抗凍劑對T梁混凝土抗凍性能的影響測試研究

陳志強 黃靈色

摘要 文章以某高原地區橋梁項目為工程背景，以實驗室模擬測試的方法，圍繞養護方法、抗凍劑類型、抗凍劑含量對C50T梁混凝土的抗凍性能影響進行了測試研究。結果表明，摻JB-1型抗凍劑的混凝土其抗凍性能優于摻HD型抗凍劑的混凝土，因此在同類條件地區進行混凝土T梁建設時，建議使用含量為1.50%的JB-1型抗凍劑。

關鍵詞 T梁混凝土；抗凍劑；標準養護；負溫養護；抗凍性能；測試研究

中圖分類號 TU528文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）09-0108-03

0 引言

混凝土抗凍性能是指在經過多次反復融凍循環后，仍能維持其原有性能的能力。在高原地區，混凝土結構多處在惡劣的負溫環境中，融凍循環頻繁，致使混凝土結構面臨十分嚴重的環境考驗。為了增強T梁混凝土的抗凍性能，可以通過添加抗凍劑來提高混凝土的持久性。這對于海拔平均高度在3 000 m以上、環境作用級別為D、晝夜溫差比較大的Ⅱ類環境地區尤其重要。該研究以實驗室模擬測試的方法，圍繞抗凍劑對T梁C50混凝土的抗凍性能的影響開展測試研究，以期為負溫環境下的T梁混凝土抗凍工程應用提供技術參考。

1 試件養護方法

測試環境條件為海拔3 000 m以上，環境作用級別為D的Ⅱ類環境地區，為此設計了3套試件養護制度。

（1）標準養護。脫模后，將試件置于溫度為20±2 ℃，濕度不低于95%的養護室內密封養護。

（2）變負溫養護。用保鮮膜將新拌和混凝土密封好，在室溫為20±2 ℃、濕度不低于95%的恒溫室中預養4 h，然后放入冷凍箱中，然后在?20±2 ℃冷凍箱中養護12 h，再放入20±2 ℃正溫環境下養護12 h，變負溫養護7 d后，再轉移到標準養護室養護。

（3）恒負溫養護。新拌和混凝土用保鮮膜密封，在室溫為20±2 ℃、濕度不低于95%的恒溫室中預養4 h，然后放入?20±2 ℃冷凍箱中進行負溫養護7 d，再轉移到標準養護室養護。養護溫度為?20 ℃，試件預養護和解凍時間4 h。

2 抗凍性測試方法

該測試使用的抗凍劑是JB-1型和HD型抗凍劑，都是硝酸鹽類抗凍劑。測試中，JZ為高效減水劑配制的混凝土，A1、A2、A3分別為JB-1抗凍劑含量為1.00%、1.50%、2.00%的混凝土，B1、B2、B3分別為A1、A2、A3的基于高效減水劑的HD型抗凍復配。

在混凝土融凍循環中，當外部溫度大于內部溫度時，內部的凍結部分會被融化，更多水分參與融凍循環，使混凝土狀態受到破壞。主要分為2個階段：

（1）凍結階段，試件箱內溶液凍結，借以模擬高原低溫環境下的結冰現象。

（2）融化階段，試件箱中的溶液融化，試件浸泡在溶液中，借以模擬環境溫度開始上升，冰凍進入融化階段。

這2個階段構成1個循環過程，一般在2～4 h內完成。經過數次循環后，可以達到所模擬的負溫融凍循環功效，經過融凍循環次數后，仍滿足要求的就是混凝土的抗凍級別[1]。

測試在混凝土快速融凍測試機上進行。每類配比成型試件12組，每組配備3個試件。試件規格為10 cm×

10 cm×40 cm，取每組試件的測試均值作為抗凍指標，每經50次融凍后觀察損傷，稱量試件質量，檢測試件的動態彈塑模量。當試件的相對動彈塑模量降低到60%，或者質量損失率達5%時，停止測試。動態彈塑模量按公式（1）進行計算：

