李沛 ，魏连雨 ，王娜

（1.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222；2.河北工业大学，天津 300401）

0 引言

大量的工程病害已经表明，我国混凝土结构存在“南锈北冻”的耐久性破坏特征。位于北方地区的混凝土结构，在运营一段时间后，经常出现由于冻融循环作用导致混凝土保护层剥落、钢筋外露等现象。在我国北方地区，冬季海港及海水建筑物，水位变动区附近的混凝土遭受非饱水状态下的单面冻融循环破坏作用。

然而，GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》[1]在评价混凝土处于单面不饱水盐溶液冻融情况下的抗冻性能时，评价指标不明确。鉴于目前混凝土抗冻机理研究仍不完善的研究现状[2]，评价指标不明确很可能导致人们对混凝土单面抗冻性能做出不一致的评价。本文以盐溶液中冻融作为试验条件，研究混凝土单面冻融劣化过程中超声波相对动弹性模量、单位表面剥落物、冻融循环次数的劣化规律，为混凝土单面冻融劣化评价指标的确定提供参考。

1 试件设计

1.1 设计条件

混凝土试块设计条件为：1）一般港口工程结构混凝土，安全等级为二级；2）永久性港口建筑物，设计使用年限为50 a；3）天津地区，混凝土结构码头，海水环境，最冷月月平均气温-4～-8℃；4） 浪溅区、水位变动区混凝土；5） 混凝土强度等级为C30～C50；6） F300抗冻混凝土。

1.2 设计配合比

考虑上述设计条件，按照JTS 202—2011《水运工程混凝土施工规范》相关规定，确定混凝土试块配合比如表1。

其中，水泥为河北盾石P.O42.5普通硅酸盐水泥；细骨料为绥中河砂，细度模数2.9；粗骨料产自天津蓟县，连续级配5～20 mm；减水剂为江苏博特生产氨基磺酸盐系高效减水剂CAN，减水率约25%；引气剂为秦皇岛PC-2型；拌和用水采用天津饮用水。

表1 混凝土配料单Table 1 Concrete batching sheet

2 试验概况

2.1 试块制作

按表1混凝土配料单，依据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》[1]每个配比成型2组共10块混凝土试块。试块制作过程如下：

1） 在150 mm×150 mm×150 mm立方体试模正中间垂直插入1片150mm×150mm×2mm聚四氟乙烯片，按照抗冻等级要求，成型混凝土试块；试块成型后，带模自然养护（24±2）h，然后将试块脱模并置于（20±2）℃水中养护至7 d龄期。

2）在水中养护至7 d龄期后，使用混凝土切割机切除40 mm厚试块成型面，放置于试块正中间的聚四氟乙烯片将试块分成2个尺寸为150mm×110 mm×75 mm（±2 mm）的试块，其中接触聚四氟乙烯片的面即为试验测试面。

3） 将试验试块放置于温度（20±2）℃、相对湿度（65±5）%的实验室中干燥至25 d龄期，清洁试块，将试块除测试面和与测试面平行的顶面外的其他侧面采用环氧树脂进行密封。试块密封后，继续在实验室中干燥至28 d龄期。

2.2 冻融循环制度

试验选用北京首瑞测控技术有限公司生产的CDF-10B型混凝土单面冻融试验机。一次冻融循环为12 h：冻融循环从20℃开始，以（10±1）℃/h的速度均匀降至-（20±1）℃，并持续3 h；然后从-20℃开始，以（10±1）℃/h的速度均匀升至（20±1）℃，并持续1 h。

每4个冻融循环，在（20±2）℃的恒温室中测试1次试块的剥落物质量和超声波相对传播时间[2]。试验腐蚀介质为取自天津港的海水，经试验室检测，NaCl的浓度为3.5%。

2.3 试验终止条件

当冻融循环出现下列情况之一时，可停止试验：1） 达到28次冻融循环；2） 试块单位表面面积剥落物总质量大于1 500 g/m2；3） 试块的超声波相对动弹性模量降低到80%。

3 试验结果及分析

3.1 试块单面冻融性能分析

为便于分析，分别计算各组试块单位表面剥落物总质量损失率和超声波相对动弹性模量损失率（图1、图2）。从试验结果可以看出：

图1 质量损失率试验结果Fig.1 Test resultsofmass loss rate

图2 超声波相对动弹性模量损失率试验结果Fig.2 Test resultsof ultrasonic relative dynam ic elastic modulus loss rate

