东北地区水工混凝土抗冻性能试验研究

张同军

(清原满族自治县水务事务服务中心，辽宁 抚顺 113300)

当前，水工建筑物出现危险隐患的主要问题之一来自冻融破坏，工程正常安全运行受冻融破坏十分严重[1]。国内对于水工混凝土抗冻性能分析未能考虑应力水平的影响[2-13]，但相关研究成果表明，混凝土的劣化过程和损伤程度受拉应力和弯曲应力影响明显，随着应力的增加，其劣化过程和损伤程度逐步加剧[14]。多重破坏因素耦合是水工混凝土劣化失效的主要原因，水工混凝土耐久性问题很难通过单一影响因子进行研究分析[15]。因此，分析不同应力水平下多因素对水工混凝土的影响十分必要，从而探索出水工混凝土在应力-冻融耦合影响下的破坏机理。为提高东北地区大体积水工混凝土耐久性设计的合理性，对不同应力水平的水工混凝土在冻融循环条件下的抗冻性能进行试验。研究成果可为今后东北地区水工大体积混凝土结构设计提供参考数据。

1 试验设计

在冻融循环与应力耦合作用下，为探究混凝土受不同掺合料的冻融损伤影响，分别设计内掺粉煤灰掺量为30%的基准混凝土、轻烧氧化镁掺量为3%的轻烧氧化镁混凝土、聚丙烯纤维掺量为1kg/cm3的聚丙烯纤维混凝土、聚丙烯纤维和轻烧氧化镁同时掺量分别为1kg/cm3和3%的双掺混凝土进行试验。按照SL 352—2006《水工混凝土试验规程》试验要求，设计尺寸为100mm×100mm×400mm(长×宽×高)的冻融试块。

对试验混凝土按照0，0.2，0.4的压应力比进行抗压试验。冻融循环每25次后，将试件从抗冻机内进行整体取出，对各试件进行相对动弹性模量和质量损失率的检测，按照以下方程：

(1)

Wn=[(G0-Gn)/G0]×100%

(2)

式中，Pn—混凝土试件在冻融循环n次后弹性模量相对值，%；fn—混凝土试件在冻融循环n次后频率，Hz；f0—混凝土试件在未进行冻融循环前的初始频率，Hz；Wn—混凝土试件在冻融循环n次后的质量损失率，%；G0—混凝土试件在冻融循环前的质量初始值，kg；Gn—混凝土试件在冻融循环n次后的质量，kg。

2 试验过程

2.1 无应力作用下混凝土冻融循环

对各类试验水工试验混凝土进行无应力作用下的抗冻性能试验，试验结果如表1所示。

表1 混凝土在无应力荷载条件下不同冻融循环次数时的相对弹性模量值 单位：%

从试验结果可知，在冻融循环前期各类混凝土相对弹性模量递减速率相对较为缓慢，后期其递减速率有所加大，主要原因在于各类混凝土当冻融损失累积到一定程度后其劣化速率大幅增加，从而加大了其相对弹性模量递减的速率。在各类混凝土中，聚丙烯纤维的混凝土在冻融循环次数下质量损失最低，这主要因为该类混凝土掺入聚丙烯纤维，而由于纤维的存在，致使冻融循环过程中已剥落的混凝土与既有混凝土未完全分离，从而降低了冻融循环中聚丙烯纤维的混凝土的质量损失率。

