混凝土早期受冻损坏的机理（早期受冻对混凝土力学性能的影响研究）

摘 要：

秋冬季节，西北盐渍地区气温突降的情况时有发生，为探明早期受冻混凝土在冻融循环和盐离子侵蚀共同作用下的力学性能损伤规律及其机理，采用室内加速试验方法，观察了混凝土在经历4种养护龄期(1 h、3.5 h、8 h、24 h)和2种冻结温度(-5℃、-10℃)的早期受冻影响后，盐冻循环作用对混凝土试件的立方体抗压强度、相对动弹性模量、质量损失率以及损伤层厚度等指标值的影响规律，探讨了早期受冻混凝土力学性能损伤机理。结果表明：不同养护龄期的混凝土在冻融循环和盐离子侵蚀的共同作用下力学性能出现不同程度的损伤，其中，养护龄期处于初凝与终凝间的混凝土试件受早期受冻的影响最大；混凝土损伤层厚度与盐冻循环次数呈正相关关系，且损伤层厚度受冻结温度影响较小；与冻结温度相比，养护龄期对混凝土力学性能损伤的影响更大。相关研究可为相似环境下的混凝土结构优化设计与维护提供有益参考。

关键词：

混凝土;盐冻循环;养护龄期;劣化规律;损伤层;

作者简介：

徐存东(1972—),男，教授，博士，主要从事水利工程方面的研究。

*李欣达(1994—),男，硕士研究生，主要从事水工混凝土耐久性方面的研究。

基金：

国家自然科学基金资助项目(51579102);

“十三五”国家重点研发计划(2018YFC0406901);

河南省高校科技创新团队支持计划(19IRTSTHN030);

“中原千人计划”—中原科技创新领军人才支持计划(204200510048);

河南省高等学校重点科研项目计划(20A570006);

引用：

徐存东，李欣达，高懿伟，等． 早期受冻对混凝土力学性能的影响研究［J］. 水利水电技术( 中英文) ，2022，53( 7) : 154-161.

XU Cundong，LI Xinda，GAO Yiwei，et al． Study on the effect of early freezing on the mechanical properties of concrete［J］. Water Resources and Hydropower Engineering，2022，53( 7) : 154-161.

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0 引 言

冻融循环破坏和盐离子侵蚀均是引起寒冷地区混凝土结构耐久性下降的重要原因。在我国西北盐渍地区，秋末冬初、冬末春初时节经常会发生气温突降的情况，导致施工期未完全水化的混凝土遭受负温影响，即混凝土经历早期受冻作用，同时建筑结构会遭受一次或多次冻融破坏，加之这些地区的土壤和地下水中含有丰富的硫酸根离子和氯离子，会对工程结构造成盐离子和冻融循环共同破坏作用，使得结构的耐久性和承载能力在服役期大大下降，造成维护费用的增加，影响建筑物的安全平稳运行。例如，英格兰岛修建的高架桥快车道，由于遭受盐离子和冻融循环(盐冻循环)作用破坏，导致桥梁结构耐久性下降，修补费已相当于工程总投资的数倍；西北地区大多数混凝土结构的破坏也与盐冻循环有关。由此看来，开展早期受冻混凝土在盐冻循环作用下的力学性能变化规律和损伤破坏机理的研究十分重要。

国内外学者针对受盐离子侵蚀或冻融循环作用破坏的混凝土结构力学性能损伤规律展开了大量研究。胡晓鹏等从混凝土的宏观和微观性能方面研究了混凝土服役性能受起冻时刻(养护龄期)的影响规律及影响机理，结果表明起冻时刻对2.0 h受冻混凝土试块的服役性能影响最显著；寇佳亮等研究了不同浓度NaCl溶液对水泥基材料的抗冻性能的影响；王家滨等研究了硝酸侵蚀-冻融循环双重因素对寒冷地区喷射混凝土耐久性能的影响；CRAMMOND研究了硫酸根离子单独作用下的混凝土性能退化规律；BERNHARDT等和YI等通过试验发现了混凝土养护龄期是影响其服役期性能最重要的因素。众多学者针对影响混凝土耐久性的因素进行了研究，但针对混凝土在早期受冻作用和盐冻循环共同作用下的力学性能变化规律和损伤机理的研究较少，而混凝土是一种服役环境十分复杂的结构性材料，处于不同的服役环境，其力学性能以及表层损伤程度也大不相同。

