溫和地區(qū)實(shí)際服役水工混凝土的抗凍性檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)研究

高蓓蓓， 孔維國(guó)， 陳峰， 寧逢偉， 白銀

（1.揚(yáng)州市水利工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，江蘇 揚(yáng)州 225200；2.揚(yáng)州市水利發(fā)展中心，江蘇 揚(yáng)州 225200；3.水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京水利科學(xué)研究院，南京 210029）

0 引言

上世紀(jì)60年代，我國(guó)交通部組織一大批專(zhuān)家對(duì)全國(guó)在役水工混凝土進(jìn)行病害調(diào)查，結(jié)合實(shí)地走訪和試驗(yàn)分析，最終得出關(guān)于水工混凝土耐久性不利誘因方面的一個(gè)重要論斷-“南銹北凍”。北方地區(qū)氣候寒冷，南方地區(qū)氣候相對(duì)溫和，極寒天氣比較少見(jiàn)，凍害威脅也相對(duì)較輕。我國(guó)GB/T 50662-2011《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》針對(duì)這種氣候差異，將“最冷月平均氣溫高于-3℃的區(qū)域”劃分為溫和區(qū)。溫和地區(qū)水工混凝土設(shè)計(jì)抗凍等級(jí)較低，一般僅為F50或F100。久而久之，溫和地區(qū)混凝土的抗凍性研究逐漸被忽視，特別是在已建工程混凝土的抗凍性檢驗(yàn)方面，技術(shù)仍不成熟。

目前，已建工程混凝土的抗凍性檢驗(yàn)仍以取芯制備標(biāo)準(zhǔn)抗凍試件進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果直觀，檢驗(yàn)結(jié)論說(shuō)服力強(qiáng)，但取樣工作量大，還容易造成較大的結(jié)構(gòu)損傷，往往給后續(xù)結(jié)構(gòu)修復(fù)增大難度。相比之下，硬化氣孔參數(shù)測(cè)試對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的破壞程度相對(duì)較輕，具有一定的替代可能性。然而，我國(guó)現(xiàn)行混凝土耐久性相關(guān)技術(shù)規(guī)范對(duì)混凝土硬化氣孔參數(shù)所提要求較少，只建議氣泡間距系數(shù)作為硬化混凝土的抗凍性檢驗(yàn)指標(biāo)，如DL/T 5241-2010《水工混凝土耐久性技術(shù)規(guī)范》要求氣泡間距系數(shù)不超過(guò)300μm。但是，該標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)有對(duì)溫和地區(qū)和寒冷地區(qū)作出區(qū)分，所有抗凍等級(jí)混凝土都采用統(tǒng)一的控制標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于溫和地區(qū)的混凝土抗凍性檢驗(yàn)而言，過(guò)于苛刻，在實(shí)際工程檢驗(yàn)過(guò)程中也缺乏可操作性。事實(shí)上，除了氣泡間距系數(shù)之外，是否有其它硬化氣孔參數(shù)適用于檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)混凝土抗凍性，能否提出更細(xì)化的抗凍性檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，如何體現(xiàn)溫和地區(qū)混凝土抗凍設(shè)計(jì)的特殊性均是需要解決的重要技術(shù)問(wèn)題。當(dāng)前硬化混凝土氣孔參數(shù)研究，仍是停留在入模含氣量與硬化孔徑分布、氣泡間距系數(shù)之間的關(guān)系，以及硅灰、粉煤灰、礦粉對(duì)微細(xì)結(jié)構(gòu)的改善作用等方面，尚未見(jiàn)硬化氣孔參數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)方面的相關(guān)報(bào)道［1-4］。

針對(duì)上述問(wèn)題，選取泵站、閘壩工程最常用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)C25、C30和C35作為主要研究對(duì)象，通過(guò)調(diào)整引氣劑摻量有梯度地設(shè)計(jì)多種混凝土硬化含氣量，開(kāi)展凍融循環(huán)試驗(yàn)和回歸分析，建立抗凍性和硬化含氣量之間的定量關(guān)聯(lián)，以期提出已建工程混凝土的抗凍性檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