2.2 应力对相对弹性模量的影响

在冻融循环条件下，对各类混凝土受不同应力水平时的相对弹性模量进行试验，不同应力比时的相对弹性模量，试验结果如表2所示。

表2 不同应力水平冻融循环次数时相对弹性模量值 单位：%

从试验结果可看出，在100次冻融循环后，各类混凝土相对弹性模量受冻融循环影响开始逐步加大，混凝土的抗冻性能在应力比0.2时有所提升。混凝土的抗冻性能在应力比0.4时有所下降，混凝土在冻融循环后期，相对动弹性模量随着冻融循环的增加递减趋势明显。混凝土的抗冻性能在应力比0.4时递减速率最为显著。不同应力水平时单掺轻烧氧化镁的混凝土的弹性模量在冻融循环过程中和基准混凝土趋势较为一致，应力比0.2时弹性模量在冻融循环200次时，递减趋势相较无应力比有所减缓，抗冻性能略微增加。在应力比0.4时轻烧氧化镁混凝土抗冻性能递减趋势显著。与基准混凝土相比，纤维混凝土在不同应力比时相对弹性模量递减趋势较缓，应力比在0～0.4之间时混凝土的抗冻性能有所提升，在同一个冻融循环次数下，应力比影响相对较低。在不同应力比时掺轻烧氧化镁和纤维的混凝土的相对弹性模量变化具有同步性，混凝土的抗冻性在应力比0.2时有所提升，而应力比0.4时有所下降。冻融循环对纤维混凝土影响程度要高于轻烧氧化镁混凝土。

2.3 应力对相对质量损失的影响

对不同应力水平时各类混凝土试件的质量损失影响进行试验分析，不同应力比时的质量损失率，结果如表3所示。

表3 不同应力水平冻融循环次数时质量损失率 单位：%

试验结果表明，混凝土的质量损失受纤维掺量影响较为明显。随着冻融循环次数的增加，基准混凝土质量损失影响要高于轻烧氧化镁混凝土。在不同冻融循环次数时，混凝土质量损失和外观的影响受应力比变化影响程度相对较低。随冻融循环次数的增加，纤维混凝土质量损伤而有所递增。

2.4 氯离子侵蚀对混凝土抗冻性能的影响

在应力和冻融循环分析的基础上，对混凝土抗冻性能受氯离子的影响进行分析。在相同应力比时，对不同氯离子浓度进行试验，冻融循环次数达到25次后进行氯盐溶液更换，测定质量损失和相对动弹性模量的影响程度。试验结果如表4所示。结果表明：在相同应力条件时，混凝土的抗冻性受氯离子浓度影响较大，抗冻性能随着氯离子浓度的增加而逐步减弱，且趋势逐步加强。

表4 混凝土相对弹性模量和质量损失率 单位：%

3 试验结果

(1)在应力比0.2时，混凝土整体处于弹性压缩阶段，内部微小裂隙、气泡受应力影响逐步缩小。与无应力相比，混凝土膨胀、渗透压力随着冻融循环而不断下降，导致混凝土破坏程度受冻融循环影响有所抑制、延缓。在混凝土弹性阶段前期，混凝土压应力提升了冻融循环周期。随着应力的增加，混凝土抗冻性能逐步递增。

(2)当应力比达到0.4时，混凝土内部微裂隙处于弹塑性阶段。因冻融循环时水膨胀压力下降，混凝土内部微小裂隙、气泡有所压缩。由于微裂隙集中应力，水压力的承载能力有所下降。纤维的存在，致使水压力的承载能力逐步增强。相较无应力条件时，相对动弹性模量有所增强，从而提高其抗冻性能。

(3)当压力比达到0.4之后，混凝土内部微裂隙总体趋近于塑性阶段，加速劣化程度。混凝土膨胀压力受冻融循环影响将快速加大，从而加速了内部微裂隙的快速扩展。膨胀、渗透压力共同耦合作用的影响将有所增加，冻融循环对混凝土的影响周期显著提升。由于纤维混凝土内纤维掺量，混凝土的脆性有所降低。纤维阻挡能耗在微裂隙发展下逐步加大，使得其内部裂隙发展逐步被抑制，混凝土抗冻性能逐步提升。在相同应力条件下，基准混凝土纤维混凝土的抗冻性能更佳。混凝土的抗冻性能在一定应力和纤维适量掺入时能得到有效提升。

4 结论

(1)相较基准混凝土，在相同应力比时纤维掺入量低于1kg/cm3时可提升混凝土的抗冻性能，建议应力比在0.2～0.4之间。

(2)混凝土的抗冻性能在相同应力比时，随着氯离子浓度加大而逐步递减。对东北沿海区域而言，水工混凝土施工环境的氯离子浓度应尽量控制在2%～4%之间，可提高抗冻性能。

(3)施工期环境温度对混凝土抗冻性能影响也较明显。后续还需重点分析在相同应力比时环境温度对混凝土抗冻性能指标的影响。