鉴于此，本文结合宁夏盐环定扬黄工程节能增效关键技术研究与应用项目，依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)和《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002),采用快速冻融法和超声波平测法展开了早期受冻混凝土在盐冻循环作用下的力学性能损伤规律研究。相关研究可为相似环境下的混凝土结构的优化设计与维护提供重要参考。

1 试验设计

1.1 原材料与配合比

水泥选用郑州天瑞水泥厂生产的标号为P.O42.5的水泥，粗骨料为粒径5～25 mm连续级配的碎石子，含泥量为1.8%,细骨料为驻马店汝河河沙，细度模数为2.74,拌合水为郑州市自来水，PH为6.7,粒径、级配等指标均符合《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)和《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)要求。减水剂为减水效果大约为20%的RD-N型高效减水剂，按照胶凝材料重量的1%掺入，冻融介质选用3.5%NaCl与5%Na2SO4(质量分数)的混合溶液。

水泥力学性能如表1所列，混凝土配合比如表2所列。

1.2 试验工况与方法

试验分别选取混凝土试件初凝前(1 h),初凝与终凝之间(3.5 h)以及终凝后(8 h、24 h)四个典型养护龄期和-10 ℃和-5 ℃两个典型冻结温度。根据不同养护龄期和不同冻结温度对试件进行分组编号，A组表示冻结温度为-10 ℃,B组表示冻结温度为-5 ℃,数字表示受冻前养护龄期，试件编号如表3所列。

试件浇筑完成后，将其放置在室温(10 ℃左右)条件下养护至相应龄期(起冻时刻)后，再将其放入不同冻结温度的WGD/SH2050 高低温恒定湿热试验箱中冷冻6 h, 取出后拆模放入标准养护室养护至28 d进行盐冻循环试验。每个编号均采用12块边长尺寸为100 mm的立方体试块测量混凝土立方体抗压强度，采用3块尺寸为100 mm×100 mm×400 mm棱柱体试块测量相对动弹性模量、质量损失率以及损伤层厚度等指标。试验用WAW-1000型电液伺服万能试验机测量混凝土立方体抗压强度，用DT-20 型混凝土动弹性模量测定仪测量试件动弹性模量，并通过计算得到试件的相对动弹性模量，用电子天平测量试件质量损失率。为降低误差影响，每次测量均取3块试件的平均值作为试验最终结果。

选用HDK-9混凝土快速冻融试验机进行“快冻试验”,盐冻循环周期为4 h, 为便于试验，每25个周期采集一次相对动弹性模量和质量损失率，每50个周期采集一次抗压强度值、测量一次试件损伤层厚度。按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)规定，达到以下3种情况之一时试验停止：(1)质量损率失达5%;(2)相对动弹性模量低于60%;(3)冻融次数达300次。

1.3 损伤层厚度检测原理及方法

超声波平测法是利用超声波在不同状态混凝土中传播速度不同来评价混凝土损伤程度的一种无损检测方法,相比于有损检测，该方法操作方便、不破坏试件，因此成为工程首选。混凝土损伤层厚度hf能直接反映出混凝土损伤程度,近几年，国内外学者研究结果表明可以用超声波平测法测得的表层损伤层厚度来表征混凝土力学性能损伤程度。

本研究依据《超声法检测混凝土缺陷技术规程》(CECS 201—2000)中的单面平测法进行检测。图1为非金属超声检测仪换能器布置图，试验需对试件的一个面进行检测，换能器布置如图1所示，发射器T置于试件距100 mm×100 mm平面50 mm处，接收换能器R沿试件100 mm×400 mm平整侧面按一定测距进行排查，首次测距采取50 mm, 之后相邻测点之间按照25 mm、25 mm、50 mm、50 mm、50 mm的距离依次递增，耦合剂用凡士林。