1 原材料

水泥品種為P·O42.5，實(shí)測(cè)28d膠砂強(qiáng)度47.0MPa。粉煤灰為F類(lèi)II級(jí)。細(xì)骨料為河砂，細(xì)度模數(shù)2.8，級(jí)配為II區(qū)。粗骨料由5～16mm和16～31.5mm的2種碎石組成，混合質(zhì)量比例為3:7。減水劑為高性能減水劑，實(shí)測(cè)減水率為26%（摻量1.0%）。引氣劑的引氣量為6.3%（摻量0.01%）。消泡劑為白色液體。抗裂防水劑為一種粉體外加劑，兼具微細(xì)填充、補(bǔ)償收縮和纖維阻裂等功能特性。

2 混凝土硬化氣孔參數(shù)測(cè)試方法

采用丹麥進(jìn)口的RapidAir457硬化混凝土氣孔參數(shù)測(cè)試儀開(kāi)展試驗(yàn)觀測(cè)見(jiàn)圖1，根據(jù)光的吸收和反射原理，并結(jié)合圖像自動(dòng)處理軟件，量化統(tǒng)計(jì)混凝土內(nèi)部氣孔和基體的體積比例。為準(zhǔn)確獲得硬化混凝土內(nèi)部的氣孔特性，樣品經(jīng)歷了比較復(fù)雜的處理工序，如切割、磨平、拋光（400～2000目砂紙）、超聲波清洗、對(duì)比填充和著色等。此外，為提高硬化氣孔參數(shù)與抗凍試驗(yàn)之間關(guān)聯(lián)結(jié)果的可靠性，無(wú)論是室內(nèi)試驗(yàn)還是工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)體取芯，樣品均由100mm×100mm×400mm試件中切割而來(lái)見(jiàn)圖2。根據(jù)氣孔統(tǒng)計(jì)結(jié)果，典型測(cè)試結(jié)果如圖3所示，可計(jì)算混凝土的硬化含氣量。

圖1 RapidAir457硬化混凝土氣孔參數(shù)測(cè)試儀

圖2 硬化氣孔參數(shù)測(cè)試的取樣部位

圖3 典型硬化氣孔分布曲線

3 結(jié)果討論分析

3.1 C25～C35混凝土的硬化含氣量和相對(duì)動(dòng)彈模量測(cè)試結(jié)果

為研究混凝土的硬化氣孔參數(shù)，共制備了7組C25 混 凝 土（06C25、11C25、17C25、23C25、32C25、39C25和 45C25）、6組 C30混凝土（11C30、22C30、29C30、41C30、53C30和 57C30）和 5組 C35混凝土（12C35、21C35、31C35、40C35和52C35）。配合比見(jiàn)表1，其中引氣劑和消泡劑的濃度均為1%。

表1 C25～C35混凝土的配合比 kg/m3

所有混凝土的硬化含氣量及相對(duì)動(dòng)彈模量如表2所示。以C25混凝土為例進(jìn)行抗凍性分析發(fā)現(xiàn)，25次凍融循環(huán)試驗(yàn)后，相對(duì)動(dòng)彈模量為61%～98%，均大于60%，說(shuō)明所有混凝土的抗凍等級(jí)均能滿足F25抗凍等級(jí)的相關(guān)要求。相對(duì)動(dòng)彈模量隨硬化含氣量的增加而變大。即同強(qiáng)度等級(jí)條件下，提高硬化含氣量可改善混凝土的抗凍性能。可見(jiàn)，當(dāng)C25混凝土的硬化含氣量在0.5%以上時(shí)，即可滿足F25的抗凍等級(jí)需求。

