多年冻土区引气混凝土抗压强度及抗冻性研究

张 凯，王起才，杨子江，王庆石，梁柯鑫

(1. 兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070；2. 道桥工程灾害防治技术国家地方联合工程实验室, 甘肃 兰州 730070；3. 济南铁路局 临沂工务段，山东 济南 250001)

随着我国国民经济的持续快速发展，西北地区基础建设规模逐年增大，西北地区大都处于寒冷地带，埋设在冻土中的混凝土灌注桩，属于隐蔽性结构，混凝土内部结构因为低温的影响使得结构物留下永久难以去除的病害，而且影响火车的运营，因此混凝土耐久性的研究已成为材料工程学科研究的热点问题。混凝土耐久性的一个重要指标是抗冻性[1-2]，因而人们对于混凝土的抗冻性能越来越重视，特别是适用于抗冻性能的引气混凝土中掺入了部分引气剂，混凝土内部结构中产生了大量气泡[3]，使得引气混凝土是一种复杂的多孔材料[4-5]，对此国内外学者进行了部分引气混凝土的研究，Sakaie[6]列出了引气混凝土孔径和气泡间距的参数，得出引气方式对混凝土的性能有显著影响[7-8]；Dai等[9]通过测试冰冻作用下混凝土的伸长量，建立了混凝土孔结构与冰晶压力的关系；杨钱荣[10]论述了在相同强度下引气可改善混凝土的综合耐久性能，并探讨了含气量对混凝土耐久性的作用机理[11-12]；王庆石等[13]测试了混凝土孔结构参数，分析了混凝土结构与混凝土抗冻性能的关系。持续负温下混凝土的耐久性及力学性能的变化规律不同于普通混凝土施工时的养护，国内外对此未见文献报道。

青藏铁路、青藏公路穿越的青南藏北地区是多年冻土最发育的地区，基本上呈连续或大片分布，沿线年平均地温在0 ℃～-4 ℃范围内，且根据年平均地温又将其分为不稳定冻土(大于-0.5 ℃)、亚稳定冻土(-0.5 ℃～-3 ℃)和稳定冻土(小于-3 ℃)，因此选择处于亚稳定冻土与稳定冻土的边界点-3 ℃作为本次试验的养护温度。本文以水胶比0.38的混凝土的抗压强度及抗冻性能为目标，龄期和孔结构特征为变量，对比分析了持续负温(-3 ℃)养护和标准养护下混凝土的力学性能和抗冻耐久性能。

1 试验

1.1 原材料

水泥：42.5级普通硅酸盐水泥；碎石：粒径为5～31.5 mm，压碎指标为7.04%，表观密度为2 790 kg/m3，其各项技术指标见表1；细砂：细度模数为2.15，表观密度2 620 kg/m3, 堆积密度1 515 kg/m3，含泥量1.47%，其各项技术指标见表2；粉煤灰：Ⅰ级粉煤灰，矿粉：Ⅱ级矿粉，性能满足规范要求；外加剂为减水剂和引气剂，减水剂为聚羧酸高性能减水剂母液，引气剂为液体SJ-2型引气剂；水：自来水。

表1 石子颗粒级配

表2 细砂颗粒级配

表3 引气混凝土配合比

1.2 混凝土配合比

表3为混凝土经过多次试拌后的最终配合比，其中JC1为基准混凝土，即不掺引气剂的混凝土，JC2、JC3、JC4、JC5分别为掺量0.15‰、0.3‰、0.45‰、0.6‰的引气剂混凝土。对于新拌混凝土，扩展度大于480 mm，坍落度大于180 mm，流动性好；新拌混凝土没有分层和离析现象，保水性也较好。

1.3 养护方法

在室温(18～22 ℃)、湿度(80%～90%)下，将称好的材料放入搅拌机中搅拌2 min，再将掺有拌合水的外加剂倒入搅拌物中，搅拌2 min后，将混凝土拌合物放入已经涂过油的试模中，将含有混凝土拌合物的试模放在振动台上振捣1 min。含气量采用直读式精密混凝土含气量测定仪测定。