图1 非金属超声检测仪换能器布置

随着T、R距离的变化，接收器R接收到从不同状态层传播来的超声波。当T、R距离为某一测距l0时，超声波沿损伤层-未损伤层-损伤层到达R的时间同直接穿过损伤层到达R的时间相等，此时损伤层厚度计算公式为

由式(1)推导可得式(2),即试件损伤层厚度为

式中，hf为损伤层厚(mm);l0为临界波速测距(mm);Vu为未损伤层波速(km/s);Vd为损伤层波速(km/s);x为损伤层声波传播路径水平投影(mm)。

图2为超声波在试件中传播的时-距关系曲线。

图2 超声波传播时-距关系曲线

由图2可以看出，l0点处波速突变，l0点前为超声波在试件损伤层中传播的时-距关系曲线，l0点后为超声波通过损伤层在未损伤层中传播的时-距关系曲线，根据线性回归法可得两段直线的回归方程，如式(3)(4),从而可得损伤层和未损伤层的厚度为

式中，ld为超声波在损伤层中传播的测距(mm);td为ld对应的声时(μs);lu为超声波通过损伤层在未损伤层中传播的测距(mm);tu为lu对应的声时(μs);Vd、Ad、Vu、Au为回归系数，即图2中两段直线的斜率和截距。

通过式(1)(2)可得波速突变时的测距，即l0计算公式为

结合式(5)和式(2)易解得hf,即试件损伤层厚度，计算公式为

2 试验结果与分析

2.1 相对动弹性模量

动弹性模量是一种评价混凝土抗冻耐久性能的关键性指标，本试验选用可以直观方便体现动弹性模量变化的相对动弹性模量为评价混凝土力学性能劣化的指标，动弹性模量计算式可表示为

式中，Ed为混凝土动弹性模量(MPa);L为试件长度(mm);a为正方形截面边长(mm);W为试件质量(kg);f为试件横向震动时的基频振动频率(Hz)。

相对动弹性模量可表示为

式中，ED为混凝土相对动弹性模量，Ed0、Edn分别为盐冻循环前、经n次盐冻循环后的混凝土试件动弹性模量。

混凝土试件动弹性模量测试过程如图3所示。

图3 混凝土动弹性模量测试过程

两组试件相对动弹性模量随盐冻循环变化情况如图4所示。

图4 试件相对动弹性模量变化

由图4(a)可知，经过150次盐冻循环后，各组试件相对动弹性模量分别降低了29%、21%、30%、15%、14%,A24相对动弹性模量为0.85,与正常养护试件相对动弹性模量(0.86)接近，但明显大于其余几块试件相对动弹性模量，说明A24试件此时抗冻性能仍然良好；A1、A8两块试件相对动弹性模量分别为0.71和0.70,相差不大且小于A3.5相对动弹性模量(0.79)。由图4可知，经过150次盐冻循环，养护龄期为1 h和8 h的试件相对动弹性模量下降较其他几组大，说明盐冻循环作用对养护龄期为1 h和8 h的早期受冻混凝土试件相对动弹性模量的影响较大。除正常养护组外，其余几组试件相对动弹性模量随盐冻循环次数的增加均呈现出先短暂上升后持续下降的趋势，并且下降速度由缓慢到迅速。试件相对动弹性模量略有上升是因为试件在盐冻循环前，内部水泥水化作用还在逐步进行，水化产物会在一定程度上填充试件内部结构，导致试件内部更加密实，相对动弹性模量略有增加；另外，侵入试件内部的盐离子与水泥水化产物发生化学反应，反应产物也会填充试件内部空隙，使结构更加密实，相对动弹性模量也会略有增加。试件相对动弹性模量下降是因为试件盐冻循环前在粗骨料与水泥砂浆的过度界面就已经存在细微裂缝,随着盐冻循环的不断进行，细微裂缝逐渐扩展，导致水泥浆体逐渐流失，最终表现为试件相对动弹性模量的迅速下降。B组试件与A组相对动弹性模量变化规律相似且相差不大，说明不同冻结温度对试件相对动弹性模量的影响规律一致且较小。

