王勇斌 王莉丽 姜建民

（1.宝鸡市冯家山水库管理局 陕西 宝鸡 721300；2.西北农林科技大学水利与建筑工程学院 陕西 杨凌 712100）

冯家山灌区地处关中西部渭河北岸黄土塬区，地属温暖带大陆性半干旱气候，冻土深度为0.33m[1]。灌区农田灌溉、工业用水等一般采用明渠引水，冻融破坏是水工混凝土结构老化病害的主要原因之一，严重影响混凝土结构物的使用寿命和安全运行，影响了渠道的输水性能。要使渠道混凝土衬砌具有较高耐久性，必须保证混凝土具有较高的抗冻性。因此，研究渠道衬砌混凝土的抗冻耐久性具有重要意义。

灌区渠道改造的设计要求：渠道断面为梯形和弧底梯形两种形式，梯形渠道主要为干渠采用的断面形式：底板采用等厚15cm，坡板采用楔形板，底部15cm，顶部10cm，弧底梯形主要为支渠断面形式：全断面厚度10cm，混凝土强度标号为C15，抗冻标准为F50，抗渗等级为W4。

影响混凝土抗冻性能的因素有许多，本试验主要研究水胶比、粉煤灰掺量对衬砌渠道混凝土抗冻性能的单因素影响和综合影响。通过回归分析，建立水胶比、粉煤灰掺量与相对动弹性模量的二元线性回归方程。

1 试验研究

1.1 试验原材料

（1）水泥，采用P.O.42.5级“盾石”牌普通硅酸盐水泥，见表1。

（2）粉煤灰，采用Ⅱ级粉煤灰，户县电厂生产。

（3）砂，采用渭河中砂，细度模数2.8，砂率为38%。

（4）石，采用渭河河卵石，粒径5mm～10mm占45%，10mm～20 mm占55%。

（5）减水剂，山西凯迪外加剂厂生产。

（6）引气剂，山西凯迪外加剂厂生产，配成浓度为1.0%的溶液。

（7）水，拌制混凝土和试件养护用水采用自来水。

1.2 试验设计

混凝土的抗冻性主要取决于混凝土中的粉煤灰取代率、含气量、水胶比等因素[2]。通过多次试验数据分析混凝土抗冻性能与各影响因素的关系，找出能够满足冯家山灌区渠道衬砌混凝土抗冻要求的最优配合比方案，具体配合比试验如表2。

1.3 试验方法

本试验采用快速冻融试验，采用100mm×100mm×400 mm的棱柱体混凝土试件，以3块为1组。抗冻试验的试件采用标准养护（温度(20±3)℃，湿度大于95%），到达试验龄期的前4天，从标准养护室取出然后放在在温度为（20±3)℃的水中浸泡4天，快速冻融试验参照《水工混凝土试验规程》(SL352-2006)进行[3]，测得经过一定冻融循环次数后试件的动弹性模量和质量，然后计算试件的相对动弹性模量和质量损失率。

1.3.1 相对动弹性模量

相对动弹性模量可按（1）式计算，以3个试件试验结果的平均值作为测定值：

式中，Pn——n次冻融循环以后试件的相对动弹性模量，%；

f0——试件冻融循环前的自振频率，Hz；

fn——试件经过n次冻融循环以后的自振频率，Hz。

1.3.2 质量损失率

质量损失率可按（2）式计算，以3个试件试验结果的平均值作为测定值：

其中：Wn——n次冻融循环后试件质量损失率，%；

W0——冻融前的试件质量，g；

Wn——n次冻融后的试件质量，g。

2 试验结果及分析

2.1 试验结果

试件经过一定次数的冻融循环后，测其冻融后的质量和自振频率，然后计算相应的质量损失率和相对动弹性模量，试验结果如表3。

表1 水泥的主要物理性能

表2 混凝土抗冻试验配合比

表3 混凝土冻融循环试验结果

表4 相对动弹性模量与水胶比、粉煤灰掺量的二元线性回归表

图1 不同水胶比下，相对动弹性模量与冻融次数关系曲线

图2 不同粉煤灰掺量下，相对动弹性模量与冻融次数关系曲线

2.2 数据分析

2.2.1 水胶比对相对动弹性模量的影响

为了得到反映水胶比对试件相对动弹性模量的影响，单独考虑水胶比与相对动弹性模量之间的关系，经过100次冻融循环以后的水胶比与相对动弹性模量的关系曲线，如图1。

由图1水胶比与相对动弹性模量关系曲线可以看出，随着水胶比的增大，抗冻性呈下降趋势。水胶比小，混凝土微观结构密实，毛细孔含量少，因此毛细孔中可参与冻融破坏的自由水量就少。此外，低水胶比混凝土中的自由水很快被水泥水化反应消耗完，混凝土内部干燥，而且该混凝土非常密实，一旦产生硬化后，外部的水分很难进入，内部一直保持比较干燥状态，参与冻融破坏的水量就少，所以对于低水胶比的混凝土抗冻性能要好。本试验中，水胶比为0.55的试件抗冻性能比其他几个水胶比的试件抗冻性能要好，可能是由于本试验采用的引气剂对“盾石”水泥有一个最优掺量或由试验误差造成。

2.2.2 粉煤灰掺量对相对动弹性模量的影响

单独考虑粉煤灰掺量与相对动弹性模量之间的关系，经过100次冻融循环以后的粉煤灰掺量与相对动弹性模量的关系曲线，如图2。

由图2可以看出，随着粉煤灰掺量的增大，其抗冻性能不断的下降，对于掺量超过60%的混凝土，抗冻性能下降趋势比较显著。由于粉煤灰的火山灰反应比较慢，粉煤灰混凝土的早期强度发展也比较缓慢，因而粉煤灰混凝土的早期抗冻性能相比普通混凝土要差。

2.2.3 综合影响分析

由试验结果可知，相对动弹性模量随着水胶比、粉煤灰掺量的增大而减小，若将水胶比和粉煤灰掺量作为两个独立变量，可通过回归分析，建立相对动弹性模量与水胶比和粉煤灰掺量的二元线性回归方程[3]。

由表4的数据分析可得如下结论：

（1）c值相对稳定：表明在本试验条件和环境下，外界其他因素对混凝土抗冻性能的影响很小。

（2）a值变化越来越小：表明水胶比对混凝凝土冻融初期影响显著，后期影响程度越来越小。

（3）b值初期变化大，后期逐渐稳定：表明粉煤灰掺量对混凝土抗冻性能的影响在冻融初期显著，后期趋于稳定。

3 结论

（1）通过抗冻试验表明：水胶比和粉煤灰掺量的增大对混凝土的抗冻性能起到不利作用，当水胶比大于0.5，而且粉煤灰的掺量超过60%时，这种不利影响会更显著。

（2）通过对试验数据进行二元线性回归可知：水胶比和粉煤灰掺量与相对动弹性模量存在一定的线性关系；通过影响参数可知：水胶比和粉煤灰掺量对混凝土冻融初期影响较大，后期影响较小。陕西水利

[1]冯家山水库志.陕西人民出版社.2004.6。

[2]顾世安.混凝土抗冻耐久性试验分析[J].低温建筑技术，2009，（11）：10-11.

[3]中华人民共和国水利部.S L352－2006水工混凝土试验规程[S].北京:中国水利水电出版社,2006.