混凝土抗水冻融和抗盐冻融循环作用的相关性

徐 港， 龚 朝， 刘 俊， 高德军， 曾 臻

(1.三峡大学 防灾减灾湖北省重点实验室， 湖北 宜昌 443002； 2.三峡大学 土木与建筑学院， 湖北 宜昌 443002)

国内外学者围绕混凝土冻融损伤做了大量的研究[1-3]，取得了丰富的成果，但对混凝土抗水冻融和抗盐冻融相关性的研究仅少量文献[4-5]有所提及.随着天然砂资源日趋匮乏和人们环保意识加强，人工砂混凝土的应用已非常普遍，而对高石粉含量人工砂混凝土抗水冻融和抗盐冻融循环作用相关性的研究鲜见报道.考虑到目前混凝土抗冻性能测试方法较多，评价指标多样，试验工作量较大，本文拟基于试验研究和理论分析来探究普通混凝土抗水冻融和抗盐冻融循环作用的相关性及其对砂类型、混凝土强度等因素的敏感性，以期为不同冻融环境下混凝土抗冻性能的评价提供参考.

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

以某水电站建筑工地二级配泵送混凝土(抗冻等级F100，人工砂石粉(SP)含量(1)文中涉及的含量、水灰比等除特别说明外均为质量分数或质量比.为15%)为基准进行试件配合比设计，见表1.其中水泥采用华新P.MH 42.5中热硅酸盐水泥；粉煤灰为曲靖F类Ⅰ级粉煤灰；粗骨料为乌东德水电站砂石加工系统生产，其中5～20mm骨料称为小石(small-size stone)，20～40mm骨料称为中石(mid-size stone)；水采用自来水，其水质满足DL/T 5152—2001《水工混凝土水质分析试验规程》对拌和用水的要求；减水剂采用江苏苏博特PCA-1缓凝型聚羧酸高性能减水剂；引气剂采用江苏苏博特GYQ Ⅰ引气剂；人工砂为乌东德水电站砂石加工系统生产，细度模数为3.1.不同石粉含量(wSP)下混凝土坍落度以及含气量分别见表2、3.

表1 混凝土配合比Table 1 Mix proportion of concretes

表2 不同石粉含量下混凝土的坍落度Table 2 Slump of concretes with different stone powder contents

表3 不同石粉含量下混凝土的含气量Table 3 Gas content of concretes with different stone powder contents

1.2 试验方法

依据JGJ/T 241—2011《人工砂混凝土应用技术规程》中关于人工砂混凝土的性能要求进行材料性能试验.同类试件分2组，分别浸泡于水和质量分数为3.5%的NaCl溶液中进行快速冻融试验.混凝土的冻融试验参考SL352—2006《水工混凝土试验规程》中的快冻法进行，考虑到取出试件会影响冻融箱内防冻液的液面高度，可能带来试验误差，故待所有试件相对动弹性模量(Ed，r)均下降到60%时，集中取出试件结束试验.各试件相对动弹性模量与冻融循环次数(N)的关系见图1.因SL352—2006规程和JTJ 270—1998《水运工程混凝土试验规程》评定混凝土抗冻性能时所规定的相对动弹性模量取值不同，分别为60%和75%，故本文按此2种取值进行分析.

2 结果与讨论

2.1 混凝土抗水冻融循环次数与抗盐冻融循环次数的相关性分析

根据图1，对相同石粉含量，不同强度等级混凝土试件的抗水冻融循环次数Nw和抗盐冻融循环次数Ns进行数据分析，得到两者关系如图2所示.由

图1 各试件相对动弹性模量与冻融循环次数的关系Fig.1 Relationship between relative dynamic elastic modulus and number of freeze-thaw cycles of specimens

图2 相同石粉含量，不同强度等级混凝土试件抗水冻融循环次数与抗盐冻融循环次数的关系Fig.2 Relationship between number of water freeze-thaw cycles and number of salt freeze-thaw cycles of concrete specimens with the same stone powder content and different strength grades

图2可见，各石粉含量下混凝土试件的抗水冻融循环次数和抗盐冻融循环次数之间均为线性相关，且比例系数十分接近，约为2.8，说明这种线性相关性几乎不受石粉含量的影响.

进一步对图1中2种强度等级的混凝土试件进行分析发现，不同强度等级下试件的抗水冻融循环次数和抗盐冻融循环次数之间也是线性相关的，且比例系数也约为2.8，说明该线性相关性几乎不受混凝土强度等级的影响.

根据图1，对相对动弹性模量下降至60%和75%的试件分别进行分析发现，2种相对动弹性模量下，试件抗水冻融循环次数和抗盐冻融循环次数之间仍呈线性相关且比例系数相近，说明无论参照SL352—2006规程还是参照JTJ270—1998规程进行评定，这种线性相关性均不变.

