宋永嘉，李扶政，张宪雷，陈晓宇，李智睿

（华北水利水电大学水利学院，河南 郑州 450046）

0 引言

西北地区气温每年约有1/3的时间处于零度以下，低温环境下混凝土施工难度大、技术要求复杂。处于初凝或养护期混凝土易于出现早冻现象导致混凝土损伤，进而影响混凝土使用寿命和建筑物内部结构安全。因此，对不同配合比下早冻混凝土的耐久性以及服役寿命年限进行研究并获得利于工程施工的混凝土配合比，对实际工程施工具有一定的指导意义。

查询相关研究成果显示，巴恒静等研究了不同受冻条件下，不同配比混凝土冻后产生的冻胀应力规律；乔宏霞等探究了不同冻融情况下混凝土的受损原因，并运用评价参数法来反映混凝土的耐久性；刘娟红等研究了盐侵-干湿作用下由荷载引起混凝土损伤的劣化规律，构建了初始损伤混凝土的腐蚀受荷损伤模型，揭示了初始损伤混凝土微结构的损伤机制。虽然上述研究分析了混凝土受冻损伤原因，但大部分针对初始混凝土研究，并未对因早期养护条件不当而产生损伤的早冻混凝土展开深入研究，尤其是对不同配合比下的早冻混凝土相关性能以及服役年限研究较少。

通过改变早冻混凝土配合比中水胶比和粉煤灰掺量的大小，展开了早冻混凝土在服役过程中的抗冻耐久性（质量损失率、孔隙率和抗压强度）衰减规律试验性研究并进行了寿命预测，提出了一种适用于低温环境施工的混凝土配合比，为早冻混凝土更好地应用于实际工程提供一定的参考。

1 试验概况

1.1 材料及配合比

试验选用水泥级配为PO42.5，粗骨料粒径为5～25 mm，细骨料为II区中砂天然河沙（含泥量为1.80%，吸水率为1.30%），pH值为6.70的自来水和RD-N型减水剂。选取水胶比和粉煤灰（国标二级）作为试验变量参数，混凝土材料配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比表

1.2 冻融循环试验

室内盐冻试验按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》执行，每冻融循环25次，测试试件的耐久性数据，操作步骤如下：①试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体，浇筑完成后养护3.50 h，把试件放置于温度恒定（-10℃）的试验箱6 h，之后进行按规范养护28 d。②试件从养护室取出后放入20℃±2℃的3.50%NaCl+5%Na2SO4溶液中浸泡，在冻融溶液中浸泡4 d。试件取出用抹布擦拭后，称得初始质量W0；测试试件的初始动弹性模量Ed0、孔隙率和抗压强度。③初始数据测量结束后进行室内冻融循环试验，并在冻融试验盒（110 mm×110 mm×480 mm）中加入复合盐溶液，溶液与冻融机中的防冻液水位保持一致，两者水位均在试件顶部5 mm，溶液采用NaCl（3.50%）+Na2SO4（5%）。④每循环25次，测量步骤②中的相关数据。

2 混凝土耐久性分析

冻融循环次数进行至150次时，A3、B1和B2组试块发生破坏；进行至200次时，A2组试块发生破坏，故此次混凝土耐久性分析主要针对前150次冻融循环。

2.1 质量损失率

不同冻融次数下，对5组早冻混凝土试块进行质量测量，见表2。

表2 质量损失率表

表2表明，对于水胶比不同的3组试件而言，质量损失率由大到小分别为A3、A2和A1，其值分别为4.62%、4.30%和0.80%，随着水胶比的增大，混凝土的抗冻性能下降，抗冻性能最好的是水胶比为0.35的A1组试件。

对于粉煤灰掺量不同的3组试件而言，质量损失率由大到小分别为A3、B2和B1，其值分别为4.62%、3.50%和3.14%。由上可得，粉煤灰含量越高，质量损失率越大，掺入一定量的粉煤灰时，粉煤灰会取代部分水泥从而减少水泥的部分水化物，导致泥浆与骨料间联结薄弱，使混凝土抗冻性能有所降低。

2.2 孔隙率

在不同冻融次数下，对5组早冻混凝土试块分别进行了孔隙率测试，见图1。

图1 冻融循环下孔隙率变化曲线图

由图1可知，3组水胶比不同的试件孔径分布呈现为单波峰分布，T2谱面积最大的为A3组试件，其次为A2组，最小的为A1组。50次冻融循环后，A2和A3组试件相较于A1组试件而言，孔隙率变化较大，主峰开始向大孔区转移，A3组试件孔隙数量明显增多。100次冻融循环后，A1组试件内部孔隙分布仍比较稳定，A2和A3组试件孔径和数量均继续增大，主峰已移至大孔区，A3组试件外部已损伤较为严重。150次冻融循环后，A3组试件发生破坏。上述结果表明水胶比可对混凝土内部孔隙结构产生较大影响，水胶比越大，T2谱面积越大，内部空隙及损伤就越严重。

