超低溫凍融循環(huán)作用下的混凝土強(qiáng)度

謝 劍，吳洪海

（天津大學(xué)a.建筑工程學(xué)院；b.濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

隨著中國(guó)對(duì)LNG和LPG產(chǎn)業(yè)的發(fā)展越來(lái)越重視、西部大開發(fā)戰(zhàn)略和東北老工業(yè)基地振興計(jì)劃的實(shí)施、海洋環(huán)境下的浮動(dòng)碼頭建設(shè)的開展，低溫深冷環(huán)境下的土木工程建設(shè)正在興起?；炷?、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)建設(shè)已步入一個(gè)新的高度和領(lǐng)域，也不可避免遇到一系列新問(wèn)題，超低溫凍融循環(huán)作用對(duì)混凝土的影響便是其中之一。

國(guó)內(nèi)，凍融循環(huán)對(duì)混凝土影響僅作為一個(gè)耐久性課題，大多集中于常溫到－30℃左右的循環(huán)作用［1－6］，由于受到工程背景、技術(shù)設(shè)備條件的限制，超低溫凍融循環(huán)下混凝土性能研究幾乎是空白；國(guó)外，歐美、日本等幾個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家通過(guò)一系列試驗(yàn)研究已取得了大量研究成果：美國(guó)學(xué)者M(jìn)onfor提出，飽和硅酸鹽水泥混凝土經(jīng)12次凍融循環(huán)，在最低溫度為－30℃、－70℃、－170℃時(shí)抗壓強(qiáng)度分別降低50%、60%和55%，抗拉強(qiáng)度降低60%、70%和70%，常溫～－70℃的循環(huán)作用對(duì)混凝土損傷最大［7－8］。文獻(xiàn)［9］中提到，20 ℃～－196℃凍融循環(huán)3次，混凝土抗壓強(qiáng)度降低50%，彈性模量降低90%。文獻(xiàn)［8－11］中提到，隨著凍融次數(shù)的增多、循環(huán)時(shí)最低溫度的降低、水膠比的提高、環(huán)境含水量的增大，凍融損傷的程度越嚴(yán)重，而含氣量的增加對(duì)抗凍性是有利的。此外降溫速率對(duì)凍融損傷的程度也有較大的影響，降溫速率提高會(huì)加重?fù)p傷的程度，降溫速率降低70%時(shí)，混凝土的損傷程度明顯降低［11－13］。

由于地理?xiàng)l件、試驗(yàn)條件差異等原因，國(guó)外的研究資料不能直接用于國(guó)內(nèi)低溫混凝土的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。本試驗(yàn)利用低溫冰箱和超低溫液氮環(huán)境箱實(shí)現(xiàn)了常溫到－180℃范圍內(nèi)快速降溫，通過(guò)對(duì)比不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土強(qiáng)度凍融前后外觀變化、強(qiáng)度損失及SEM電鏡下混凝土材料微觀結(jié)構(gòu)的變化，以研究超低溫凍融循環(huán)作用對(duì)混凝土性能的影響程度及凍融損傷的機(jī)理，并與已有研究成果進(jìn)行對(duì)比分析。

1 試件設(shè)計(jì)和試驗(yàn)方法

1.1 試件設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)水泥采用天津水泥實(shí)業(yè)公司生產(chǎn)的P.O.42.5級(jí)水泥，細(xì)骨料為中砂，粗骨料為連續(xù)級(jí)配的碎石，最大粒徑為25mm。試塊尺寸均為150×150×150mm3，試驗(yàn)參數(shù)包括凍融循環(huán)次數(shù)、循環(huán)時(shí)的最低溫度、水膠比及外界環(huán)境的濕度，共設(shè)計(jì)24組試件，每組3個(gè)，主要觀察凍融循環(huán)前后混凝土外觀變化，量測(cè)其抗壓和劈裂強(qiáng)度，并收集殘樣，在SEM掃描電鏡下觀察其微觀結(jié)構(gòu)的變化，進(jìn)而以探究超低溫凍融循環(huán)作用對(duì)混凝土強(qiáng)度的損傷機(jī)理。試件的施工配合比見表1，其中C60混凝土加入高效減水劑，1m3混凝土摻量為1.6kg。