表2 C25～C35混凝土的硬化含氣量和相對(duì)動(dòng)彈模量

50次凍融循環(huán)試驗(yàn)后，個(gè)別混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模量已不足60%，如0.6%和1.1%硬化含氣量下混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模量分別為30%和46%，表明C25混凝土的硬化含氣量在1.1%及其以下時(shí)，不能滿足F50抗凍等級(jí)的相關(guān)需求。當(dāng)硬化含氣量提升至1.7%～4.5%之間時(shí)，相對(duì)動(dòng)彈模量為69%～98%，仍超過(guò)了60%。可見(jiàn)，對(duì)于C25混凝土而言，滿足F50抗凍等級(jí)需求的硬化含氣量應(yīng)在1.1%～1.7%之間。

75次凍融循環(huán)試驗(yàn)后，1.7%～4.5%硬化含氣量范圍內(nèi)，混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模量為54%～97%。除1.7%含氣量下混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模量不足60%外（54%），其余混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模量均超過(guò)60%（含氣量2.3%～4.5%），說(shuō)明滿足F75抗凍等級(jí)C25混凝土的硬化含氣量在1.7%～2.3%之間。100次凍融循環(huán)試驗(yàn)后，2.3%～4.5%硬化含氣量范圍內(nèi)，混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模量為53%～97%。2.3%和3.2%硬化含氣量條件下混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模量分別為53%和68%，說(shuō)明滿足F100抗凍等級(jí)的C25混凝土的硬化含氣量在2.3%～3.2%之間。

同理C30混凝土F25、F50、F75、F100抗凍等級(jí)的硬化含氣量分別為1.1%以上、1.1%～2.2%之間、1.1%～2.2%之間和2.2%～2.9%之間。C35混凝土情況相對(duì)特殊，1.2%硬化含氣量條件下，抗凍等級(jí)能夠達(dá)到F75以上，而在100次凍融循環(huán)后，相對(duì)動(dòng)彈模量降至37%，不足60%。但硬化含氣量提升至2.1%時(shí)，相對(duì)動(dòng)彈模量超過(guò)了60%，為62%，說(shuō)明F100抗凍等級(jí)的硬化含氣量應(yīng)在1.2%～2.1%之間。

3.2 混凝土硬化含氣量與相對(duì)動(dòng)彈模量的關(guān)聯(lián)性

若要建立溫和地區(qū)低抗凍等級(jí)混凝土硬化含氣量的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，必先弄清滿足特定抗凍等級(jí)要求的臨界硬化含氣量，如何建立硬化含氣量與混凝土凍融損傷進(jìn)程的定量關(guān)聯(lián)當(dāng)屬重中之重。傳統(tǒng)抗凍性檢驗(yàn)只是對(duì)具體混凝土配合比或結(jié)構(gòu)混凝土開(kāi)展抗凍等級(jí)試驗(yàn)，進(jìn)而得出滿足或不滿足要求等結(jié)論，而缺少特定凍融循環(huán)次數(shù)后硬化含氣量差異導(dǎo)致?lián)p傷進(jìn)程變化的相關(guān)描述。混凝土抗凍試驗(yàn)通常會(huì)測(cè)得相對(duì)動(dòng)彈模量和質(zhì)量損失兩個(gè)技術(shù)指標(biāo)，受混凝土凍融破壞特點(diǎn)的影響，相對(duì)動(dòng)彈模量比質(zhì)量損失更能定量表達(dá)混凝土的受凍損傷歷程。如劉崇熙、劉志勇等［5，6］均發(fā)現(xiàn)相對(duì)動(dòng)彈模量能夠定量反應(yīng)不同凍融循環(huán)次數(shù)時(shí)混凝土的損傷程度，并分別采用指數(shù)函數(shù)模型和冪函數(shù)模型表征相對(duì)動(dòng)彈模量與凍融循環(huán)次數(shù)之間的定量關(guān)聯(lián)。劉良林等［7］研究了相對(duì)動(dòng)彈模量與入模含氣量之間的定量關(guān)聯(lián)，并提出了能夠反應(yīng)二者關(guān)系的二階多項(xiàng)式模型。可是，尚未見(jiàn)混凝土硬化含氣量與相對(duì)動(dòng)彈模量之間定量關(guān)聯(lián)的相關(guān)報(bào)道，它是建立臨界硬化含氣量的重要依據(jù)，尚需深入探索分析。