1） 试块抗冻设计等级为F300，所有试块均因达到28次冻融循环而终止试验。所以，若以试块单位表面面积剥落物总质量大于1 500 g/m2或超声波相对动弹性模量降低到80%作为单面冻融损伤极限判据，F300混凝土试块应能满足28次单面冻融循环要求。据此推算，天津港1 a的自然冻融循环次数约为82次[3]，以水工建筑物设计使用年限50 a计，室内1次单面冻融相当于自然条件下146次单面冻融。

2）众所周知，在一定范围内降低水胶比和提高含气量，可有效改善混凝土的抗冻性。水胶比是混凝土设计的一个重要参数，它的变化影响混凝土可冻水的含量，水胶比越小，抗冻性越好。而含气量越高，混凝土的抗冻性越好。如表1所示，C30～C50混凝土水胶比从0.40～0.33依次减小，而含气量从5%～7%依次增大。从测试的结果来看，各组试块的单面抗冻性未表现出明显差异，符合本文混凝土试块设计特征。

3.2 评价指标比较

鉴于各组试块的单位表面剥落物总质量损失率和超声波相对动弹性模量损失率比较结果基本相同，限于篇幅原因，本文仅列出C30和C50比较结果（图3、图4），得到如下结论：

1）现已经有很多假说解释混凝土的冻融破坏机理[4-5]。实际上，混凝土冻融破坏时可能是各种假说破坏作用综合所致。超声波相对动弹性模量损失率、单位表面剥落物总质量损失率都能反映混凝土结构的劣化。

2）超声波相对动弹性模量损失率可在无损检测状态下反映混凝土内部劣化的总体发展趋势，单位表面剥落物总质量损失率则反映混凝土在冻融破坏过程中的表面剥落情况。在现场检测中，往往无法准确测得剥落物质量，所以，单位表面剥落物总质量损失率很难反映实体混凝土的冻融破坏程度。

3）对于抗冻性较好的混凝土试块，其超声波相对动弹性模量损失率和单位表面剥落物总质量损失率都较小，同时，试块直至冻融循环结束也未出现明显的表面剥落现象。所以，对于抗冻性较好的混凝土，单位表面剥落物总质量损失率很难准确反映混凝土冻融劣化过程。

4）在冻融过程中，超声波相对动弹性模量损失率明显大于单位表面剥落物总质量损失率，且其变化程度更为明显，所以，超声波相对动弹性模量损失率比单位表面剥落物总质量损失率更为敏感，可敏感地反映混凝土冻融破坏状况。

图3 C30评价指标比较Fig.3 Comparison of C30 evaluation index

图4 C50评价指标比较Fig.4 Com parison of C50 evaluation index

4 结语

1） 按照JTS 202—2011《水运工程混凝土施工规范》相关规定设计的F300混凝土试块能满足28次单面冻融循环要求。据此推算，以水工建筑物设计使用年限50 a计，室内1次单面冻融相当于天津港自然条件下146次单面冻融。

2）在现场检测中，往往无法准确测得混凝土表面剥落数据，所以，单位表面剥落物总质量损失率很难反映实体混凝土的冻融破坏程度。

3）超声波相对动弹性模量损失率明显大于单位表面剥落物总质量损失率，且其变化程度更为明显，所以，超声波相对动弹性模量损失率比单位表面剥落物总质量损失率更为敏感地反映混凝土冻融劣化状况。

[1]GB/T 50082—2009，普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准[S].GB/T 50082—2009,Standard for testmethodsof long-term performanceand durability ofordinary concrete[S].

[2] 王久立，王丹江.混凝土的冻融研究现状[C]//高性能混凝土的研究与应用——第五届全国高性能混凝土学术交流会论文.北京：《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社，2004：350-356.WANG Jiu-li,WANG Dan-jiang.Research status of concrete freeze-thaw[C]//Research and application of high performance concrete:Proceedings of the 5th national academic exchange of high performance concrete.Beijing:China Academic Journal(CD)Electronic PublishingHouse,2004：350-356.

[3]林宝玉，蔡锐华.海港工程混凝土和钢筋混凝土耐久性技术指标的确定[J].水运工程，1982（2）：50-54.LIN Bao-yu,CAIRui-hua.Determine the durability index of marine concrete and reinforced concrete[J].Port&Waterway Engineering,1982（2）：50-54.

[4]黄士元.混凝土的抗冻性及其试验方法[J].混凝土及加筋混凝土，1983（2）：2-9.HUANGShi-yuan.Concrete freezing resistanceand its testmethod[J].Concreteand Reinforced concrete,1983(2):2-9.

[5] FAGERLUNDG.Equations for calculating themean free distance between aggregates particles or air pores in concrete[J].CBIResearch,1997(8).