多因素耦合作用下透水混凝土道面抗凍性研究

李長輝，石廣順，趙方冉，陳 宇，王洪龍

(1.中國民航大學 機場學院，天津 300300；2. 山東省建筑設計研究院有限公司，山東 濟南 250001；3.天津市市政工程設計研究院，天津 300000)

0 引言

近些年，研究者在機場領域提出了建設海綿型機場理念，其主要對策為建設大面積可滲、蓄水道面等設施。但是，在冬季我國北方機場中，由于溫度低會導致飛機表面結冰。飛機表面結冰會增加飛機自重、改變氣流方向，嚴重影響飛行安全[1]。為確保飛行安全，機場管理部門常將主要成分為乙二醇的除冰液噴灑在飛機表面用以飛機除冰。然而，含有除冰劑的水溶液散落在除冰坪混凝土上，在凍融和除冰液侵蝕的多因素相互作用、復合疊加下，除冰坪混凝土的表面會出現剝落與開裂[2-4]。肖柏林等[5]研究了不同顆粒骨料種類及形狀對于礦山膠結填充料低標號流態混凝土內部孔隙的影響。Zhang等[6]研究了一種新的人工智能算法(MOLSSVR)對于透水混凝土的滲透系數和單軸抗壓強度的預測。Chen等[7]研究了以Na2O和SiO2為主要摻合料的堿礦渣透水混凝土對于水的凈化作用。洪錦祥等[8]研究了質量損失率、相對動彈性模量損失率與抗折強度損失率之間的關系。郭寅川等[9]研究了高寒地區橋面板水泥混凝土的抗鹽凍性能，研究結果表明鹽凍作用會加速混凝土表面砂漿層的剝蝕，但對混凝土剝蝕面下的砂漿層剝蝕不顯著。李滿良等[10]研究了在透水慢行系統結構生態下瀝青混合料的滲透系數與空隙率及連續空隙率的關系。宋云連等[11]分別采用0%，8%，10%，12%，14%，16%的早強劑替換水泥摻入碎石中，研究了早強劑的摻量對于水泥穩定材料抗凍性能的影響。劉丹丹等[12]通過正交試驗的方法，設定了3組不同水灰比及養護時間的試件，研究了水灰比對于透水混凝土性能的影響。對于透水混凝土道面，由于其大孔隙結構特點，除冰液會通過內部的連通孔隙通道流入指定的區域[13]。但是，其表層處閉口孔隙及表面開口孔隙仍會滯留除冰液。此外，一旦透水混凝土孔道出現堵塞的現象，大量的除冰液會滯留在孔道內部，在低溫下受凍膨脹產生的凍脹應力不容忽視。由上述文獻研究可知，研究內容多集中在普通混凝土道面抗凍性研究，對于機場道面中大孔隙率透水混凝土道面的抗凍性能研究有限。

因此本研究以透水混凝土材料為主要研究對象，開展了系統的抗凍試驗研究，分析了混凝土試件在不同的除冰液濃度、孔隙率、低溫、結冰速率下經過25，50，75，100次凍融循環后的相對動彈性模量損失及質量損失，系統研究了透水混凝土材料在除冰液及外部因素作用下的凍融損傷特點，結果對于工程具有指導性意義。

1 試驗研究

1.1 試驗原材料

試驗所需主要材料包括：粗集料、水泥、水、減水劑、引氣劑、乙二醇溶液等。試驗所使用的粗骨料為8～10 mm 的單粒級石灰巖碎石，要求外形均勻且針片狀顆粒的含量在15%以內，表觀密度2 715 kg/m3，含水量0.5%，含泥量0.3%。水泥采用PI42.5硅酸鹽水泥，外加劑為 AJF-6 緩凝高效減水劑與JM-2000C 高效引氣劑。試驗所使用的凍融介質為體積濃度不相同的乙二醇除冰液，凍融介質的體積濃度分別為 3.5%，12.5%及25%。目標孔隙率分別為15%，20%，25%，30%的透水混凝土質量配比如表1所示。

表1 不同孔隙率混凝土的配合比設計

1.2 凍融循環試驗方案

按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》[14]的規定，本凍融循環試驗采用快凍法，抗凍性能評價指標為質量損失率和相對動彈性模量。試驗采用混凝土快速凍融試驗機(DR-Ⅱ型, 天津東正測控技術發展有限公司制造)，試驗機主要由溫度測量控制系統、凍融試驗箱、水冷循環系統、制冷加熱系統等部分組成。試驗機、試驗用試件及控制系統程序如圖1所示。采用抗凍性標準試件尺寸：100 mm×100 mm×400 mm。試驗通過控制變量法分別測定不同孔隙率、除冰液濃度、凍融速率及低溫凍結溫度等因素對透水混凝土抗凍性能的影響。