一部分试件放入大气模拟箱内带模养护，大气模拟箱的温度调至(-3±0.2)℃，湿度通过将混凝土套袋的方式保持在95%左右，3 d后脱模，继续箱内养护；另一部分1 d后脱模，养护条件为标准养护。-3 ℃养护混凝土试件见图1，标准养护下混凝土试件见图2。

图1 -3 ℃养护 图2 标准养护

1.4 试验方法及方案

1.4.1 抗压强度测试方法

按GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》[14]进行混凝土立方体抗压强度试验，试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm。按相应养护条件将混凝土试件养护至14、28、56、84、180 d时，进行抗压强度试验。

1.4.2 冻融测试方法

依据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》[15]中抗冻性能试验方法，试件尺寸为400 mm×100 mm×100 mm，将试件养护至规定龄期且浸泡4 d后，开始快速冻融试验，试件循环25次测试件参数，当质量损失率超过5%、相对动弹性模量低于60%或冻融循环达到300次时停止试验，冻融循环过程见图3。

图3 冻融循环

2 混凝土抗压强度试验结果及分析

两种养护条件下混凝土抗压强度试验结果见表4，根据表4分别绘出了两种养护条件下混凝土抗压强度随含气量及龄期的变化曲线，具体见图4、图5。

表4 混凝土在不同含气量下的抗压强度试验结果

注：括号内为新拌混凝土的含气量。

图4 混凝土抗压强度与含气量的关系曲线

图5 JC1、JC4混凝土抗压强度与龄期的关系曲线

(1) 同龄期下，持续-3 ℃养护环境下混凝土抗压强度明显低于标养下混凝土的抗压强度，龄期28 d时，前者为后者的0.72～0.78倍；持续-3 ℃养护环境下龄期84 d时的抗压强度与标养下龄期28 d时的抗压强度相当，存在明显的“龄期滞后”现象，这是由于负温条件下，水分子接近冰点，导致水泥水化速率减慢，水化产物减少，使得混凝土内部结构不能很好的被填充，负温对混凝土的强度增长产生了抑制作用，虽然混凝土内部水泥的水化反应相对较慢，但是在持续进行，可见负温养护下混凝土的抗压强度需要养护更长时间才能达到标养下混凝土的抗压强度。

(2) 图4中持续-3 ℃养护环境下龄期84 d时的抗压强度和含气量的关系曲线与龄期28 d时的关系曲线平行且与标养下28 d时曲线基本重合，这说明龄期滞后的天数与含气量关系不大，仅与养护环境有关。

(3) 同龄期下，两种养护条件混凝土抗压强度与含气量的变化规律相同，随着含气量的增大，混凝土的抗压强度逐渐减小，含气量在1.5%～3.2%之间，混凝土抗压强度降低缓慢，在3.2%～9.6%之间，抗压强度降低较快。

3 混凝土抗冻性能试验结果及分析

由于持续-3 ℃养护环境下龄期84 d时的抗压强度与标养下龄期28 d时混凝土的抗压强度相当，试验时将持续-3 ℃养护环境下龄期84 d时混凝土的抗冻性能与标养下龄期28 d时进行比较。两种养护环境下同抗压强度混凝土相对动弹性模量及质量损失率试验结果见表5。

表5 两种养护方式下混凝土试件相对动弹性模量及质量损失率试验结果

注：1. 括号外为混凝土的相对动弹性模量，括号内为混凝土的质量损失率。2. -3 ℃养护龄期84 d,标养养护龄期28 d。

3.1 质量损失率

根据表5绘出混凝土质量损失率与含气量的关系曲线，见图6。由表5和图6得出：

(1) 随着含气量的增大，混凝土的质量损失率先减小后增大，含气量在1.5%～3.2%之间，相对动弹性模量不低于60%时的质量损失率从1.85%降低到1.64%，含气量在3.2%～9.6%之间，质量损失率从1.64%增加到3.24%，这主要是因为混凝土含气量过高，内部气泡与毛细孔连通，内部结构在冻融循环作用下遭到严重破坏，导致质量损失较大。

