對路面混凝土抗凍性試驗和評價方法的探討

摘要：在分析凍融作用對混凝土強(qiáng)度、疲勞壽命影響的基礎(chǔ)上，結(jié)合路面混凝土的使用要求、受力和破壞方式、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和控制指標(biāo)等特點(diǎn)，指出了現(xiàn)行路面用水泥混凝土凍融試驗方法和評價方法中的不足。認(rèn)為以質(zhì)量損失率5%、相對動彈性模量60%作為混凝土凍融破壞的臨界值過于寬松，建議降低質(zhì)量損失率的值，以抗折強(qiáng)度損失率替換相對動彈性模量作為路面混凝土的抗凍性評價指標(biāo)，或相應(yīng)提高相對動彈性模量的值。

關(guān)鍵詞：路面混凝土，凍融試驗方法，評價指標(biāo)，質(zhì)量損失率，動彈性模量，臨界值

　1．前言

我國現(xiàn)行的混凝土抗凍性試驗方法普遍是以美國ASTM C666(A)方法為基礎(chǔ)的，試件的凍結(jié)和融化均在水中進(jìn)行。以混凝土的動彈性模量、質(zhì)量損失率和相對耐久性指數(shù)作為評價指標(biāo)，以質(zhì)量損失率達(dá)5%或相對動彈性模量下降至60%作為混凝土凍融破壞的臨界值，并規(guī)定以相對動彈性模量下降至60%或質(zhì)量損失達(dá)5%時的凍融循環(huán)次數(shù)作為混凝土的抗凍標(biāo)號，以此評價混凝土的抗凍性。我國1994年修訂的《公路工程水泥混凝土試驗規(guī)程》[1]采用了與之相同的抗凍性試驗和評價方法。

基金項目：江蘇省自然科學(xué)基金項目

作者簡介：洪錦祥，男，安徽省安慶人，東南大學(xué)博士研究生，主要研究方向為混凝土耐久性。

現(xiàn)行試驗方法的缺陷就是沒有考慮到混凝土的實(shí)際使用環(huán)境和條件，很多人將混凝土的抗凍性看作是混凝土的一個本質(zhì)屬性，認(rèn)為與實(shí)際使用環(huán)境和條件無關(guān)。但實(shí)際情況是，混凝土抗凍與否是與其實(shí)際使用環(huán)境和條件密切相關(guān)的，一種混凝土在某種環(huán)境條件下是抗凍的，在另外一種環(huán)境條件下可能就不能滿足抗凍要求。而且作者認(rèn)為這里所指的“環(huán)境條件”不僅是指自然環(huán)境，還應(yīng)包括混凝土的使用要求、受力和破壞方式等內(nèi)容。Powers早年說過，混凝土本身并沒有抗凍性或耐久性這樣一種內(nèi)在性質(zhì)，試圖從這樣的觀點(diǎn)衡量抗凍性是徒勞的。

水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)與一般的建筑結(jié)構(gòu)相比，在使用要求、使用方式、受力條件和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)等方面存在特殊性。采用目前試驗方法所規(guī)定的試件與溶液的接觸方式、評價指標(biāo)以及凍融損壞臨界值是否合理，為此本文進(jìn)行了討論。

2. 評價指標(biāo)

經(jīng)受一定次數(shù)的凍融循環(huán)后，混凝土的質(zhì)量損失率、強(qiáng)度損失率、動彈性模量損失率等都可以作為其劣化或損傷的評價指標(biāo)。華中科技大學(xué)的趙霄龍分別以水中凍融和鹽溶液中凍融循環(huán)作為試驗條件，研究具有不同耐久性的混凝土在凍融過程中多種宏觀性能劣化的敏感程度。其通過比較認(rèn)為，以抗折強(qiáng)度損失率作為混凝土凍融耐久性的評價指標(biāo)，可以更為及時準(zhǔn)確地反映凍融過程中混凝土性能的劣化程度。

鄭州大學(xué)的程紅強(qiáng)等研究了凍融對混凝土強(qiáng)度的影響。

　結(jié)果顯示，抗折強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化比其它指標(biāo)更敏感。中國水利水電科學(xué)研究院通過對C60~C100高強(qiáng)混凝土抗凍性的研究，得出了同樣的結(jié)論，認(rèn)為高強(qiáng)混凝土凍融破壞的評定指標(biāo)僅以相對動彈性模量和質(zhì)量損失率來衡量是不夠的，并強(qiáng)調(diào)是否以試件在凍融過程中抗折強(qiáng)度的下降程度來綜合評定是今后尚需進(jìn)一步研究的課題，特別是要結(jié)合工程的實(shí)際控制指標(biāo)來綜合考慮，其最后還建議，以抗折(抗彎)強(qiáng)度為控制指標(biāo)的混凝土結(jié)構(gòu)，增加抗折強(qiáng)度作為混凝土抗凍性評價指標(biāo)。