表1 1m3混凝土的施工配合比

1.2 降溫及回溫

試驗(yàn)采用低溫冰箱和超低溫液氮環(huán)境箱兩種降溫設(shè)備。－80℃以上，采用冰箱降溫；－80℃～－180℃之間，為提高降溫效率，采用液氮物理降溫，降溫過(guò)程中，定時(shí)監(jiān)測(cè)試塊的溫度。測(cè)溫設(shè)備為鉑金溫度傳感器，其預(yù)先埋入混凝土試塊中央，并通過(guò)LU－906M智能調(diào)節(jié)儀顯示［14］。

參照《普通混凝土長(zhǎng)期性和耐久性試驗(yàn)方法》GB／T 50082—2009，試驗(yàn)前，混凝土試塊浸泡水中4d，擦干降溫；降到設(shè)定溫度后，將試塊泡入水中回溫48h，回溫時(shí)保證水面至少?zèng)]入試塊上表面20mm。為考慮環(huán)境濕度的影響，部分試塊采用自然回溫。試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，10次凍融循環(huán)作用后，C30試塊混凝土邊角砂漿脫落，骨料外露，表面產(chǎn)生了很多裂紋，且其受到的損傷有隨溫度的降低而加大的趨勢(shì)，如見圖1所示。

圖1 C30混凝土凍融10次前后表面對(duì)比

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 混凝土強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB／T 50081—2002，在天津大學(xué)建材實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。凍融循環(huán)作用后，試件強(qiáng)度離散性變大，分析認(rèn)為，超低溫凍融循環(huán)作用將放大混凝土初始缺陷，對(duì)于初始缺陷較多的試件，水分遷徙和凍脹時(shí)將產(chǎn)生更大的損傷，從而在較少的循環(huán)次數(shù)下產(chǎn)生更大的破壞作用（見表2）。

表2 各組試件實(shí)測(cè)強(qiáng)度平均值強(qiáng)度

從圖2中可以看出，10次循環(huán)作用下，C30混凝土抗壓強(qiáng)度在－40℃、－80℃分別降低11.8%、26.3%；C40混凝土在－40℃、－80℃抗壓強(qiáng)度分別降低13.2%、20.9%。與常規(guī)的常溫～－40℃的凍融循環(huán)相比，常溫～－80℃時(shí)損傷作用要增加1倍甚至更高，且凍融循環(huán)作用產(chǎn)生的損傷有隨著溫度降低而加大的趨勢(shì)，超低溫凍融循環(huán)對(duì)混凝土的影響不容忽視。

相對(duì)于抗壓強(qiáng)度，凍融循環(huán)作用對(duì)抗拉強(qiáng)度影響更大，常溫～－80℃凍融循環(huán)，C30、C40、C60混凝土抗拉強(qiáng)度分別降低41.2%、29.2、9.4%，是相同條件混凝土抗壓強(qiáng)度損失率的1.5倍?？梢?，凍融循環(huán)作用下，對(duì)混凝土孔徑結(jié)構(gòu)分布和內(nèi)部缺陷更敏感的抗拉強(qiáng)度受到的不利影響更嚴(yán)重。

超低溫－120℃、－160℃的試驗(yàn)組，試驗(yàn)僅做3次循環(huán)。從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，與低溫下的凍融循環(huán)作用相似，超低溫凍融循環(huán)作用對(duì)抗拉強(qiáng)度影響更大。常溫～－120℃，C40混凝土抗拉強(qiáng)度降低33%，而對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響較小，僅為9.4%。分析認(rèn)為，液氮降溫速率快，尤其是降溫過(guò)程中，混凝土材料由外向內(nèi)會(huì)產(chǎn)生很大的溫度梯度，從而引起很大的溫度應(yīng)力，在循環(huán)次數(shù)較少的情況下，損傷主要來(lái)源于快速降溫和回溫所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力。

