混凝土抗冻性评价现状与存在问题的研究

    混凝土抗冻性研究与评价是对国民经济具有重大意义的课题，考虑到我国广大“三北”地区的现实，可知此言并不为过。但是我们不无遗憾地指出，这一课题的研究和强度，变形比较起似乎处于更落后的地步。理论研究不够深入，广大工程单位更是单纯依靠的冻融循环试验，只按经验解决实际问题。我们目前仍在简单地重复国外三、四十年代的试验方法。由于评价方法与当前工程发展的不协调，造成许多工程在应用产生的冻融（或盐冻）破坏，如一些公路、桥梁等工程在短期就造成抗冻的破坏，给国民经济造成很大的损失。

 

    近年来，随着混凝土技术的发展，高性能混凝土的研究与应用普遍得到人们的重视，而高性能混凝土的研究中更是以混凝土耐久性的研究为其核心的内容。这也是人们对当今混凝土工程出现的问题与国家资源短缺的相互矛盾而引发的世界性的课题。混凝土抗冻性是混凝土耐久性中的重要组成部分。对混凝土抗冻性的研究与其评价方法是密不可分的。目前我们使用的方法显然是对当前混凝土技术发展是不适应的。为此，我国准备对GBJ82-85《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法》进行修订,针对修编工作,我们对国内外的抗冻性试验方法进行了分析研究。

 

    所有的评价方法建立的依据是其抗冻理论和其破坏机理的不同理解之上。目前世界上混凝土冻结破坏机理主要有三种学说：

 

2.1 Powers提出的静水压理论学说

    Powers提出的静水压理论学说主要由以下几个要点组成：①冻结时，负温度从混凝土构件的四周侵入，冻结首先在混凝土四周表面上形成，并将混凝土构件封闭起来。②由于表层水结冰，冰体积膨胀，将未冻结的水分通过毛细孔道压入饱和度较小的内部。③随着温度不断降低，冰体积不断增大，继续压迫未冻水，未冻水被压得无处可走、于是在毛细孔内产生越来越大的压力，从而水泥石内毛细孔产生拉应力。④水压力达到一定程度，水泥石内部的拉应力过高，抗拉强度限时，则毛细孔会遭到破裂，混凝土中即产生微裂纹而受到破坏。

 

2.2 Powers 和Helmuth 渗透压理论

    在提出了静水压力学说后， Powers在自己的试验中发现，水泥浆体中的水在冻结时并不是向外排出，而是向着冷源移动。他和他的同事Helmuth于是又对混凝土的冻融破坏机制提出了渗透压理论。该理论认为，在负温条件下时，大孔及毛细孔孔中的溶液首先有部分冻结成冰，由于在溶液中的水从中冻结出来，使得溶液的浓度变大。从而在毛细孔于凝胶孔内溶液之间存在着浓度差，这引起了从凝胶孔向毛细孔的扩散作用，形成了渗透压。例如，一块从顶部开始冻结的板，如果水由于渗透压得以从底部且透过板厚向顶部迁移，则该板将严重损坏。

 

2.3 G.G.Litvan的补充理论

    加拿大的G.G.Litvan于1972年提出他的关于混凝土受冻破坏的理论。他认为，凡是被吸附在多孔固体表面上、或包含其中的水，如果不经过重分布就不会冻结；其所以不能固化是由于表面力的作用，阻止被吸附液体达到形成结晶所需要的排列秩序。但是这些水的蒸汽压与已形成的冰有差别，能够迁移到易于结冰的地方，例如较大的孔隙或外表面并积聚在裂隙中。如果冻融循环中积聚在裂隙中的水不能归还原位，它们将使裂隙扩大成冰。

 

3.1 国外混凝土抗冻性试验方法分析

    目前国外混凝土抗冻性试验方法主要有：快冻法；慢冻法；盐冻法。由上面的混凝土冻结理论分析表明，ASTM C666快冻法主要是基于Powers提出的静水压理论学说的，而RILEM TC176－IDC－2002 CF和CDF盐冻法主要是基于渗透压理论，二者各有侧重。ASTM C666快冻法适合纯粹由水的冻结引起的冻融破坏，而RILEM的盐冻法更适用于有除冰盐存在情况下的冻融破坏。在不同环境中的混凝土的抗冻性的评价应根据需要进行选择。快冻法和盐冻法应用的范围各不相同，评价的方法也各不相同，完全是基于两种不同理论上的不同的试验方法，两者对混凝土抗冻性的评价没有一定换算关系，很难判断也无法判断孰优孰劣。

 

3.1.1 快冻法

    混凝土快速冻融试验方法首先由美国ASTM 提出，以ASTMC666 为代表，相继日本的JISA1148、加拿大的CSA-A23.2 和一些西欧国家就多采用这种方法。ASTM 法有两种，一为快速水冻水融法，混凝土在水中冻结和融化；二为快速气冻水融法。混凝土在冷冻室的空气中冻结，然后移至水池中融化。若在相应循环次数的混凝土相对动弹性量降到初始值的60%或重量损失达5%，试验即终止。

 

3.1.2 慢冻法

    以前苏联和东欧国家就采用的慢冻法为代表。以ГOCT1006 为代表,该方法是将试件标准养护28d，并规定在达到龄期前4d 将冻融试件投入20℃左右的水中浸泡。慢冻法一个循环为8h，冻、融各半，强度损失率不超过25%或失重率不超过5%时的循环次数为抗冻标号。

 

3.1.3 盐冻法

    美国的ASTMC672，国际材料试验协会（RILEM）以及欧洲的大部分国家，如瑞典的SS13

72 44 ，挪威的NS3473-92 及NS4320-86 均采用盐冻法来评价混凝土的抗冻性。它们之间区别在有盐溶液浸泡、有试件单面浸泡的。

 