Ed=13.244×10?4×WL3f 2/a4 （1）

式中，Ed——試件動彈塑模量（MPa）；W——試件質量（kg）；L——試件長度（mm）；a——試件正方形截面的邊長（mm）；f——試件的橫向振動基頻（Hz）。

相對動彈塑模量是指每次融凍循環后，試件的動彈塑模量與測試前同批試件的動彈塑模量之比，按公式（2）進行計算：

式中，Ed0——初始動彈塑模量（MPa）；Edn——第n次循環的動彈塑模量（MPa）；Ei——第i次循環的相對動彈塑模量。

質量損失率計算公式：

式中，Woi——試件第i次循環的初始質量（g）；Wni——第i個試件第n次循環后的質量（g）；ΔWnt——第i個試件第n次循環后的質量損失率（%）。

3 養護方法對T梁混凝土的抗凍性能影響

3.1 對質量損失的影響

測試獲得的C50T梁混凝土質量損失結果顯示：在標準養護條件下，抗凍劑含量為1.00%時，隨著養護溫度的降低，混凝土質量損失對應增加，與變負溫條件下的質量損失率相比，A1組和B1組試件該值相差約0.30%；與JZ組相比，兩種抗凍混凝土的質量損失均比較小；在變負溫養護下，JZ組的質量損失比較大，達到2.81%。早期變負溫條件對混凝土功效發展影響較大，顯示養護條件對混凝土抗凍性能存在明顯影響。

當抗凍劑含量為1.50%時，兩組防凍混凝土在變負溫養護和標準養護下的質量損失比較小，都小于1.00%，抗凍組分和早強組分改善了混凝土的內部結構，一定程度降低了其液相水的冰點，從而形成良好的抗凍性能。與抗凍混凝土相比，JZ組的混凝土質量損失率降低了0.50%～1.00%。

當抗凍劑含量為2.00%時，在標準養護下，A組和B組抗凍試件的混凝土質量損失相對較小，其中的早強組分加速了水化產物的形成，改善了混凝土內部的微觀結構搭接，使混凝土結構變得更加緊密，從而形成良好的抗凍性能。

3.2 對相對動彈塑模量的影響

通過分析抗凍劑含量對相對動彈塑模量影響可知：當抗凍劑含量為1.00%、1.50%、2.00%時，不同養護制度下T梁混凝土抗凍性能顯著不同。加入少量抗凍劑以后，水化反應加快，生成了大量水化產物，使得混凝土的內部孔隙發生變化。液相水的冰點降低，可緩解結冰帶來的膨脹壓力，增強了抗凍性。在變負溫養護下，當抗凍劑含量高于2.00%時，混凝土抗凍性跟抗凍劑含量間呈負相關關系[2]。

4 抗凍劑類型的影響

4.1 對質量損失的影響

測試結果顯示，同種抗凍劑下，隨著抗凍劑含量的增加，混凝土的質量損失對應降低。標準養護下，質量損失率A組與B組相差1.00%，抗凍功效良好。早強組分產生的水化產物有效填充了結構孔隙，混凝土內部含氣量低，增強了混凝土的密實度。在變負溫養護條件下，A組試件的混凝土質量損失率比較小，分別降低了2.06%、1.91%和2.21%。B組試件在標準養護條件下，其質量損失率比較小，損失率隨劑量的增加而增加。變負溫條件下，抗凍劑含量1.50%時，混凝土的質量損失比較小。

4.2 對相對動彈塑模量的影響

測試結果表明，隨著融凍循環的增加，兩種混凝土的相對動彈塑模量呈現對應降低狀態。標準養護條件下，A組試件的相對動彈塑模量降低17.50%～20.00%，B組試件降低20.00%～26.00%；變負溫養護條件下，A組比初始的相對動彈塑模量降低23.00%～25.00%，B組降低22.00%～25.00%。彈塑模量受抗凍劑含量的影響十分明顯。標準養護條件下，隨著抗凍劑含量的增加，相對動彈塑模量越大，抗凍性相對越好。同等養護條件下，A組試件要低于B組試件的相對動彈塑模量降低速率，表明融凍對其產生了較大的破壞。變負溫養護條件下，兩種混凝土均大幅降低了相對動彈塑模量。防凍組分能使混凝土在負溫下繼續水化，但是低溫會導致水化變得不完全，從而影響了混凝土的相對動彈塑模量狀態[3]。

5 抗凍劑含量對混凝土抗凍性能的影響

5.1 對質量損失的影響

C50T梁混凝土28 d養護后開展抗凍性能測試。抗凍劑含量為1.00%、1.50%、2.00%的混凝土融凍循環以后，其質量損失率檢測結果見圖1。

圖1（a）曲線顯示，標準養護條件下，經過300次凍融循環后，混凝土的質量損失隨著循環次數的增加而增加，各組混凝土的質量損失率總體呈上升趨勢。JZ組試件的表面砂漿脫落，質量損失最大。JB-1抗凍劑含量為2%的試件其質量損失率最小，降低1.80%。JZ組試件經過300次融凍后，質量損失率比初始狀態下降2.30%；添加抗凍劑以后，質量損失率顯著降低。A3組的質量損失率比JZ組低0.60%，HD抗凍劑含量2.00%的試件的質量損失率比JZ組低0.50%。隨著抗凍劑含量的增加，質量損失率相應降低；JZ組試件的抗凍性最差，A3組試件的抗凍性最好。抗凍劑改善混凝土內部的孔隙結構，提高薄弱界面區的功效，可以明顯增強混凝土的凍融耐受性。

