多年凍土區引氣混凝土抗壓強度及抗凍性研究

張 凱，王起才，楊子江，王慶石，梁柯鑫

(1. 蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730070；2. 道橋工程災害防治技術國家地方聯合工程實驗室, 甘肅 蘭州 730070；3. 濟南鐵路局 臨沂工務段，山東 濟南 250001)

隨著我國國民經濟的持續快速發展，西北地區基礎建設規模逐年增大，西北地區大都處于寒冷地帶，埋設在凍土中的混凝土灌注樁，屬于隱蔽性結構，混凝土內部結構因為低溫的影響使得結構物留下永久難以去除的病害，而且影響火車的運營，因此混凝土耐久性的研究已成為材料工程學科研究的熱點問題。混凝土耐久性的一個重要指標是抗凍性[1-2]，因而人們對于混凝土的抗凍性能越來越重視，特別是適用于抗凍性能的引氣混凝土中摻入了部分引氣劑，混凝土內部結構中產生了大量氣泡[3]，使得引氣混凝土是一種復雜的多孔材料[4-5]，對此國內外學者進行了部分引氣混凝土的研究，Sakaie[6]列出了引氣混凝土孔徑和氣泡間距的參數，得出引氣方式對混凝土的性能有顯著影響[7-8]；Dai等[9]通過測試冰凍作用下混凝土的伸長量，建立了混凝土孔結構與冰晶壓力的關系；楊錢榮[10]論述了在相同強度下引氣可改善混凝土的綜合耐久性能，并探討了含氣量對混凝土耐久性的作用機理[11-12]；王慶石等[13]測試了混凝土孔結構參數，分析了混凝土結構與混凝土抗凍性能的關系。持續負溫下混凝土的耐久性及力學性能的變化規律不同于普通混凝土施工時的養護，國內外對此未見文獻報道。

青藏鐵路、青藏公路穿越的青南藏北地區是多年凍土最發育的地區，基本上呈連續或大片分布，沿線年平均地溫在0 ℃～-4 ℃范圍內，且根據年平均地溫又將其分為不穩定凍土(大于-0.5 ℃)、亞穩定凍土(-0.5 ℃～-3 ℃)和穩定凍土(小于-3 ℃)，因此選擇處于亞穩定凍土與穩定凍土的邊界點-3 ℃作為本次試驗的養護溫度。本文以水膠比0.38的混凝土的抗壓強度及抗凍性能為目標，齡期和孔結構特征為變量，對比分析了持續負溫(-3 ℃)養護和標準養護下混凝土的力學性能和抗凍耐久性能。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：42.5級普通硅酸鹽水泥；碎石：粒徑為5～31.5 mm，壓碎指標為7.04%，表觀密度為2 790 kg/m3，其各項技術指標見表1；細砂：細度模數為2.15，表觀密度2 620 kg/m3, 堆積密度1 515 kg/m3，含泥量1.47%，其各項技術指標見表2；粉煤灰：Ⅰ級粉煤灰，礦粉：Ⅱ級礦粉，性能滿足規范要求；外加劑為減水劑和引氣劑，減水劑為聚羧酸高性能減水劑母液，引氣劑為液體SJ-2型引氣劑；水：自來水。

表1 石子顆粒級配

表2 細砂顆粒級配

表3 引氣混凝土配合比

1.2 混凝土配合比

表3為混凝土經過多次試拌后的最終配合比，其中JC1為基準混凝土，即不摻引氣劑的混凝土，JC2、JC3、JC4、JC5分別為摻量0.15‰、0.3‰、0.45‰、0.6‰的引氣劑混凝土。對于新拌混凝土，擴展度大于480 mm，坍落度大于180 mm，流動性好；新拌混凝土沒有分層和離析現象，保水性也較好。

1.3 養護方法

在室溫(18～22 ℃)、濕度(80%～90%)下，將稱好的材料放入攪拌機中攪拌2 min，再將摻有拌合水的外加劑倒入攪拌物中，攪拌2 min后，將混凝土拌合物放入已經涂過油的試模中，將含有混凝土拌合物的試模放在振動臺上振搗1 min。含氣量采用直讀式精密混凝土含氣量測定儀測定。