從圖2和圖3中，可以看出，在相同的條件下，混凝土的強(qiáng)度損失隨強(qiáng)度等級(jí)的提高而減小。尤其是C60混凝土，試件水膠比小，且添加了高效減水劑，經(jīng)較少次數(shù)循環(huán)后，強(qiáng)度變化不大，抗拉強(qiáng)度甚至略有提高。這是因?yàn)榛炷翉?qiáng)度等級(jí)越高，水膠比越小，水泥基材料硬化和混凝土養(yǎng)護(hù)過(guò)程中所產(chǎn)生的缺陷越少，相應(yīng)地，凍融循環(huán)作用下外界環(huán)境中水分向內(nèi)遷徙和凍脹作用所產(chǎn)生的損傷也會(huì)大大減弱。

圖2 10次循環(huán)混凝土強(qiáng)度與循環(huán)時(shí)最低溫度關(guān)系

圖3 3次循環(huán)混凝土強(qiáng)度與循環(huán)時(shí)最低溫度關(guān)系

2.2 混凝土微觀結(jié)構(gòu)影響

SEM掃描電鏡試驗(yàn)可以從微觀結(jié)構(gòu)層面解釋超低溫凍融循環(huán)作用損傷機(jī)理。作為一種疏松多孔材料，混凝土抗拉強(qiáng)度較低。降溫過(guò)程中，隨著溫度的降低，尤其是到－78℃以下時(shí)，混凝土材料中內(nèi)部自由水、吸附水和部分小孔徑毛細(xì)水凍結(jié)膨脹，擠壓孔壁使混凝土產(chǎn)生細(xì)微裂縫；回溫融化后裂縫不會(huì)閉合，作為一種缺陷存在。隨著循環(huán)次數(shù)的增多，混凝土砂漿孔徑逐漸增大，裂縫將不斷深入，進(jìn)一步為外界環(huán)境水分的遷徙和下一步更大的凍脹作用提供了更有利的條件，從而加劇混凝土破壞過(guò)程。同時(shí)，超低溫凍融循環(huán)常伴隨著較高降溫速率所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力，使混凝土受力更為復(fù)雜，在多應(yīng)力場(chǎng)作用下加速破壞進(jìn)程。

以上多因素的綜合作用造成其強(qiáng)度、彈性模量的降低，直至表面開裂、邊角剝蝕脫落等宏觀現(xiàn)象，而微觀結(jié)構(gòu)特別是孔徑分布的變化是混凝土強(qiáng)度、質(zhì)量等宏觀量值改變的根本原因［15－16］。SEM電鏡試驗(yàn)試樣取自各組試塊強(qiáng)度試驗(yàn)后殘樣，以下是各混凝土砂漿試樣經(jīng)過(guò)表面噴金處理后，在5000倍SEM電鏡下的微觀形態(tài)。

分析圖4和圖5可知，與凍融前或常溫～－40℃的凍融作用相比，C30、C40混凝土在常溫～－80℃，C40試塊在常溫～－160℃的凍融循環(huán)作用下，水泥水化而成的凝膠產(chǎn)物均呈現(xiàn)出絲狀，在若干次水分凍脹作用后凝膠被撕扯的痕跡隨著循環(huán)時(shí)最低溫度的下降變得更為明顯；相應(yīng)地，混凝土材料孔徑結(jié)構(gòu)均發(fā)生了明顯的變化，原有的獨(dú)立分布小孔在凍融循環(huán)后，逐漸貫穿、連通，形成了更大的孔徑，繼而逐漸演變成為毛細(xì)孔。而宏觀上則表現(xiàn)為材料逐漸疏松，缺陷加大，質(zhì)量減小等，從而造成其抗壓、抗拉強(qiáng)度的降低。