圖1（b）曲線顯示，在變負溫條件下經過300次循環以后，A組和B組試件的質量損失率均低于JZ組，表明抗凍劑增強了混凝土的密度，使膠凝體系不易被融凍侵蝕。抗凍劑含量為1.50%時，抗凍功效較好，其凍融300次以后的質量損失率降低1.91%，B1組試件次之，JZ組試件的質量損失率最大。A2組比JZ組的質量損失率降低0.90%，與相同循環次數下標準養護的試件相比，質量損失率增加了0.10%。B2組比JZ組的質量損失率降低0.80%，比標準養護試件提高0.10%。隨著融凍循環次數的增加，與水接觸的混凝土表面會逐步形成含冰層。當融凍帶來的凍脹力超過其極限抗拉能力時，含冰層就會脫落。

5.2 對動彈塑模量的影響

抗凍劑含量對混凝土動彈塑模量的結果如圖2所示。

由圖2（a）曲線顯示，在標準養護下經過300次融凍循環后，每組試件隨著融凍循環次數的增加，其相對動彈塑模量降低，但相對動彈塑模量都不小于75%。其中JZ組的相對動態模量最低，比初始狀態下降27.70%，A3組的相對動彈塑模量最高，比初始下降17.4%，比JZ組增長10.20%。B3組的相對動彈塑模量比JZ組增長了8.60%，相對于初始狀態下降了19.20%。由上述測試結果顯示，混凝土的相對動彈塑模量隨著抗凍劑含量的增加而增加；當抗凍劑含量不足時，混凝土密度會降低，內部結構會增加更多的間隙；抗凍劑的引氣成分催生更加細小、均勻、封閉的氣泡，用來吸收冰晶發展過程中所產生的凍脹力，減少凍脹引起的混凝土原有裂隙的擴展，以增強抗凍性。

由圖2（b）曲線顯示，變負溫養護條件下，經過300次融凍循環后，試件混凝土的動彈塑模量明顯受到抗凍劑比例的影響，其中JZ組的相對動彈塑模量變化最大，比初始情況下降29.70%，比標準養護下的試件降低了2.00%。內部界面的過渡區容易發生滲透壓，會在一定程度上增加砂漿的飽和度，使得混凝土呈現出抗凍性低的特點。抗凍劑含量為1.50%的A2組和B2組試件的相對動彈塑模量變化不大，主要是由于抗凍劑防凍組分降低了混凝土內部的液相水的冰點，防止了溶液凍結。早強組分跟水化產物Ca（OH）2發生化學反應，其產物能夠起到細化粒徑和孔徑的作用，彌補骨料界面與水泥漿體過渡區的微裂紋。當抗凍劑含量為1.50%時，相對動彈塑模量越大，則抗凍性越好，但當含量超出1.50%時，相對動彈塑模量會降低，抗凍劑過量會削弱混凝土結構之間的黏結力，從而在整體上削弱了試件抵抗凍脹能力[4]。

6 結語

T梁混凝土的抗凍性能測試結果顯示，在標準養護條件下，融凍循環次數增加，試件JZ組的混凝土質量損失率為2.32%。相比之下，A3組試件的質量損失率較低，且相對動彈塑模量更高。相同含量的A組試件的質量損失更低，相對動彈塑模量大于B組，由此可見，抗凍劑含量不同對混凝土抗凍性能影響明顯。負溫養護條件下，300次融凍循環后，防凍混凝土的動彈塑模量損失率和質量損失率均大于標準養護下的試件。摻JB-1型抗凍劑的混凝土，其抗凍性能優于摻HD型抗凍劑的混凝土，且抗凍劑含量為1.50%時，試件混凝土的抗凍性能表現最好，因此在同類條件地區進行混凝土T梁建設時，建議使用含量為1.50%的JB-1型抗凍劑。

參考文獻

[1]尹建. 養護制度對負溫混凝土溫度場及微觀性能的影響[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學， 2017.

[2]王夢雪. 低摻量防凍劑作用機理及其對混凝土性能的影響[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學， 2019.

[3]熊羽. 高原低溫環境下橋梁高性能混凝土的制備及性能研究[D]. 南京：東南大學， 2017.

[4]張豪杰. 摻復合防凍劑普通混凝土冬季施工質量檢測與試驗研究[D]. 蘭州：蘭州理工大學， 2012.