对路面混凝土抗冻性试验和评价方法的探讨

　　抗折强度是水泥混凝土路面设计的一个重要指标，因此，笔者建议以抗折强度损失率替换动弹性模量作为路面混凝土的抗冻性评价指标之一，且对于其临界值的确定需做进一步的研究。但考虑到直接以抗折强度损失率作为评价指标会增加试验的工作量，而动弹性模量是无损检测指标，可考虑建立抗折强度损失率和相对动弹性模量之间的对应关系，实际上以抗折强度损失率为抗冻性评价指标，但通过相对动弹性模量来控制。

　　3. 冻融损坏临界值

　　混凝土冻融损坏临界值的高低将直接影响混凝土抗冻性的评价。但由于不同的工程结构对混凝土的要求存在较大的差别，采用统一的损坏临界值就不甚合理。因此，临界值的确定必须考虑到混凝土的实际使用条件、特点和要求。

　　3.1质量损失率

　　现行混凝土抗冻性试验方法虽然将混凝土的质量损失率作为其评价指标之一，并规定以质量损失率5%作为混凝土冻融破坏的临界值。对于在冻融作用下，如果质量损失在5%以内只是影响外观，不影响建筑物的安全和使用的工程结构，将质量损失率5%作为混凝土冻融损坏临界值是合理的。但混凝土路面的平整度要求较高，按照《公路水泥混凝土路面养护技术规范》（JTJ073.1-2001）的规定，当路面表面露骨深度大于3mm，则病害等级为“严重”。 而有试验结果表明，当质量损失达5%时，混凝土表面的最大剥落深度达5mm。美国制定的混凝土抗盐冻剥蚀试验方法（ASTM C672）按照表面剥落的严重性分成六个等级，“0”表示没有剥落，1级为非常轻微的剥落（无粗集料暴露），2级为介于轻微和中度剥落，3级为中度剥落（有一些粗集料暴露），4级介于中度和严重剥落之间，5级为严重剥落（整个表面粗集料暴露）。Marchand和Pigeon通过试验研究建立了盐冻剥落等级与剥落量之间的对应关系，如图2。如果将质量损失率5%换算成单位面积剥落量为：2.67 kg/m²（按100mm×100mm×400mm尺寸试块换算，并假设混凝土容重为2400 kg/m3），从图2中可以看出，当剥落量为2.67kg/ m²时，混凝土的剥落等级为3~4级，表明有相当多的粗集料暴露。因此，以质量损失率5%作为路面混凝土冻融损坏临界值不合理，过于宽松。

　　那么混凝土在冻融作用下质量损失率的临界值定为多少合理呢？作者认为，面对路面相同的使用要求，不管混凝土是在纯水中冻融还是遭受盐冻，混凝土的抗冻性评价指标及其破坏的临界值应该是一致，因此，质量损失率的临界值可借鉴盐冻研究成果。

　　目前大多数盐冻试验方法普遍提出以混凝土单位面积的剥落量作为抗盐冻的评价指标，杨全兵建议以剥落量小于1.0kg/m²作为抗盐冻剥蚀性能可接受的标准，即临界值，张国强则建议剥落量应小于0.8kg/m²，将其换算成质量损失率则分别为：1.87%、1.50%（按100mm×100mm×400mm尺寸试块换算，并假定混凝土容重为2400 kg/m³）。

　　因此，为安全起见，本文建议以1.5%作为质量损失率的临界值，或以单位面积的剥落量替代质量损失率作为混凝土抗冻性评价指标之一，并将其临界值定为0.8kg/m²。

　　3.2动弹性模量

　　由于动弹性模量的变化可以反映混凝土内部结构的劣化，因此目前的冻融试验方法采用其其作为混凝土抗冻性评价指标之一。

　　3.2.1冻融对混凝土强度的影响

　　由于混凝土试件受压时其内部的裂缝有一部分会闭合，受弯时其受拉区的微裂缝将加速扩展，因此混凝土在拉伸荷载作用下微裂缝的扩展比压荷载作用更为迅速。而混凝土经受一定次数冻融循环后，混凝土内部将会使原有的裂纹扩展或萌生新的微裂纹。因此可以预见冻融作用对混凝土抗折强度的影响比抗压强度大。

