性指标的相关性研究，至今还鲜有研究。

现有动弹性模量损失与力学性能指标损失的相关性研究中，均是采用相同的混凝土配比，分别制作动弹性模量测试试件和力学性能指标测试试件进行冻融循环的，而试件尺寸的不同，会影响试件的冻融损伤程度，即动弹性模量测试试件与力学性能指标测试试件的冻融损伤程度不同，故二者相关性的建立也就存在一定的偏差。因此，采用100mm×100mm×400mm混凝土试件，按照“冻融循环—动弹性模量测试—其他耐久性指标和力学性能指标测试”的基本思路开展试验研究，建立动弹性模量损失与力学性能指标损失的相关性，对水工混凝土结构的设计具有重要意义。

4 冻融循环作用下水工混凝土耐久性及力学性试验方法探讨

针对不同配制强度的水工混凝土，应按照“冻融循环—动弹性模量测试—其他耐久性指标和力学性能指标测试”的基本思路展开试验研究。即首先制作100mm×100mm×400mm的混凝土试件，在标准养护室中养护28d后，进行循环次数为 0、25、50、75、100、125、150 次的冻融循环试验，测试混凝土的质量损失与动弹性模量损失，然后再将该试件进行加工，用作混凝土的其他耐久性指标及力学性能指标试验。

研究技术路线如图1所示。

4.1 质量损失和动弹性模量测试

每冻融循环25次，进行质量损失和动弹性模量的测定试验，研究混凝土的质量损失率及动弹性模量损失率随冻融循环次数的变化规律。为进一步研究混凝土耐久性及力学性能指标损失与弹性模量损失的相关性奠定基础。

4.2 耐久性指标试验

动弹性模量测试后对试件进行加工，测试混凝土的耐久性指标（抗碳化性能、抗渗性能、抗硫酸盐侵蚀性能和抗氯离子侵蚀性能），研究混凝土的耐久性指标随冻融循环次数的退化规律。建立在冻融循环作用下，不同配制强度的混凝土耐久性指标的退化模型。

4.3 力学性能指标试验

动弹性模量测试后对试件进行加工，测试混凝土的力学性能指标（立方体抗压强度、单轴抗压强度、抗剪强度、粘结强度和弯曲性能），研究混凝土的力学性能指标随冻融循环次数的退化规律。建立在冻融循环作用下，不同配制强度的混凝土力学性能指标的退化模型。

4.4 耐久性指标及力学性能指标损失与动弹性模量损失的相关性

动弹性模量作为一种非破损试验方法，它的测量具有可重复性，测量方法简单。因此，在冻融循环作用条件下，混凝土的耐久性指标及力学性能指标的损失与动弹性模量损失的相关性研究，可为水工建筑物的设计、维修及其寿命预测等提供试验及理论依据。

基于上述试验研究结果，采用数学分析软件，可进行水工混凝土力学性能指标的损失与动弹性模量损失的相关性研究。而水工混凝土的耐久性指标损失与动弹性模量损失的相关性，有待进一步的理论分析和试验研究。

5 结论

随着冻融循环次数的增加，混凝土的耐久性和力学性能是逐渐退化的；对普通混凝土，仅以相对动弹性模量值降至60%和质量损失率达到5%作为冻融破坏的评价指标不一定合适，需要参考强度指标及其他耐久性指标；提出“冻融循环—动弹性模量测试—其他耐久性指标和力学性能指标测试”的研究思路，是研究水工混凝土动弹性模量损失与混凝土其他耐久性指标和力学性能指标损失相关性的合理途径；动弹性模量损失与力学性能损失的相关性，国内外已进行了初步的研究，而动弹性模量损失与混凝土其他耐久性指标的相关性，还有待进一步的理论分析和试验研究