2 試驗結果及分析

2.1 除冰液濃度對透水混凝土抗凍性影響

混凝土在反復經受凍融循環的過程中，混凝土表面骨料會發生由凍融導致的松散剝落，造成混凝土的質量損失。因此采用混凝土的質量損失率作為參數可有效地衡量混凝土遭受凍融破壞的程度，混凝土的質量損失率Δm按式(1)計算：

(1)

式中，m0為未經試驗試件的原始質量；m1為試件經受N次凍融循環后的質量。應注意的是在測試多孔混凝土質量損失率時，在一個凍融循環后將試件表面沖洗干凈并擦去表面水分，靜置3～4 h將其孔內水分控干后再測試其質量損失。

除質量損失率外，混凝土遭受凍融后的破壞程度還可用試件的相對動彈性模量損失率來評價，混凝土材料的相對動彈性模量損失率Er的計算方法見式(2)：

(2)

式中，E0為試件在未經凍融循環試驗前的原始彈性模量；v0為試件在未經凍融循環試驗前原始聲波速度；En為試件經受N次凍融循環后的彈性模量；vn為試件經受N次凍融循環后的聲波速度。

在相同凍結溫度及凍融速率下，采用15%孔隙率的混凝土試件，分別測定體積分數為3.5%，12.5%，25%乙二醇溶液的抗凍性指標變化情況如圖2、圖3所示。

圖2 不同除冰液濃度下的質量損失Fig.2 Mass losses under different deicing liquid concentrations

圖3 不同除冰液濃度下相對動彈模量Fig.3 Relative dynamic elastic moduli under different deicing liquid concentrations

以清水為對照組，通過分析抗凍性評價指標的變化情況，結果表明：在第100次循環后，3.5%乙二醇濃度的試件質量損失率為1.5%，相對動彈模量為85%，其抗凍性最差，說明低濃度的除冰液會加劇混凝土骨料的剝落。而隨著除冰液濃度增加，在第100次循環后，25%乙二醇濃度的試件質量損失率為0.4%，相對動彈性模量為94%，明顯優于清水和低濃度試件，說明高濃度的乙二醇溶液可以改善透水混凝土的抗凍性能。

2.2 孔隙率對透水混凝土抗凍性能影響

試驗使用25%濃度乙二醇溶液作為凍融介質，控制相同凍結溫度及凍融速率，采用不同配合比分別測定了15%，20%，25%，30%孔隙率試件的抗凍性指標，研究了孔隙率對透水混凝土的凍融損傷規律，如圖4、圖5所示。

圖4 不同孔隙率下的質量損失Fig.4 Mass losses under different porosities

圖5 不同孔隙率下的相對動彈模量Fig.5 Relative dynamic elastic moduli under different porosities

結果表明,相同凍融循環次數下，試件孔隙率越大，質量損失越多，相對動彈模量下降越明顯，抗凍性能越差。故透水混凝土配合比設計時，應盡量降低非連通孔的比例，以保證透水混凝土的抗凍性。

2.3 低溫、凍融速率對透水混凝土抗凍性影響

對于混凝土的抗凍性而言，不同地區低溫凍結溫度的差異會影響其抗凍性能。試驗仍使用25%濃度乙二醇溶液作為凍融介質，試件孔隙率控制為15%，通過凍融試驗機控制系統將最高溫度均設置為5 ℃，最低凍結溫度由低到高分別設置為-20，-15，-10，-5 ℃。試件在經受50次凍融循環后的抗凍性能指標變化如圖6所示。

圖6 不同凍結溫度下抗凍性指標Fig.6 Frost resistance indicators at different freezing temperatures

結果表明，當最低凍結溫度為-5 ℃時，試件的質量損失率為-0.1%；當最低凍結溫度為-20 ℃時，試件的質量損失率為 0.8%；通過試驗數據可知，試件的質量損失隨最低凍結溫度的降低而增加。這是由于溫度降低，混凝土內部孔隙結冰時間變長，孔隙內部水分結冰膨脹力變大，加劇了試件的剝落。在-5 ℃環境下，試件質量不降反增，這是由于25%乙二醇溶液的冰點較高，在-5 ℃時凍融介質并未結冰，不產生凍脹效應，試件吸水導致質量增加。溫度越低，相對動彈模量下降也越明顯。因此，最低凍結溫度越低，抗凍性越差。

此外，試驗分析了不同降溫速率對透水混凝土抗凍性能的影響及經過50次凍融循環后的透水混凝土試件抗凍性指標的變化規律。試驗結果表明：透水混凝土的凍融破壞與降溫速率有關，試件的凍融破壞隨降溫速率的變快而加快，此時試件的抗凍性能也越差。造成此現象的原因是由于降溫速率過快，透水混凝土材料內部孔隙中水分結冰從而導致在短時間內凍脹應力急劇上升，此時孔隙外部的應力增大，導致骨料間的嵌擠力與黏聚力降低，使骨料更易剝落。