一部分試件放入大氣模擬箱內帶模養護，大氣模擬箱的溫度調至(-3±0.2)℃，濕度通過將混凝土套袋的方式保持在95%左右，3 d后脫模，繼續箱內養護；另一部分1 d后脫模，養護條件為標準養護。-3 ℃養護混凝土試件見圖1，標準養護下混凝土試件見圖2。

圖1 -3 ℃養護 圖2 標準養護

1.4 試驗方法及方案

1.4.1 抗壓強度測試方法

按GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》[14]進行混凝土立方體抗壓強度試驗，試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm。按相應養護條件將混凝土試件養護至14、28、56、84、180 d時，進行抗壓強度試驗。

1.4.2 凍融測試方法

依據GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》[15]中抗凍性能試驗方法，試件尺寸為400 mm×100 mm×100 mm，將試件養護至規定齡期且浸泡4 d后，開始快速凍融試驗，試件循環25次測試件參數，當質量損失率超過5%、相對動彈性模量低于60%或凍融循環達到300次時停止試驗，凍融循環過程見圖3。

圖3 凍融循環

2 混凝土抗壓強度試驗結果及分析

兩種養護條件下混凝土抗壓強度試驗結果見表4，根據表4分別繪出了兩種養護條件下混凝土抗壓強度隨含氣量及齡期的變化曲線，具體見圖4、圖5。

表4 混凝土在不同含氣量下的抗壓強度試驗結果

注：括號內為新拌混凝土的含氣量。

圖4 混凝土抗壓強度與含氣量的關系曲線

圖5 JC1、JC4混凝土抗壓強度與齡期的關系曲線

(1) 同齡期下，持續-3 ℃養護環境下混凝土抗壓強度明顯低于標養下混凝土的抗壓強度，齡期28 d時，前者為后者的0.72～0.78倍；持續-3 ℃養護環境下齡期84 d時的抗壓強度與標養下齡期28 d時的抗壓強度相當，存在明顯的“齡期滯后”現象，這是由于負溫條件下，水分子接近冰點，導致水泥水化速率減慢，水化產物減少，使得混凝土內部結構不能很好的被填充，負溫對混凝土的強度增長產生了抑制作用，雖然混凝土內部水泥的水化反應相對較慢，但是在持續進行，可見負溫養護下混凝土的抗壓強度需要養護更長時間才能達到標養下混凝土的抗壓強度。

(2) 圖4中持續-3 ℃養護環境下齡期84 d時的抗壓強度和含氣量的關系曲線與齡期28 d時的關系曲線平行且與標養下28 d時曲線基本重合，這說明齡期滯后的天數與含氣量關系不大，僅與養護環境有關。

(3) 同齡期下，兩種養護條件混凝土抗壓強度與含氣量的變化規律相同，隨著含氣量的增大，混凝土的抗壓強度逐漸減小，含氣量在1.5%～3.2%之間，混凝土抗壓強度降低緩慢，在3.2%～9.6%之間，抗壓強度降低較快。

3 混凝土抗凍性能試驗結果及分析

由于持續-3 ℃養護環境下齡期84 d時的抗壓強度與標養下齡期28 d時混凝土的抗壓強度相當，試驗時將持續-3 ℃養護環境下齡期84 d時混凝土的抗凍性能與標養下齡期28 d時進行比較。兩種養護環境下同抗壓強度混凝土相對動彈性模量及質量損失率試驗結果見表5。

表5 兩種養護方式下混凝土試件相對動彈性模量及質量損失率試驗結果

注：1. 括號外為混凝土的相對動彈性模量，括號內為混凝土的質量損失率。2. -3 ℃養護齡期84 d,標養養護齡期28 d。

3.1 質量損失率

根據表5繪出混凝土質量損失率與含氣量的關系曲線，見圖6。由表5和圖6得出：

(1) 隨著含氣量的增大，混凝土的質量損失率先減小后增大，含氣量在1.5%～3.2%之間，相對動彈性模量不低于60%時的質量損失率從1.85%降低到1.64%，含氣量在3.2%～9.6%之間，質量損失率從1.64%增加到3.24%，這主要是因為混凝土含氣量過高，內部氣泡與毛細孔連通，內部結構在凍融循環作用下遭到嚴重破壞，導致質量損失較大。