3.1.4 评价方法

● 抗压强度损失率：以慢冻法为主要评价手段，通过一定次数的冻融循环后，抗压强度的损失率小于25%为合格。

● 重量损失率：快冻和慢冻法都采用的评价手段，达到一定次数的冻融循环后，试件的重量损失率小于5%为合格。

●  相对动弹模量保留量：以快冻法为主要评价手段，达到一定次数的冻融循环后，相对动弹模量下降至初始值的60%。

●  临界膨胀值法：该方法是为克服快冻法难以模拟实际环境条件的缺点，通过冻融循环后的试件伸长率来评价试件是否抗冻。

●  临界饱和度：通过临界饱和度与实际饱和度的差来评价，差值越大，抗冻性越好。

 

3.2 国内混凝土抗冻性试验方法

    目前国内混凝土抗冻性试验方法主要有快冻法和慢冻法两种，各类标准中盐冻法还没采用作为评价的手段。但有些研究工作者，引入国外方法，进行科学研究，中国国内有关混凝土抗冻性的标准有GBJ82-85，DL/T5150-2001，JTJ225-87，这些标准中，都采用了快冻法，

只有GBJ82-85 同时也采用慢冻法。

 

4.1 慢冻法

    该试验方法的受冻状态比较接近实际，但该方法试验周期长、工作量大、试验误差大，采用抗压强度的破损试验检测。

    根据混凝土受冻破坏机理，冻胀破坏是内部混凝土受拉开裂破坏，因此抗拉强度对内部裂缝敏感，而受冻破坏恰恰是对混凝土抗压强度不敏感。因此，慢冻法用抗压强度损失率来评价混凝土抗冻性是不合理的，结果可重复性差。目前国内外的相关标准正逐步取消慢冻法。

 

4.2 快冻法

    该方法采用相对动弹性模量来评价，它能敏感地反映混凝土内部结构的损伤，较直接测试抗压强度，更准确地表征了冻融造成的损伤情况，且方法为非破损方法，虽然该方法已被多数国家所采用，但也存在一些问题。

（1）快速冻融中试件的降温速度比实际环境快得多，试件的充水程度也较实际使用条件苛刻。因此，有时会出现用快速冻融不抗冻的混凝土在实际工程中却颇为耐久的情况。根据渗透压学说知道：由于扩散和析冰过程需要一定的时间完成，冰冻破坏威力常和低温延续时间成比例，作用愈慢，威力愈大。快速试验时间短暂、渗透、扩散过程来不及进行：这种试验条件又趋向于低估冰冻破坏危险。综上所述：根据目前冻融试验结果对材料进行优劣排队次序也是不能成立的。

 

（2）该方法规定的冷却速率差异较大。目前国标中规定一个循环完成时间2-4h 差异如此大的冷却速率直接决定水压力大小。在较低冷却速度下，引气混凝土与普通混凝土的抗冻性或许没有区别，两者气泡都密集到足以宣泄水压力而有余的程度，但较高冷却速率下，很容易发现引气混凝土的优越性，结论完全不同，即不恰当的高冷却速率预言一个根本不存在的危险。

 

（3）相对动弹性模量测试差异：目前国内外测动弹性模量主要有锤击法和共振法。共振法包括横向和纵向之分。本身这些方法测同一个试件，结果就存在差异，即使是采用统一方法，如采用横向共振法，但试验放置的支座不同，结果也不同。因为标准只说明为橡胶或塑料泡沫，它们的弹性是不同的，同一试验使用不同的支座。对普通混凝土的测试结果误差10%左右，而对强度等级大于C50 高强混凝土影响较小。另外，在我国不同标准中，计算结果也不同，如GBJ82-85 计算横向共振法的弹性模量公式系数为9.46，而DL/T5150-2001 同样方法的公式系数为9.65，因此，如果把上述所动弹性模的误差累计起来，可能会把一个抗冻性合格的混凝土判为不合格。

 

4.3 高性能混凝土的适用性问题

    目前的混凝土抗冻性试验方法对高性能混凝土的抗冻性评价存在不适应。首先，高性能混凝土中使用了大部分矿物掺合料，按目前标准中养护28 天后测其抗冻性和56 天后测其抗冻性，其结果存在很大差别。因为龄期增加的28 天，高性能混凝土内部结构发生很大变化，因此，目前方法不能真实地反映高性能混凝土的抗冻性。另外，高性能混凝土的冻融循环基本在500 次以上。试验周期很长，而且冻融破坏特征不明显。

 

1)、由于慢冻法试验周期长，工作量大，结果误差大，而且抗压强度损失率评价不合理，

建议新标准中修改其评价方法和指标或取消该试验方法。

2)、快冻法的试验中，把试验条件和评价内容的规定更详细、合理一些，避免由于标准差异导致的试验结果误差。

3)、建议我国标准尽快完善盐冻法，以适应目前我国工程评价的需要。

4)、开发更适合于高性能混凝土的抗冻性评价方法。虽然评价方法与自然界的实际冻融循环存在很大差别，将来无法实现完全一致，但这不应影响我们积极地探索追求的目标。

 

[1]徐定华，徐敏著.混凝土材料概论.中国标准出版社.2002

[2]张誉等编著.混凝土结构耐久性概论. 上海科学技术出版社.2003

[3]H.索默 编.高性能混凝土的耐久性. 科学出版社.1998 年

[4]王 元. 粉煤灰混凝土的抗冻性研究 .硅酸盐制品.1995

[5]王 元.抗除冰盐混凝土的研究与应用. 混凝土.2002