2.2 质量损失率

质量损失率可以表征混凝土试件的剥落和腐蚀状况。图5为两组试件质量损失率随盐冻循环变化折线图。

图5 试件质量损失率变化

由图5可知，不同冻结温度下的试件在最初25次盐冻循环后质量损失率略有下降，之后则随着盐冻循环次数的增加而上升。究其原因，随着盐冻循环的进行，盐离子会侵入试件内部发生化学反应并生产水化产物，同时冻融作用导致盐溶液结晶，晶体不断填充试件内部的缝隙，两方面原因共同导致试件质量增加，即质量损失率下降。根据结晶膨胀原理,随着盐冻循环的进行，试件内部裂缝逐渐扩大，渗水通道逐渐增加，通道内的水结冰膨胀，导致试件破坏加剧，表层砂浆脱落严重，试件质量损失率逐渐上升。从图5(a)的养护龄期来看，经过150次盐冻循环，养护龄期为3.5 h的试件质量损失率为4.73%,大于相同冻结温度条件下的其他几个试件质量损失率，养护龄期为1 h和8 h质量损失率分别为2.98%和2.69%,次于养护龄期为3.5 h试件的质量损失率(4.73%),正常养护试件质量损失率为2.44%,较其他几组试件质量损失率低；从冻结温度来看，试件质量损失率受冻结温度的影响较小。

2.3 抗压强度

除质量损失率和相对动弹性模量外，盐冻循环后的抗压强度也是评价混凝土力学性能的一项重要指标。不同冻结温度下试件抗压强度随盐冻循环的变化情况如图6所示。

图6 试件抗压强度变化

结合图6(a)和图6(b),经过150次盐冻循环，养护龄期3.5 h试件抗压强度分别为17.72 MPa和18.67 MPa, 远低于其他养护龄期试件的抗压强度，说明密实性最差，养护龄期1 h和8 h试件抗压强度相接近，养护龄期24 h试件抗压强度分别为27.13 MPa和26.88 MPa, 较其他试件的抗压强度高，说明早期受冻作用对养护龄期为初凝与终凝间的试件影响相对较大，并且在终凝后随着养护龄期的增长，各试件抗压强度趋近于正常养护试件抗压强度。在最初50次的盐冻循环中，试件抗压强度下降均较小，甚至略有增长(养护龄期1 h和24 h),随着盐冻循环的进行，试件抗压强度下降速率随之加快。这是因为盐冻循环初期，破坏主要是以冻融为主，且这种破坏集中在试件表层，而表层损伤对试件相对动弹性模量的影响较大，对试件抗压强度的影响较小，随着盐冻循环的持续进行，侵蚀作用由表及里破坏试件，试件抗压强度呈现迅速下降的趋势。最终，A、B两组试件抗压强度均降为正常养护试件的60%左右，试件抗压强度基本呈线性下降。

由图6还可知，早期受冻对混凝土的影响可以通过抗压强度反映出来，混凝土抗压强度受冻结温度影响相对较小，受养护龄期影响相对较大。

2.4 早期受冻对混凝土力学性能的影响

混凝土养护龄期越小，水化反应进行越少，自由水含量越高。经过冷冻之后，试件部分自由水结冰会产生对试件影响极小的冻胀破坏。养护龄期在初凝前的试件，温度的突降会造成水分由高温区到低温区的迁移,一方面会减缓水化反应的速率，另一方面会由于骨料比热容小，降温快，水分在骨料表面形成一层冰膜，阻止砂浆与骨料的粘合，降低试件的强度。当试件从冷冻环境转换到室温条件时，冰融化变成水，继续与水泥进行水化反应，完成受冻之后的自我修复；养护龄期在初凝与终凝间的试件，由于养护龄期较大，试件已形成初步强度，经过冷冻环境后产生冻胀破坏，表面砂浆层与内部粗骨料之间形成裂缝，试件密实性遭到破坏，此时的试件进行标准养护，能够参与水化反应的水泥和自由水相对较少，因此强度回升有限；养护龄期在终凝后的试件，在冷冻之前已经充分进行水化反应，试件内部结构较为密实，强度较高，此时试件能够较好的抵挡冻胀破坏，因此受冻结温度的影响较小，并且，终凝后随着养护龄期的增长，试件内部水泥水化充分，强度增加，抵抗冻胀的能力随之增加，因此早期受冻对其影响小。