圖4 C30混凝土凍融前后的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)比

圖5 C40混凝土凍融前后微觀結(jié)構(gòu)對(duì)比

分析圖6可知，相比C30和C40混凝土，水膠比小且添加了高效減水劑的C60混凝土，由于其抗拉強(qiáng)度較高且試件存在的初始缺陷少，因此凍融循環(huán)過(guò)程中水分的遷徙會(huì)受到很大的抑制，經(jīng)歷相同條件和相同次數(shù)的凍融作用后，混凝土砂漿表面仍然很致密，孔徑結(jié)構(gòu)分布與凍融前變化不大。

圖6 C60混凝土凍融前后微觀結(jié)構(gòu)對(duì)比

此外對(duì)比自然回溫的C30混凝土，泡水回溫后混凝土孔徑變化更明顯。可見外界環(huán)境的濕度對(duì)凍融循環(huán)作用下混凝土的性能也有較大的影響。

綜合凍融循環(huán)前后混凝土的外觀變化情況及各組混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)和SEM掃描電鏡的試驗(yàn)結(jié)果，可以得出：超低溫凍融循環(huán)作用下，隨著凍融次數(shù)的增加、循環(huán)時(shí)最低溫度下降、水膠比及使用環(huán)境中含水量的增大，混凝土損傷作用有加大的趨勢(shì)。這與文獻(xiàn)［17］中提出的結(jié)論是相符的。

3 結(jié) 論

1）較常規(guī)凍融循環(huán)，超低溫凍融循環(huán)損傷作用更大，－80℃時(shí)大約增加1倍，且損傷程度有隨溫度的降低而加重的趨勢(shì)。

2）超低溫凍融循環(huán)對(duì)低標(biāo)號(hào)、水膠比較大、初始缺陷較多的C30、C40混凝土損傷作用較大；在循環(huán)次數(shù)較少的情況下，對(duì)高標(biāo)號(hào)C60混凝土影響相對(duì)較小。

3）較抗壓強(qiáng)度或使用環(huán)境濕度不大的混凝土結(jié)構(gòu)，超低溫凍融循環(huán)對(duì)混凝土抗拉強(qiáng)度和含水量較大的結(jié)構(gòu)的影響更為顯著。

4）環(huán)境中或?qū)﹂_裂及防滲有特殊要求的結(jié)構(gòu)，有必要采取更嚴(yán)格的措施削弱超低溫凍融循環(huán)作用的不利影響。

［1］周志云，孫敏，呂禮春.混凝土凍融變形的試驗(yàn)研究［J］.混凝土，2010，（4）：20－27.Zhou Zhi－yun，Sun Min，Lv Li－chun.Deformations of concrete under different freeze－thaw test conditions ［J］.Concrete，2010，（4）：20－27.

［2］冀曉東，宋玉普.鋼筋與混凝土黏結(jié)性能凍融破壞的力學(xué)分析［J］.水力學(xué)報(bào)，2009，（12）：1495－1499.Ji Xiao－dong，Song Pu－yu.Mechanic analysis on the failure of bond behavior between concrete and steel bar when suffered from frost injury［J］.SHUILI XUEBAO.

［3］侯文琦，葉梅新.青藏鐵路鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)低溫試驗(yàn)研究［J］.湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，（3）：53－54.Hou Wen－qi，Ye Mei－xin.Study of steel－concrete composite structures of qinghai－tibet railway under low temperature［J］.Journal of Hunan University of Science ＆ Technology（Natural Science Edition），2004，（3）：53－54.

［4］方永浩，陳燁，肖婷.凍融作用下硬化水泥漿體和混凝土結(jié)構(gòu)的變化［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2007，（4）：157－159.Fang Yong－h(huán)ao，Chen Ye，Xiao Ting.Effect of freeze－thaw on the structure of hardened cement paste and concrete［J］.Materials Review，2007，（4）：157－159.