由表2可知，25～100次凍融循環(huán)后，C25～C35混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模量普遍隨硬化含氣量增加而增加，在較低硬化含氣量水平時(shí)（≤2.0%），相對(duì)動(dòng)彈模量增加幅度較大，進(jìn)一步提升硬化含氣量，相對(duì)動(dòng)彈模量增幅放緩。考慮到相對(duì)動(dòng)彈模量隨硬化含氣量的變化趨勢(shì)與對(duì)數(shù)函數(shù)曲線比較相似，特采用對(duì)數(shù)函數(shù)擬合了相對(duì)動(dòng)彈模量與硬化含氣量之間的相關(guān)性。C25混凝土的對(duì)數(shù)函數(shù)擬合結(jié)果如圖4所示。25次循環(huán)、50次循環(huán)、75次循環(huán)和100次循環(huán)后相對(duì)動(dòng)彈模量與硬化含氣量均呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系。相關(guān)系數(shù)平方R2為0.8997～0.9805，相關(guān)性較好。與C25混凝土相似，C30混凝土和C35混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模量也與硬化含氣量呈較好的對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，擬合結(jié)果匯總?cè)绫?所示。C30混凝土擬合相關(guān)系數(shù)的平方R2為0.9060～0.9750，C35混凝土擬合相關(guān)系數(shù)的平方R2為0.8885～0.9739，相關(guān)性總體較好。

圖4 C25混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量與硬化含氣量的對(duì)數(shù)函數(shù)擬合結(jié)果

表3 相對(duì)動(dòng)彈模量與硬化含氣量的相關(guān)性分析

3.3 F50和F100抗凍等級(jí)條件下C25～C35混凝土硬化含氣量的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)研究

為推進(jìn)應(yīng)用硬化氣孔參數(shù)檢驗(yàn)已建工程混凝土的抗凍性，對(duì)硬化含氣量的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了深入研究。按照DL/T 5150-2017《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定，特定凍融循環(huán)次數(shù)后，當(dāng)混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模量降至60%及其以下時(shí)，視為混凝土已受凍破壞。據(jù)此可將60%的相對(duì)動(dòng)彈模量作為混凝土受凍破壞的臨界狀態(tài)，考慮到硬化含氣量變化對(duì)混凝土抗凍性能的影響應(yīng)是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程，60%相對(duì)動(dòng)彈模量對(duì)應(yīng)的硬化含氣量就是混凝土是否受凍破壞的臨界硬化含氣量。根據(jù)此臨界值確定標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合上述C25～C35混凝土的對(duì)數(shù)函數(shù)表達(dá)式，計(jì)算了F25～F100抗凍等級(jí)條件下混凝土的臨界硬化含氣量。臨界硬化含氣量的計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?所示，可見(jiàn)，C25混凝土的臨界硬化含氣量為0.5%～2.4%，C30混凝土的臨界硬化含氣量為0%～2.4%，C35混凝土的臨界硬化含氣量為0%～2.0%。對(duì)數(shù)函數(shù)擬合表達(dá)式是一種缺少物理意義的數(shù)學(xué)關(guān)系式，臨界硬化含氣量只能是實(shí)測(cè)區(qū)間內(nèi)的插值，而不能是外延值。具體而言，當(dāng)C25、C30、C35混凝土的臨界硬化含氣量分別低于0.6%、1.1%和1.2%時(shí)，均屬無(wú)效結(jié)果。