(2) 持续-3 ℃养护环境下混凝土的质量损失率与含气量的关系曲线与标养下的关系曲线基本平行，说明两者的变化规律相同，但前者的质量损失率比后者大，这是因为在负温下，混凝土内部结冰量较大，水结冰后体积发生膨胀，内部形成冻胀应力，产生许多微裂缝，已结冰的水会推动未结冰的水沿着这些裂缝迁移，在裂缝中继续结冰，导致裂缝的扩展[16]，在冻融循环作用下，试件更易剥蚀，导致质量损失更大。

(3) 随着冻融循环次数增大，在持续-3 ℃养护环境下混凝土试件质量持续减小，而在标养下，混凝土JC1、JC2、JC3的质量先增大后减小，混凝土JC4、JC5的质量逐渐减小，在标养下，混凝土质量先增大是因为混凝土微裂缝吸水的质量大于混凝土剥蚀的质量，当混凝土微裂缝吸水的质量小于混凝土剥蚀的质量时，混凝土质量较小，而在持续-3 ℃养护环境下微裂缝吸水增加质量小于剥蚀质量，质量持续减小。

图6 两种养护方式下混凝土质量损失率与含气量的关系曲线

3.2 相对冻融耐久性指标

抗冻融耐久性指标是混凝土抗冻性能的综合反映，其计算式为

DF=P·N/300

(1)

式中：P为相对动弹性模量；N为相对动弹性模量达到60%时的循环次数。

根据表5可计算出试件的抗冻融耐久性指标DF，并绘制出混凝土抗冻融耐久性指标DF与含气量的关系曲线，见图7。

图7 两种养护方式下混凝土耐久性指标与含气量的关系曲线

由图7可知：

(1) 两种养护环境下混凝土抗冻融耐久性指标随含气量的变化规律基本一致，随着含气量的增大，混凝土抗冻融耐久性指标先增大后减小，即混凝土的抗冻性先增强后减弱，含气量在1.5%～3.2%之间，混凝土的抗冻融耐久性指标随着含气量的增大而增大，含气量在3.2%～9.6%之间，混凝土的抗冻融耐久性指标随着含气量的增大而减小，这说明含气量对混凝土抗冻性能的影响存在一个合理范围，即含气量在3.2%左右最为合适。

(2) 持续-3 ℃养护环境下混凝土的抗冻融耐久性指标远低于标养下混凝土的抗冻融耐久性指标，JC1、JC2、JC3、JC4的耐久性指标前者为后者的0.27、0.51、0.26、0.33倍，含气量为3.2%时，抗冻融耐久性指标降低幅度最小，其值为0.51，这与前一点确定的含气量最合适的范围一致，同时可以看出前者的抗冻融耐久性指标较后者降低幅度较大，最低达0.26，这说明持续-3 ℃养护环境下混凝土的抗压强度虽然通过延长养护龄期能够最终达到标养下28 d的抗压强度，但相对冻融耐久性指标降低幅度较大，这是西部寒冷地区混凝土结构设计中值得注意的问题。

4 结论

依据青藏铁路多年冻土地区混凝土灌注桩，本文对不同含气量下混凝土在持续-3 ℃养护环境和标养环境下进行抗压强度试验及冻融循环试验，并对试验结果进行了分析，得到如下结论：

(1) 在矿物掺合料比例一定时，持续-3 ℃养护环境下龄期84 d时的抗压强度与标养下龄期28 d时的抗压强度相当，前者存在明显的“龄期滞后”现象，但混凝土抗压强度龄期滞后的天数与含气量关系不大，仅与养护环境有关。

(2) 含气量为3.2%时，混凝土质量损失最少；持续-3 ℃养护环境下混凝土的质量损失与标养下变化规律相同，但前者的质量损失比后者大。

(3) 随着含气量的增大，混凝土的抗冻性能先增强后减弱，含气量为3.2%时，混凝土抗冻融耐久性指标降低幅度最小，抗冻性能最优。

(4) 持续-3 ℃养护环境下混凝土的抗压强度最终能够达到标养下28 d的抗压强度，但抗冻融耐久性指标降低幅度较大，对于寒冷地区，特别是西部多年冻土地区的混凝土灌注桩，其耐久性的这一特点应引起使用者高度重视。