　　在相对动弹性模量、抗折强度、抗压强度、劈拉强度这四个指标中，抗折强度随冻融循环次数的增加下降速度最快，而抗压强度要慢得多。当混凝土的相对动弹性模量下降到64%时，混凝土的抗折强度只有初始强度的34%，而抗压强度是初始强度的64%，劈拉强度为初始的72%。由于冻融作用对混凝土抗折强度和抗压强度影响的显着差异，因此，在相同使用环境中遭受冻融作用的混凝土构件，要想具有相同的使用寿命，受弯构件的抗冻性要求应该高于受压构件。以数据为例，按现行混凝土抗冻性评价方法，该配合比混凝土的抗冻等级可以评定为F100。但在75次冻融循环以后，混凝土的抗折强度下降到49%，肯定无法继续满足承载能力的要求。

　　此外，混凝土构件在实际应用中是处于应力状态。混凝土在应力作用下的抗冻性表现与单一冻融因素作用下的表现肯定存在差异。在压应力作用下，由于压应力对裂缝的闭合作用，不但阻止了裂缝的扩展，而且与非压应力作用下试件相比，压应力作用下试件的饱水度降低，这两方面对混凝土的抗冻性均有利。从而使得混凝土在压应力作用下的抗冻性高于单一冻融因素作用下的抗冻性；或者说，压应力状态下的混凝土构件在冻融循环作用下其抗压强度的下降速率比单一冻融因素作用的慢。但在弯拉应力作用下，结果刚好与上述相反。文献研究了弯曲应力作用下混凝土的抗冻性，认为在0.25、0.50弯拉应力水平作用下，混凝土的抗冻融循环次数很少。外部弯曲应力对混凝土的冻融循环次数影响极大，当应力水平为50%时，水灰比为0.26~0.42（强度为C40~C80的非引气混凝土）的混凝土经过20~40次冻融循环便发生破坏。

　　综上所述，对于受压混凝土构件，虽然冻融造成了混凝土的抗压强度下降，但其下降幅度与抗折强度相比小很多，此外，由于压应力对混凝土的抗冻性有利，使得混凝土在受压状态下抗压强度下降不大，因此，以相对动弹性模量下降到60%时的冻融循环次数来评价受压混凝土的抗冻性是比较合理的。但对于受弯混凝土构件，由于在冻融循环作用下，混凝土的抗折强度下降幅度很大，且在拉应力作用下，混凝土的抗冻性急剧下降，从另外一个角度来说，就是更进一步加剧了抗折强度的下降，因此，以相对动弹性模量下降到60%时的冻融循环次数来评价受拉混凝土的抗冻性过于宽松。

　　路面混凝土在实际应用中是薄壁受弯构件，抗折强度是其重要的控制指标，因此，如果仍然以动弹性模量作为混凝土的抗冻性评价指标，应大幅提高相对动弹性模量的临界值。

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　　3.2.2冻融对混凝土疲劳寿命的影响

　　混凝土在荷载作用下的疲劳寿命与应力比成对数关系，也就是说应力比对混凝土的疲劳寿命影响非常大。由上述分析可知，混凝土的抗折强度随着冻融循环次数的增加而急剧下降，与不经受冻融作用的混凝土路面相比，在相同的车辆荷载作用下，经受冻融作用的混凝土路面随着冻融循环次数的增加，混凝土弯拉应力比不断增大，使得混凝土路面的使用寿命大大减少。从疲劳消耗的角度来分析这个问题，如果用混凝土的抗折强度衡量其抗疲劳消耗能力，则混凝土路面会因为冻融循环作用使其抗疲劳消耗能力降低，导致寿命缩短。因此，冻融对混凝土路面使用寿命的影响是非常大的。但我国水泥混凝土路面结构设计是以行车荷载和温度梯度综合作用产生的疲劳断裂作为设计的极限状态，没有考虑冻融的疲劳消耗作用。笔者认为，这也是我国寒区水泥混凝土路面没有达到设计使用年限而过早破坏的主要原因之一。

　　为了定性地了解冻融循环作用对混凝土疲劳寿命的影响，本文采用文献[4]的试验数据，以等效疲劳损耗原理分析了冻融对混凝土疲劳寿命的影响。

　　本文以经受n次冻融循环后混凝土残留抗折强度与初始抗折强度之比来评价冻融作用对混凝土的损伤程度。假设该混凝土的初始抗折强度为，混凝土经受n1次冻融循环后的残留抗折强度为。

