凍融介質及溫度閾值對混凝土快速凍融試驗試件溫度歷程的影響

葛昕

1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京100081；2.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京100081

在我國寒冷地區凍融破壞是混凝土材料的主要病害之一，在結冰膨脹壓力和滲透壓力的共同作用下混凝土會產生由表及里的粉化和剝蝕，當表層混凝土的粉化和剝蝕量達到一定程度后則失去對鋼筋的保護作用，影響到混凝土結構的安全［1-4］。為了科學評價混凝土材料的抗凍性能，GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中提出了慢凍法、快凍法和單面凍融法三種試驗方法，其中快凍法因其穩定的試驗結果、高效的試驗效率應用最廣泛［5］。

調研發現，我國普遍采用快速凍融試驗機開展混凝土抗凍試驗，在JG/T 243—2009《混凝土抗凍試驗設備》中對混凝土快速凍融試驗機的組成、材料、使用條件、使用要求、試驗方法等作出了詳細規定［6］。

在混凝土抗凍試驗中，主要通過凍融箱內防凍液、以防凍液為凍融介質的測溫試件（用于控制冷凍、融化過程）、以水為凍融介質的凍融試件（用于測試混凝土抗凍性能）之間的熱量轉換（圖1），實現對凍融試件溫度的控制?？箖鲈囼炛幸叶既芤菏菓米顝V泛的防凍液，其在凍融過程中不會產生相變［7-8］，而水在凍融過程中存在水—冰相變，因此在凍融循環過程中，以水為凍融介質的凍融試件的溫度變化歷程必然有異于以防凍液為凍融介質的測溫試件，從而影響混凝土材料抗凍性能試驗值的準確性。因此，本文研究不同凍融介質、測溫試件和凍融箱內防凍液的溫度閾值對測溫試件和凍融試件溫度變化歷程的影響規律，為提高混凝土抗凍試驗的合理性和準確性提供支撐。

圖1 混凝土快速凍融試驗的熱量轉換

1 試驗過程及方法

1.1 試驗原材料及配合比

1.1.1 試驗原材料

水泥采用北京金隅水泥經貿有限公司生產的P·O42.5普通硅酸鹽水泥，其物理和力學性能見表1。粉煤灰采用F類Ⅱ級粉煤灰，燒失量為3.1%。粗集料為5～25 mm連續級配碎石，細集料為細度模數2.88的中砂。外加劑為聚羧酸高性能減水劑，其性能指標見表2。試驗用水為北京市飲用自來水。

表1 水泥物理和力學性能

表2 外加劑的性能指標

1.1.2 混凝土配合比（表3）

表3 混凝土配合比

1.2 試驗儀器

選擇插入式溫度傳感器作為測溫設備，其測量范圍為-30～30℃，測量精度為±0.3℃。

利用北京三思行測控技術有限公司生產的快速凍融試驗機開展混凝土抗凍試驗。此試驗機滿足JG/T 243—2009要求，內部結構見圖2。

圖2 混凝土快速凍融試驗機內部結構

1.3 試驗步驟

1）按照表3中的配合比制備9個尺寸（長×寬×高）為400 mm×100 mm×100 mm的混凝土試件?；炷翝仓r在試件中心預埋溫度傳感器，并利用少量膠水密封溫度傳感器與試件表層混凝土的接觸面，如圖3所示。混凝土試件拆模后在標準養護條件下養護至24 d齡期。

圖3 預埋溫度傳感器的混凝土試件

2）養護至24 d齡期，將試件放入橡膠試驗盒內，其中6個橡膠試驗盒倒入水，3個橡膠試驗盒倒入防凍液，確保試件完全浸泡于凍融介質中，持續浸泡至28 d齡期，即制作完成3個以防凍液作為凍融介質的測溫試件、3個以水作為凍融介質的測溫試件、3個以水作為凍融介質的凍融試件。

3）將9個帶有試件的橡膠試驗盒移至快速凍融試驗機中的試件架上，開始快速凍融循環試驗。

4）改變測溫試件的凍融介質、測溫試件和凍融箱內防凍液的溫度閾值，測量測溫試件和凍融試件的中心溫度。

2 試驗結果分析

2.1 凍融介質對混凝土試件溫度變化歷程的影響

測溫試件的溫度閾值設定為（-20、5℃），凍融箱內防凍液的溫度閾值設定為（-25、10℃），通過改變測溫試件的凍融介質，得到測溫試件、凍融試件及凍融箱內防凍液溫度變化歷程，見圖4。

圖4 采用不同凍融介質時測溫試件、凍融試件及凍融箱內防凍液溫度變化歷程

對比圖4（a）和圖4（b）可見：①以防凍液為測溫試件的凍融介質時凍融試件在1 400 min內完成了7個凍融循環，而以水為測溫試件的凍融介質時在相同時間內僅完成6個凍融循環。②測溫試件凍融介質的改變并未顯著影響凍融箱內防凍液溫度閾值，但當測溫試件的凍融介質由防凍液變為水時，延長了凍融箱內防凍液溫度上限值（10℃）的持續時間。③當改變測溫試件的凍融介質時，凍融試件中心溫度變化歷程的差異主要體現在0℃處。以防凍液為測溫試件的凍融介質時，融化過程中凍融試件中心溫度達到0℃后不再上升，溫度維持在0℃約30 min后進入冷凍循環；以水為測溫試件的凍融介質時，融化過程中凍融試件中心溫度在0℃時會出現一個短暫的溫度滯留期，隨后繼續上升至5℃后進入冷凍循環。冷凍過程中也出現了與融化過程類似的現象。