抗折強(qiáng)度是水泥混凝土路面設(shè)計的一個重要指標(biāo)，因此，筆者建議以抗折強(qiáng)度損失率替換動彈性模量作為路面混凝土的抗凍性評價指標(biāo)之一，且對于其臨界值的確定需做進(jìn)一步的研究。但考慮到直接以抗折強(qiáng)度損失率作為評價指標(biāo)會增加試驗的工作量，而動彈性模量是無損檢測指標(biāo)，可考慮建立抗折強(qiáng)度損失率和相對動彈性模量之間的對應(yīng)關(guān)系，實(shí)際上以抗折強(qiáng)度損失率為抗凍性評價指標(biāo)，但通過相對動彈性模量來控制。

3. 凍融損壞臨界值

混凝土凍融損壞臨界值的高低將直接影響混凝土抗凍性的評價。但由于不同的工程結(jié)構(gòu)對混凝土的要求存在較大的差別，采用統(tǒng)一的損壞臨界值就不甚合理。因此，臨界值的確定必須考慮到混凝土的實(shí)際使用條件、特點(diǎn)和要求。

3.1質(zhì)量損失率

現(xiàn)行混凝土抗凍性試驗方法雖然將混凝土的質(zhì)量損失率作為其評價指標(biāo)之一，并規(guī)定以質(zhì)量損失率5%作為混凝土凍融破壞的臨界值。對于在凍融作用下，如果質(zhì)量損失在5%以內(nèi)只是影響外觀，不影響建筑物的安全和使用的工程結(jié)構(gòu)，將質(zhì)量損失率5%作為混凝土凍融損壞臨界值是合理的。但混凝土路面的平整度要求較高，按照《公路水泥混凝土路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，當(dāng)路面表面露骨深度大于3mm，則病害等級為“嚴(yán)重”。而有試驗結(jié)果表明，當(dāng)質(zhì)量損失達(dá)5%時，混凝土表面的最大剝落深度達(dá)5mm。美國制定的混凝土抗鹽凍剝蝕試驗方法按照表面剝落的嚴(yán)重性分成六個等級，“0”表示沒有剝落，1級為非常輕微的剝落，2級為介于輕微和中度剝落，3級為中度剝落，4級介于中度和嚴(yán)重剝落之間，5級為嚴(yán)重剝落。Marchand和Pigeon通過試驗研究建立了鹽凍剝落等級與剝落量之間的對應(yīng)關(guān)系，如圖2。如果將質(zhì)量損失率5%換算成單位面積剝落量為：2.67 kg/m2，從圖2中可以看出，當(dāng)剝落量為2.67kg/ m2時，混凝土的剝落等級為3~4級，表明有相當(dāng)多的粗集料暴露。因此，以質(zhì)量損失率5%作為路面混凝土凍融損壞臨界值不合理，過于寬松。

那么混凝土在凍融作用下質(zhì)量損失率的臨界值定為多少合理呢？作者認(rèn)為，面對路面相同的使用要求，不管混凝土是在純水中凍融還是遭受鹽凍，混凝土的抗凍性評價指標(biāo)及其破壞的臨界值應(yīng)該是一致，因此，質(zhì)量損失率的臨界值可借鑒鹽凍研究成果。

目前大多數(shù)鹽凍試驗方法普遍提出以混凝土單位面積的剝落量作為抗鹽凍的評價指標(biāo)，楊全兵建議以剝落量小于1.0kg/m2作為抗鹽凍剝蝕性能可接受的標(biāo)準(zhǔn)，即臨界值，張國強(qiáng)則建議剝落量應(yīng)小于0.8kg/m2，將其換算成質(zhì)量損失率則分別為：1.87%、1.50%。

因此，為安全起見，本文建議以1.5%作為質(zhì)量損失率的臨界值，或以單位面積的剝落量替代質(zhì)量損失率作為混凝土抗凍性評價指標(biāo)之一，并將其臨界值定為0.8kg/m2。