文献[6-7]的研究也表明相同条件下抗水冻融循环次数与抗盐冻融循环次数之间具有线性关系，且抗水冻融循环次数约为抗盐冻融循环次数的2.5倍，与本文结果略有差异，这可能是由于砂类型、配合比以及试验条件等不同而造成的.

借助数据处理软件将文献[8-9]中天然砂混凝土冻融循环的数据进行整理，结合本文人工砂混凝土试验数据，进行汇总分析，结果见图3.由图3可见，无论是天然砂混凝土还是人工砂混凝土，其抗水冻融循环次数约为抗盐冻融循环次数的2.8倍，进一步验证了混凝土抗水冻融和抗盐冻融循环次数之间都是线性相关的.

2.2 机理分析

混凝土抗水冻融循环次数与抗盐冻融循环次数之间的线性关系与混凝土冻融破坏机理密不可分.杨全兵等[10-13]基于系列试验研究表明，只有混凝土内饱水度超过一定值后，水溶液结冰才能形成结冰压，且结冰压随饱水度增大而增大.混凝土内饱水度的大小及其增长速率取决于盐浓度，以及盐对冷冻过程中溶液收缩和结冰特性的影响，因此相同条件下盐溶液较水产生的结冰压更大，对混凝土的损伤更严重.近年来，Yu等[14-16]采用自主发明的设备对多种冻融介质作用下混凝土的抗冻性能进行了研究，从渗透压理论[17]、孔结构理论[18]以及结冰压随时间累积效应[19]等方面阐释了不同介质冻融损伤的相关性.

图3 天然砂混凝土和人工砂混凝土抗水冻融循环次数与抗盐冻融循环次数的相关性Fig.3 Relationship between number of water freeze-thawcycles and number of salt freeze-thaw cycles ofconcretes with natural sand and artificial sand

混凝土的冻融破坏机理非常复杂，至今尚无公认的、适用于解释所有冻融破坏机理的理论，因此很难从理论上定量解释水冻融与盐溶液冻融之间线性相关的必然性.为此，本文参考文献[5]依据渗透压理论，试做如下半定量推论.

混凝土内渗透压力差可由下式计算[20]：

(1)

式中：ΔP为渗透压力差，Pa；V为溶液的摩尔体积，L/mol；R为气体常数，R=8.31×103L· Pa/K·mol；T为热力学温度，K；Pw为凝胶孔中水的蒸气压，Pa；Pi为毛细孔内冰的蒸气压，Pa.

Washburn提出了1个蒸气压与水的结冰点在平衡时的半经验关系方程[20]：

+9.084×10-8t3

(2)

式中：t为溶液结冰点，℃；Pwo为溶液的蒸气压，Pa；Pio为溶液结冰的蒸气压，Pa.

将式(2)代入式(1)，可得：

(3)

考虑到盐溶液的摩尔体积受盐溶液浓度的影响较小，为方便计算，V近似取为水的摩尔体积 0.018L/mol.

由式(3)可知，渗透压力差与温度近似成正比关系，混凝土在盐冻融和水冻融条件下的渗透压力差ΔP仅与V和t有关，而V与t的值取决于溶液的浓度和种类，说明同种溶液下ΔP是定值.根据渗透压理论，混凝土冻融破坏产生的原因主要是：在冻融过程中渗透压力差逐渐积累，导致混凝土内部裂纹不断增加，当渗透压力差累积到混凝土的破坏强度时，混凝土就会被破坏.由于混凝土中的自由水含有钾、钙、钠离子等，导致其饱和蒸气压比普通水要低，在混凝土中自由水的冰点约为-1.0～-1.5℃，当温度为 -12.0℃ 时，毛细孔内的水完全结冰[18]；因3.5%NaCl溶液的冰点较自由水低2.0℃[21]，故受盐冻融混凝土中3.5%NaCl溶液的冰点在-3.0～-3.5℃之间，当温度降至-14.0℃时，受盐冻融试件毛细孔内的水完全结冰.由式(3)推算：当混凝土内自由水结冰时，盐溶液和自由水的渗透压力差之比为2.3～3.0；当毛细孔内的水完全结冰时，该比值为1.2.因此，忽略其他因素影响，可认为上述试验结果具有一定的必然性.

3 结论

(1)混凝土在3.5%NaCl溶液中的抗冻融循环次数与其在水中的抗冻融循环次数具有线性相关性，该相关性与混凝土强度等级无关，也与石粉含量以及临近破坏时的相对动弹性模量无关.

(2)对普通混凝土而言，混凝土抗水冻融循环次数约为其抗盐冻融循环次数的2.8倍.

(3)值得说明的是，本文结论仅依据全浸泡快速冻融试验方法得到，而混凝土冻融试验方法有多种，试验方法对混凝土抗水冻融和抗盐冻融相关性的影响尚待进一步研究.