2.2 溫度閾值對混凝土試件溫度變化歷程的影響

以防凍液為測溫試件的凍融介質，通過調整測溫試件、凍融箱內防凍液的溫度閾值，得到測溫試件、凍融試件及凍融箱內防凍液溫度變化歷程，見圖5。

圖5 不同溫度閾值條件下測溫試件、凍融試件及凍融箱內防凍液溫度變化歷程

對比圖5（a）和圖5（b）可見：當測溫試件的溫度設定下限值保持不變，上限值從5℃調整至8℃時，凍融循環周期時長從200 min增長到300 min，增長約1/2，且凍融試件中心溫度上限值從0℃提高到7.6℃。其原因為：凍融箱內防凍液與測溫試件的溫度設定上限值過于接近時，凍融箱內防凍液、凍融介質、測溫試件之間熱量傳輸速率降低，需要更長的時間達到測溫試件的溫度設定上限值，融化過程所需時長大幅增加，從而增加整個凍融循環周期時長；當融化過程時長大幅增加時，凍融試件中心溫度也更接近于測溫試件的溫度上限值（8℃）。

對比圖5（b）和圖5（c）可見：保持測溫試件溫度閾值和凍融箱內防凍液溫度下限值不變，僅將凍融箱內防凍液溫度的上限值從10℃調整至15℃時，凍融循環周期時長從300 min降低至200 min，降低約1/3，凍融試件中心溫度上限值從7.6℃降低到4.9℃。其原因為：由于凍融箱內防凍液與測溫試件的溫度設定上限值的差異增大，凍融箱內防凍液、凍融介質、測溫試件之間熱量傳輸速率提高，凍融循環周期時長縮短，熱量傳輸時間減少，因此凍融試件中心溫度上限值略有降低。

2.3 混凝土快速凍融試驗試件溫度變化歷程的調整方法

GB/T 50082—2009對混凝土快速凍融試驗［5］的規定是：①混凝土凍融試驗過程中，每次凍融循環時間在2～4 h內完成；②融化時間不小于凍融循環時間的1/4；③凍融試件中心最低溫度為（-18±2）℃，最高溫度為（5±2）℃；④冷凍過程中凍融試件從3℃降至-16℃的時間不小于冷凍時間的1/2；融化過程中凍融試件從-16℃升至3℃的時間不小于融化時間的1/2；⑤凍融試件內外溫差不大于28℃；⑥冷凍和融化之間的轉換時間不宜超過10 min。

在圖4（a）中以防凍液為測溫試件的凍融介質、測溫試件的溫度閾值為-20、5℃、凍融箱內防凍液的溫度閾值為-25、10℃時，凍融試件的中心溫度最低值為-22℃，最高溫度僅為0.3℃?？紤]到傳感器的精度為±0.3℃，凍融試件可能并未完全融化，尚未完成一個完整的凍融循環就進入下一個冷凍過程，此種情況不滿足GB/T 50082—2009中第③條、第④條的要求。

在圖4（b）中以水為測溫試件的凍融介質、測溫試件的溫度閾值為-20、5℃、凍融箱內防凍液的溫度閾值為-25、10℃時，凍融試件的中心溫度在-19～5℃范圍內波動，滿足GB/T 50082—2009相關要求。

以防凍液為測溫試件的凍融介質時，由于用于凍融試驗的防凍液冰點低于-25℃［7.8］，在凍融循環試驗過程中不會對測溫試件產生凍融損傷，而以水為測溫試件的凍融介質時，凍融循環過程中測溫試件會因水結成冰的膨脹壓力對混凝土造成凍融損傷，當損傷累積到一定程度后，測溫試件會產生破壞，因此與以防凍液為凍融介質的測溫試件相比，以水為凍融介質的測溫試件破壞速度顯著加速。這就意味著快速凍融試驗機在長期使用過程中，需要頻繁更換以水為凍融介質的測溫試件?？紤]到各測溫試件之間的差異、試驗高效和連續性要求，以水為測溫試件的凍融介質，雖然在理論上滿足標準要求，但在實際使用過程中會降低試驗效率。

圖5中以防凍液為測溫試件的凍融介質。由圖5（a）到圖5（b）保持凍融箱內防凍液溫度閾值（-25、10℃）和測溫試件溫度下限值（-20℃）不變，將上限值從5℃調整至8℃，凍融循環時間達5 h，無法滿足GB/T 50082—2009第①條的要求，在實際使用過程中效率過低。

由圖5（b）到圖5（c）保持測溫試件溫度閾值（-20、8℃）和凍融箱內防凍液溫度下限值-25℃不變，將上限值從10℃調整至15℃，此時凍融試件的溫度變化歷程可以滿足GB/T 50082—2009的各項要求。

由圖5可以發現，通過調整測溫試件和凍融箱內防凍液的溫度閾值可以實現對凍融試件溫度閾值和凍融循環周期時長的調整，以滿足標準要求。

3 結論與建議

1）測溫試件采用不同的凍融介質時，測溫試件和凍融箱內防凍液的溫度閾值無明顯變化，只影響其溫度上限值的持續時間。

2）以防凍液為測溫試件的凍融介質、測溫試件溫度閾值為-20、5℃、凍融箱內防凍液溫度閾值為-25、10℃時，凍融試件的中心溫度不滿足GB/T 50082—2009要求。以水為測溫試件的凍融介質、測溫試件溫度閾值為-20、5℃、凍融箱內防凍液溫度閾值為-25、10℃時，雖然在理論上滿足標準要求，但由于測溫試件破壞速度加快，在實際使用過程中須頻繁更換，這會間接降低試驗效率。

3）以防凍液為測溫試件的凍融介質，通過調整測溫試件和凍融箱內防凍液的溫度閾值，可以實現凍融試件溫度歷程和凍融循環周期時長的調整，滿足GB/T 50082—2009相關要求。