混凝土试件经150次冻融后，3组不同粉煤灰掺量的早期受冻混凝土试件（A3、B1和B2）在150次冻融循环后均发生破坏。由图1可知，B1、B2和A3三组早冻混凝土，孔径分布大多呈现单波峰分布，整体上T2谱面积由大到小分别为B2、B1和A3。起初三组试件孔径分布比较集中，都位于小孔侧，50次冻融循环后三组试件T2谱面积开始增加，A3和B1组试件主峰位于较小孔侧，B2组试件孔隙数量急剧增多，孔径波峰也移至大孔区。100次冻融循环后，三组试件T2谱面积继续增加，A3和B1组试件孔径发展为较大孔，B2组试件已出现多害孔。上述结果表明，一定范围内，粉煤灰掺量较少的试件孔隙数量更多，孔径分布更大；粉煤灰掺量较多的试件，孔隙数量较少，小孔数量居多，内部结构也相对密实。

2.3 抗压强度

在不同冻融次数下，对5组混凝土试块分别进行了抗压强度试验，见图2。

图2 抗压强度图

图2展示了混凝土试件抗压强度的变化规律。对于水胶比不同的A1、A2和A3组试件而言，初始抗压强度由大到小分别为A1、A2和A3，其值分别为35.50 MPa、26.40 MPa和19.40 MPa。3组试件在冻融循环初期，抗压强度下降较慢，之后水胶比较大的两组试件（A2和A3）抗压强度下降较快。在冻融150次后，较初始抗压强度相比，A1、A2和A3组分别下降至初始抗压强度的75.10%、72.50%和71.10%，由上可知，抗冻性能最好的是水胶比最小的A1组试件。

对于粉煤灰掺量不同的B1、B2和A3组试件而言，初始抗压强度由大到小分别为B1、B2和A3，其值分别为22.56 MPa、20.20 MPa和19.40 MPa。3组试件随着冻融循环的进行，下降速率逐渐增大，但在75次冻融循环后，A3和B2组试件较B1组试件下降速率稍有放缓。在冻融150次后，较初始抗压强度相比，B1、B2和A3组分别下降至初始抗压强度的66.00%、66.90%和71.10%，由上可知，综上可知，当混凝土掺入一定范围内的粉煤灰时，虽不利于混凝土的初期强度，但随着冻融次数增加，粉煤灰对混凝土后期（75次冻融循环对应的时间）抗冻性能的提升十分明显，提高了混凝土抗冻耐久性。

3 威布尔模型寿命预测

关于混凝土寿命的预测，现阶段最常使用的概率模型有正态、对数正态和威布尔三种。在耐久性分析中，前两者的相对于威布尔模型而言，适用范围和灵活程度较差，无法较好地模拟材料的各种失效状态。而威布尔分布其处理较为简单，可适用于多种情况并有良好的灵活性，与前两种模型相比，并不需要较为苛刻的样本容量，可以在少量的数据中预测出较为准确的结果，因此被广泛应用于混凝土材料相关的力学性能中。

将所得参数代入Y=bX+C，可分别得出在不同水胶比或粉煤灰掺量的混凝土在冻融作用下各试块对应的威布尔分布寿命预测模型。以D（n）为冻融n次循环后的混凝土损伤度，根据混凝土相关变量的计算公式，得出可靠性函数R（n）=1-D（n），回归分析本次选取常用的最小二乘法。线性回归结果见表3。

表3 线性回归结果表

由表3可得，拟合相关系数R2均大于0.94，各指标间相关性良好，表明采用此模型进行混凝土寿命预测是可行的。

根据规范，R（n）=0.60时混凝土失效。代入上式，得到NA1=1 602次，NA2=796次，NA3=536次，NB1=406次，NB2=485次。

将以上结果带入式（1）混凝土使用寿命计算公式：

式（1）中：T-混凝土的使用寿命（a）；e-冻融比例系数，取12；N-冻融循环次数；M-实际一年经历的冻融次数，西北地区取118次/a。

通过计算，预测五组早冻混凝土试块安全运行年份分别为TA1=163 a，TA2=80 a，TA3=54 a，TB1=41 a，TB2=49 a。整体寿命预测结果与所测力学性能结果相符合，验证了威布尔模型的准确性。

4 结论

①改变配合比，混凝土内部孔隙分布及力学性能差异较大；较小水胶比的混凝土耐久性显著提升；在一定范围内，适当掺入粉煤灰可在一定程度上改善混凝土后期耐久性。②试验结果显示，威布尔拟合相关系数R2均大于0.94，各指标间相关性良好，表明通过此模型进行混凝土寿命预测是可行的。根据寿命预测结果，A1组混凝土（较小水胶比、较大粉煤灰掺量）安全运行年份最长，为163 a。③为改善早冻混凝土的耐久性，根据试验研究结果，建议其配合比中的水胶比选为0.35，粉煤灰掺量选为20%。