(2) 持續-3 ℃養護環境下混凝土的質量損失率與含氣量的關系曲線與標養下的關系曲線基本平行，說明兩者的變化規律相同，但前者的質量損失率比后者大，這是因為在負溫下，混凝土內部結冰量較大，水結冰后體積發生膨脹，內部形成凍脹應力，產生許多微裂縫，已結冰的水會推動未結冰的水沿著這些裂縫遷移，在裂縫中繼續結冰，導致裂縫的擴展[16]，在凍融循環作用下，試件更易剝蝕，導致質量損失更大。

(3) 隨著凍融循環次數增大，在持續-3 ℃養護環境下混凝土試件質量持續減小，而在標養下，混凝土JC1、JC2、JC3的質量先增大后減小，混凝土JC4、JC5的質量逐漸減小，在標養下，混凝土質量先增大是因為混凝土微裂縫吸水的質量大于混凝土剝蝕的質量，當混凝土微裂縫吸水的質量小于混凝土剝蝕的質量時，混凝土質量較小，而在持續-3 ℃養護環境下微裂縫吸水增加質量小于剝蝕質量，質量持續減小。

圖6 兩種養護方式下混凝土質量損失率與含氣量的關系曲線

3.2 相對凍融耐久性指標

抗凍融耐久性指標是混凝土抗凍性能的綜合反映，其計算式為

DF=P·N/300

(1)

式中：P為相對動彈性模量；N為相對動彈性模量達到60%時的循環次數。

根據表5可計算出試件的抗凍融耐久性指標DF，并繪制出混凝土抗凍融耐久性指標DF與含氣量的關系曲線，見圖7。

圖7 兩種養護方式下混凝土耐久性指標與含氣量的關系曲線

由圖7可知：

(1) 兩種養護環境下混凝土抗凍融耐久性指標隨含氣量的變化規律基本一致，隨著含氣量的增大，混凝土抗凍融耐久性指標先增大后減小，即混凝土的抗凍性先增強后減弱，含氣量在1.5%～3.2%之間，混凝土的抗凍融耐久性指標隨著含氣量的增大而增大，含氣量在3.2%～9.6%之間，混凝土的抗凍融耐久性指標隨著含氣量的增大而減小，這說明含氣量對混凝土抗凍性能的影響存在一個合理范圍，即含氣量在3.2%左右最為合適。

(2) 持續-3 ℃養護環境下混凝土的抗凍融耐久性指標遠低于標養下混凝土的抗凍融耐久性指標，JC1、JC2、JC3、JC4的耐久性指標前者為后者的0.27、0.51、0.26、0.33倍，含氣量為3.2%時，抗凍融耐久性指標降低幅度最小，其值為0.51，這與前一點確定的含氣量最合適的范圍一致，同時可以看出前者的抗凍融耐久性指標較后者降低幅度較大，最低達0.26，這說明持續-3 ℃養護環境下混凝土的抗壓強度雖然通過延長養護齡期能夠最終達到標養下28 d的抗壓強度，但相對凍融耐久性指標降低幅度較大，這是西部寒冷地區混凝土結構設計中值得注意的問題。

4 結論

依據青藏鐵路多年凍土地區混凝土灌注樁，本文對不同含氣量下混凝土在持續-3 ℃養護環境和標養環境下進行抗壓強度試驗及凍融循環試驗，并對試驗結果進行了分析，得到如下結論：

(1) 在礦物摻合料比例一定時，持續-3 ℃養護環境下齡期84 d時的抗壓強度與標養下齡期28 d時的抗壓強度相當，前者存在明顯的“齡期滯后”現象，但混凝土抗壓強度齡期滯后的天數與含氣量關系不大，僅與養護環境有關。

(2) 含氣量為3.2%時，混凝土質量損失最少；持續-3 ℃養護環境下混凝土的質量損失與標養下變化規律相同，但前者的質量損失比后者大。

(3) 隨著含氣量的增大，混凝土的抗凍性能先增強后減弱，含氣量為3.2%時，混凝土抗凍融耐久性指標降低幅度最小，抗凍性能最優。

(4) 持續-3 ℃養護環境下混凝土的抗壓強度最終能夠達到標養下28 d的抗壓強度，但抗凍融耐久性指標降低幅度較大，對于寒冷地區，特別是西部多年凍土地區的混凝土灌注樁，其耐久性的這一特點應引起使用者高度重視。