3 不同孔隙類型的凍脹效應模擬分析

根據彈塑性力學，基于二維隨機生成與投放的混凝土骨料建模思路[15-16]，通過ABAQUS建模軟件進行了二維細觀混凝土骨料隨機模型下的透水混凝土在不同孔隙類型下孔隙水結冰膨脹產生的應力應變模擬分析。

3.1 不同形狀的閉口孔隙凍脹模擬

透水混凝土內部孔隙類型復雜，既有水泥漿中的微小孔隙，也有由于骨料嵌擠作用形成的大孔[17]。首先，通過對孔隙部件施加與25%乙二醇溶液膨脹系數等效的膨脹作用力，模擬了圓形閉口孔隙的凍脹應力應變關系，如圖7、圖8所示。

圖7 圓形孔隙結冰膨脹后的應力分布Fig.7 Stress distribution of frozen circular pore after expansion

圖8 圓形孔隙結冰膨脹后塑性應變損傷Fig.8 Plastic strain damage of frozen circular pore after expansion

仿真結果表明，在混凝土上表層，拉應力在孔隙正上方處達到峰值1.67 MPa，且逐漸向兩側減弱，呈對稱分布。孔隙水受凍產生的塑性應變向四周發散，形成損傷帶，在孔隙正上方位置處達到最大，達到 0.475 mm。因此，孔隙的正上方面層位置處最容易出現表面剝落。

此外，建立骨料嵌擠產生的多邊形閉口孔隙模型，模擬其凍脹應力分布，如圖9、圖10所示。

圖9 三角形孔隙應力場Fig.9 Stress field of triangle pore

圖10 四邊形孔隙應力場Fig.10 Stress field of quadrilateral pore

模擬結果表明，在遭受凍脹作用時，當孔隙為多邊形時，其最大凍脹應力多集中在多邊形的頂角位置，如圖9、圖10所示。三角形孔隙及四邊形孔隙在頂角位置處的最大凍脹應力分別為0.57 MPa及0.65 MPa。造成此現象的原因是由于當孔隙內水分受凍后結冰發生膨脹，并處于幾何孔隙的頂角處，因此易造成凍脹應力集中。此外當孔隙為多邊形時，其所受凍脹應力與多邊形的邊數存在聯系。

另外，在試驗的基礎上模擬了橢圓形閉口孔隙相互耦合作用下的凍脹效應，主要模擬了單排多孔與多排多孔的透水混凝土材料內部損傷情況，如圖11、圖12所示。模擬結果表明，當透水混凝土內部孔隙間發生凍脹損傷時，其損傷的演化主要為損傷帶的擴展，孔隙損傷帶會往鄰近孔隙方向進行延伸呈“貫穿”狀態。當損傷帶貫穿后，會出現骨料被損傷帶包圍的情況，造成骨料的剝落或斷裂，此時透水混凝土材料內部受凍脹影響的范圍提升，從而導致透水混凝土的透水功能減退或失效。

圖11 單排雙橢圓孔損傷Fig.11 Damage of single-row double oval pores

圖12 雙排雙橢圓孔損傷Fig.12 Damage of double-row double oval pores

3.2 表面開口孔隙凍脹模擬

由于獨特的內部構造，透水混凝土表層粗糙，含有大量的表面開口孔隙。與連通孔不同，這類開口孔隙只能使水分滲入而無法使水分排出，滲入的水分積聚在表面開口孔隙內部結冰膨脹，從而會造成透水混凝土抗凍性的降低[18]。本研究模擬了上表層相鄰半圓形開口孔隙應力分布情況，模擬結果和試驗結果如圖13所示。

圖13 表面雙開口孔隙應力分布Fig.13 Stress distribution of pores with double openings on surface

結果表明，應力峰值主要集中在開口孔隙的幾何邊角處，此處的骨料容易產生凍脹開裂；相鄰孔隙之間的骨料處應力平均值最大，此處的混凝土骨料易剝落，為危險區域。

4 結論

(1)在經過100次凍融循環后，乙二醇濃度為25%的透水混凝土試件相比于乙二醇濃度為3.5%的透水混凝土試件的質量損失率減小了275.0%，相對動彈性模量提高了10.6%。透水混凝土材料的抗凍性隨最低凍結溫度的降低及凍融速率的加快而變差；相同環境下，透水混凝土材料的抗凍性隨非聯通孔隙的增多而變差。因此，機場管理部門可采用高濃度除冰液以降低道面的凍融損傷；在透水混凝土配合比設計時，應盡可能降低非連通孔的比例，以保證抗凍性。

(2)通過對不同孔隙類型的凍脹模擬分析，上表層處的閉口孔隙中，圓形孔凍脹應力峰值位于正上方表層處，多邊形孔隙峰值集中在幾何邊角處；相鄰閉口孔隙間會產生應力損傷帶，損傷帶“貫通”后的區域容易產生開裂或剝落。