　　试验表明，冻融对混凝土路面的使用寿命影响非常大。虽然对于不同强度等级的混凝土以及混凝土是否引气，冻融作用对混凝土疲劳寿命的影响在量上存在差异，但冻融对疲劳寿命的影响是客观存在的，因此，使得寒区的混凝土路面大都提前破坏。产生这个问题固然有现行的路面结构设计方法不合理的原因（本文作者认为寒区水泥混凝土路面结构设计应以行车荷载、温度梯度和冻融损伤综合作用产生的疲劳断裂作为设计的极限状态），但评价指标选择不合理，冻融破坏临界值偏低也是主要原因之一。如果能以抗折强度替换动弹性模量作为混凝土抗冻性评价指标且选用较高的临界值，那么冻融循环作用对混凝土路面使用寿命的影响将会小很多。因此，要想使得所设计的寒冷地区的混凝土路面能够达到预期的使用寿命，必须从两个方面去解决这个问题，首先要选用对混凝土的损伤更敏感的评价指标，如抗折强度，制定更高的损坏临界值，以提高对混凝土的抗冻性要求，从而减小冻融循环作用对混凝土路面寿命的影响程度；其次要完善混凝土路面结构设计方法，在设计过程中合理的考虑冻融作用对混凝土路面寿命的影响。

　　综上所述，通过分析冻融作用对混凝土抗折强度和疲劳寿命的影响，认为现行的路面混凝土抗冻性评价方法以相对动弹性模量下降至60%作为混凝土冻融破坏的临界值明显偏低，应予以提高。如《水运工程混凝土试验规程》（JTJ 270-98）就将该临界值提高到了75%。对于路面混凝土提高到到什么程度合适，需结合路面工程的特点作进一步的分析和研究。

　　4．试件与水的接触方式

　　混凝土路面只有面层暴露在空气中并产生剥落。考虑到模拟冻融对混凝土路面的破坏，又避免试件侧面剥落增大试验误差，建议室内冻融试验只让试件的一面与水接触。具体的接触方式可以借鉴国内外盐冻剥蚀试验方法中的盐溶液与试件的接触方式。

　　5．结论与建议

　　本文在分析混凝土冻融循环次数对强度、疲劳寿命影响的基础上，并结合路面混凝土的使用要求、受力和破坏方式以及设计标准和控制指标等特点，指出了现行路面用水泥混凝土冻融试验方法中的不足，得出如下几点结论和建议。

　　1．通过分析冻融作用对混凝土抗折强度和疲劳寿命的影响，认为现行的路面混凝土抗冻性试验方法以相对动弹性模量下降至60%作为混凝土冻融破坏的临界值明显偏低；且由于抗折强度随冻融循环次数的变化比动弹性模量更敏感，建议以抗折强度损失率替换相对动弹性模量作为路面混凝土的抗冻性评价指标之一，对于其临界值的确定尚需做进一步的研究。但考虑到直接以抗折强度损失率作为评价指标会大大增加试验的工作量，而动弹性模量是无损检测指标，可考虑建立抗折强度损失率和相对动弹性模量之间的对应关系，实际上以抗折强度损失率为抗冻性评价指标，但通过相对动弹性模量来控制。

　　2．以质量损失率5%作为路面混凝土冻融破坏的临界值过于宽松，建议以1.5%作为质量损失率的临界值，或以单位面积的剥落量替代质量损失率作为混凝土抗冻性评价指标之一，并将其临界值定为0.8kg/m²。

　　3．冻融对混凝土路面的使用寿命影响非常大，要想使得所设计的寒冷地区的混凝土路面能够达到预期的使用寿命，首先要选用对混凝土的损伤更敏感的评价指标，如抗折强度，制定更高的损坏临界值，以提高对混凝土的抗冻性要求；其次要完善混凝土路面结构设计方法，在设计过程中合理的考虑冻融作用对混凝土路面寿命的影响。

　　4．考虑到模拟冻融对混凝土路面的破坏，又避免试件侧面剥落增大试验误差，建议室内冻融试验只让试件的一面与水接触。

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