表4 C25～C35混凝土的臨界硬化含氣量 %

鑒于溫和地區(qū)混凝土的設(shè)計(jì)抗凍等級(jí)一般為F50和F100，接下來(lái)只針對(duì)這2個(gè)抗凍等級(jí)進(jìn)行討論。對(duì)于F50抗凍等級(jí)而言，C25、C30、C35混凝土的計(jì)算臨界硬化含氣量分別為1.4%、1.1%、0.5%，1.4%在C25混凝土實(shí)測(cè)硬化含氣量0.6%～4.5%之間，1.1%在C30混凝土實(shí)測(cè)硬化含氣量1.1%～5.7%之間，可作為臨界硬化含氣量。而0.5%小于C35混凝土實(shí)測(cè)硬化含氣量區(qū)間的下限1.2%，為無(wú)效結(jié)果。考慮強(qiáng)度等級(jí)由C30提高至C35后，相同硬化含氣量條件下混凝土的抗凍性略有提高，硬化含氣量的控制標(biāo)準(zhǔn)可適當(dāng)降低，即≤1.1%。因此，確定F50抗凍等級(jí)條件下C25、C30和C35混凝土的硬化含氣量控制標(biāo)準(zhǔn)，分別不低于1.4%、1.1%和1.1%。同理F100抗凍等級(jí)條件下C25、C30、C35混凝土的計(jì)算臨界硬化含氣量分別為2.4%、2.4%、2.0%，均在各自實(shí)測(cè)硬化含氣量的區(qū)間范圍內(nèi)，符合插值法選定臨界限值的基本準(zhǔn)則，同時(shí)可作為抗凍性檢驗(yàn)控制標(biāo)準(zhǔn)。

3.4 F50和F100混凝土硬化含氣量工程驗(yàn)證

驗(yàn)證已建工程硬化混凝土含氣量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的有效性，特在揚(yáng)州市某泵站工程現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展試驗(yàn)。整個(gè)試驗(yàn)全面按照實(shí)際施工流程進(jìn)行，通過(guò)控制入模含氣量見(jiàn)圖5，制備了6個(gè)尺寸約為600mm×600mm×1500mm見(jiàn)圖6、硬化含氣量梯度設(shè)計(jì)的混凝土澆筑塊。再在澆筑塊上取芯切割成100mm×100mm×400mm標(biāo)準(zhǔn)尺寸，同時(shí)制作100mm×100mm硬化氣孔參數(shù)的觀測(cè)試塊，切割部位和方法與室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)相同。

圖5 入模含氣量測(cè)試

圖6 工程現(xiàn)場(chǎng)制備的澆筑塊

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)制備試件，測(cè)得的硬化含氣量和抗凍等級(jí)如表5所示，對(duì)于C25、C30、C35這3種強(qiáng)度等級(jí)混凝土，硬化含氣量均滿足上述檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，并略高于臨界值，經(jīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取得芯樣進(jìn)行抗凍等級(jí)測(cè)試，所有試件均能滿足相應(yīng)抗凍等級(jí)的相關(guān)要求。表明所提出的硬化含氣量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)比較適合F50和F100抗凍等級(jí)，具有較強(qiáng)的實(shí)用性，可在溫和地區(qū)類(lèi)似水工混凝土工程中推廣應(yīng)用。

表5 現(xiàn)場(chǎng)制備試件的硬化含氣量和抗凍等級(jí)測(cè)試

4 結(jié)語(yǔ)

（1）25～100次凍融循環(huán)時(shí)，C25、C30和C35混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模量與硬化含氣量呈對(duì)數(shù)相關(guān)關(guān)系。

（2）對(duì)于已建工程C25、C30和C35混凝土的抗凍性檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，建議F50設(shè)計(jì)抗凍等級(jí)的硬化含氣量應(yīng)分別不低于1.4%、1.1%和1.1%；F100設(shè)計(jì)抗凍等級(jí)的硬化含氣量應(yīng)分別不低于2.4%、2.4%和2.0%。

（3）揚(yáng)州市某泵站的現(xiàn)場(chǎng)取芯試驗(yàn)表明，所提出的硬化含氣量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)能夠滿足溫和地區(qū)已建工程水工混凝土的抗凍性檢驗(yàn)需求，可在類(lèi)似工程中推廣應(yīng)用。