冷冻可以将试件中的自由水结成冰，使其暂时不能参与水泥水化反应，待试件由冷冻环境转入标准养护室内，冰重新融化成为自由水参与到水泥水化反应中。冻结温度越低，试件中自由水结冰的速率就越快，由冷冻环境转入标准养护室后，能够参与水泥水化反应的自由水就越多，水泥水化反应进行越充分，因此，强度回升越高，最终表现为-10 ℃对混凝土试件的破坏程度较-5 ℃略小。

2.5 损伤层厚度

混凝土经历了早期受冻之后，损伤层厚度较大，劣化较为明显，当试件盐冻循环次数达到150次时，相对动弹性模量低于标准养护试件的60%,按照标准规定，停止测试，因此，本研究只在盐冻循环50次、100次、150次时进行超声波平测试验。

图7是以不同冻结温度下养护龄期1 h的试件为例，通过Origin软件拟合得出的不同冻融次数的时-距关系曲线。由图7可以看出，随着冻融循环的进行，超声波波速(拟合直线斜率)逐渐下降，表明损伤层厚度增加，试件劣化程度加剧，进一步说明冻融可以降低试件的密实性，从而影响到混凝土的相对动弹性模量。

图7 早期受冻混凝土超声波时-距关系拟合曲线

不同养护龄期试件损伤层厚度随盐冻循环变化情况如图8所示。由于正常养护组试件在最初50次盐冻循环后损伤层厚度较小，仪器测量误差会对试验结果产生较大影响，因此，忽略正常养护组试件在最初50次盐冻循环的损伤层厚度。

图8 试件损伤层厚度变化

由图8(a)可以看出，各组试件损伤层厚度随着盐冻循环的进行逐渐增加，即损伤层厚度与盐冻次数呈正相关关系，说明试件劣化程度增加，进一步说明早期受冻作用可以降低试件的密实性。根据盐侵混凝土原理分析，损伤层厚度增大的原因之一是由于盐离子通过试件表面微裂缝逐渐向试件内部侵蚀，导致损伤层厚度增加。经过150次盐冻循环后，各组试件的损伤层厚度分别为11.10 mm、17.00 mm、22.80 mm、18.24 mm、16.43 mm, A3.5组试件损伤层厚度明显高于其余几组试件损伤层厚度，A1和A8损伤层厚度相差不大，A24组试件损伤层厚度最小。终凝后的试件随着养护龄期的增长，受到早期受冻的影响变小。对比图8(a)和图8(b)可以看出，冻结温度对试件损伤层厚度影响较小。

3 结 论

(1)研究结果表明，早期受冻对混凝土力学性能指标的影响规律基本一致；养护龄期比冻结温度对混凝土耐久性的影响大。

(2)混凝土相对动弹性模量和质量均随着盐冻循环次数的增加先略有上升，后逐渐下降，并且下降速度逐渐加快；早期受冻对养护龄期在初凝与终凝之间(3.5 h)的混凝土力学性能影响最为严重，以-10 ℃为例，试件相对动弹性模量、质量损失率以及抗压强度分别降低了21%、4.73%和23.45%。

(3)超声波平测试验结果显示，早期受冻对混凝土损伤层厚度的影响规律大致相同，即损伤层厚度与盐冻循环次数呈正相关关系；同样，冻结温度对损伤层厚度影响较小。

(4)本研究忽略了混凝土试件不同状态层之间的过渡层，且认为相同状态层的混凝土均匀分布，但是在实际工程中，过渡层明显存在，因此本研究与实际工程仍存在一定差距，需要在今后的研究中进一步探索。

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水利水电技术（中英文）

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