3.2動彈性模量

由于動彈性模量的變化可以反映混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的劣化，因此目前的凍融試驗方法采用其其作為混凝土抗凍性評價指標(biāo)之一。

3.2.1凍融對混凝土強(qiáng)度的影響

由于混凝土試件受壓時其內(nèi)部的裂縫有一部分會閉合，受彎時其受拉區(qū)的微裂縫將加速擴(kuò)展，因此混凝土在拉伸荷載作用下微裂縫的擴(kuò)展比壓荷載作用更為迅速。而混凝土經(jīng)受一定次數(shù)凍融循環(huán)后，混凝土內(nèi)部將會使原有的裂紋擴(kuò)展或萌生新的微裂紋。因此可以預(yù)見凍融作用對混凝土抗折強(qiáng)度的影響比抗壓強(qiáng)度大。

在相對動彈性模量、抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度這四個指標(biāo)中，抗折強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加下降速度最快，而抗壓強(qiáng)度要慢得多。當(dāng)混凝土的相對動彈性模量下降到64%時，混凝土的抗折強(qiáng)度只有初始強(qiáng)度的34%，而抗壓強(qiáng)度是初始強(qiáng)度的64%，劈拉強(qiáng)度為初始的72%。由于凍融作用對混凝土抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度影響的顯著差異，因此，在相同使用環(huán)境中遭受凍融作用的混凝土構(gòu)件，要想具有相同的使用壽命，受彎構(gòu)件的抗凍性要求應(yīng)該高于受壓構(gòu)件。以數(shù)據(jù)為例，按現(xiàn)行混凝土抗凍性評價方法，該配合比混凝土的抗凍等級可以評定為F100。但在75次凍融循環(huán)以后，混凝土的抗折強(qiáng)度下降到49%，肯定無法繼續(xù)滿足承載能力的要求。

此外，混凝土構(gòu)件在實(shí)際應(yīng)用中是處于應(yīng)力狀態(tài)?；炷猎趹?yīng)力作用下的抗凍性表現(xiàn)與單一凍融因素作用下的表現(xiàn)肯定存在差異。在壓應(yīng)力作用下，由于壓應(yīng)力對裂縫的閉合作用，不但阻止了裂縫的擴(kuò)展，而且與非壓應(yīng)力作用下試件相比，壓應(yīng)力作用下試件的飽水度降低，這兩方面對混凝土的抗凍性均有利。從而使得混凝土在壓應(yīng)力作用下的抗凍性高于單一凍融因素作用下的抗凍性；或者說，壓應(yīng)力狀態(tài)下的混凝土構(gòu)件在凍融循環(huán)作用下其抗壓強(qiáng)度的下降速率比單一凍融因素作用的慢。但在彎拉應(yīng)力作用下，結(jié)果剛好與上述相反。文獻(xiàn)研究了彎曲應(yīng)力作用下混凝土的抗凍性，認(rèn)為在0.25、0.50彎拉應(yīng)力水平作用下，混凝土的抗凍融循環(huán)次數(shù)很少。外部彎曲應(yīng)力對混凝土的凍融循環(huán)次數(shù)影響極大，當(dāng)應(yīng)力水平為50%時，水灰比為0.26~0.42的混凝土經(jīng)過20~40次凍融循環(huán)便發(fā)生破壞。

綜上所述，對于受壓混凝土構(gòu)件，雖然凍融造成了混凝土的抗壓強(qiáng)度下降，但其下降幅度與抗折強(qiáng)度相比小很多，此外，由于壓應(yīng)力對混凝土的抗凍性有利，使得混凝土在受壓狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度下降不大，因此，以相對動彈性模量下降到60%時的凍融循環(huán)次數(shù)來評價受壓混凝土的抗凍性是比較合理的。但對于受彎混凝土構(gòu)件，由于在凍融循環(huán)作用下，混凝土的抗折強(qiáng)度下降幅度很大，且在拉應(yīng)力作用下，混凝土的抗凍性急劇下降，從另外一個角度來說，就是更進(jìn)一步加劇了抗折強(qiáng)度的下降，因此，以相對動彈性模量下降到60%時的凍融循環(huán)次數(shù)來評價受拉混凝土的抗凍性過于寬松。

路面混凝土在實(shí)際應(yīng)用中是薄壁受彎構(gòu)件，抗折強(qiáng)度是其重要的控制指標(biāo)，因此，如果仍然以動彈性模量作為混凝土的抗凍性評價指標(biāo)，應(yīng)大幅提高相對動彈性模量的臨界值。