［5］李金平，盛煜，丑亞玲.混凝土凍融破壞研究現(xiàn)狀［J］.路基工程，2007，（3）：1－3.Li Jin－ping，Sheng Yu，Chou Ya－ling.Recent studies of concrete to freeze－thaw damage［J］.Subgrade Engineering，2007，（3）：1－3.

［6］冀曉東，趙寧，宋玉普.凍融循環(huán)作用后變形鋼筋與混凝土粘結(jié)性能退化研究［J］.工業(yè)建筑，2010.40（1）：87－91.Ji Xiao－dong，Zhao Ning，Song Yu－pu.Experimental study on bond behavior＇s deterioration between deformed steel bar andconcrete after freezing and thawing［J］.Industrial Construction，2010.40（1）：87－91.

［7］Lahlou Dahmani，Amar Khenane，Salah Kaci.Behavior of the reinforced concrete at cryogenic temperatures［J］.Cryogenics，2007，（47）：517－525.

［8］Takashi，Miura.The properties of concrete at very low temperatures.Materials and structures［J］.1989，（22）：243－254.

［9］山根昭，趙克志.超低溫混凝土［J］.低溫建筑技術(shù)，1980，（1）：57－60.Yamane Sho，Zhao Ke－zhi.Concrete under cryogenic low temperature［J］.Low Temperature Architecture Technology，1980，（1）：57－50.

［10］Shashank Bioshnoi.Strain variations in concrete subjected to cyclic freezing and thawing，2004：1－84.

［11］G.C.Lee，T.S.Shih，K.C.Chang.Mechanical properties of concrete at low temperature［J］.Journal of Cold Regions Engineering，1988，（2）：13－24.

［12］王傳星，謝劍，楊建江.超低溫環(huán)境下混凝土的性能［J］.低溫建筑技術(shù)，2009，135（9）：8－10.Wang Chuan－xing，Xie Jian，Yang Jian－jiang.Properties of concrete under extremely low temperature［J］.Low Temperature Architecture Technology，2009，135（9）：8－10.

［13］F.S.Rostasy，U.Schneider，G.Wiedemann.Behavior of mortar and concrete at extremely low temperatures［J］.Cement and Concrete Research，1979：365－376.

［14］謝劍，李會(huì)杰，王傳星，等.超低溫環(huán)境下鋼筋混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究的進(jìn)展及展望［A］.第四屆結(jié)構(gòu)工程新進(jìn)展國(guó)際論壇論文集［C］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010：88－95.Xie Jian，Li Hui－jie，Wang Chuan－xing，et al.Research progress and prospects on mechanical properties of concrete at cryogenic temperatures［A］.Proceedings of the Fourth International Forum on Advances in Structural Engineering［C］.Beijing：China Architecture ＆ Building Press，2010：88－95.

［15］余紅發(fā)，劉俊龍，張?jiān)粕?，?高性能混凝土微觀結(jié)構(gòu)及其高耐久性形成機(jī)理［J］.南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，（2）：240－243.Yu Hong－fa，Liu Jun－long，Zhang Yun－sheng，et al.Microstructure and durability forming mechanism of high performance concrete［J］.Journal of Nanjing University of Aeronautics ＆Astronautics，2007，（2）：240－243.

［16］蘇根達(dá)，鐘曉敏.海水環(huán)境下混凝土耐久性研究［J］.工業(yè)建筑，2008，（5）：63－65.Su Gen－Da，Zhong Xiao－min.Research on the durability of concrete in marine environment［J］.Industrial Construction，2008，（5）：63－65.

［17］葉建雄，陳越，張靖，等.水泥基材料超低溫凍融循環(huán)試驗(yàn)研究［J］.土木建筑與環(huán)境工程，2010，（5）：125－129.Ye Jian－xiong，Chen Yue，Zhang Jing，et al.Experimental analysis of freeze－thaw recycle with ultra－low temperature for cementitious material［J］.tumu jianzhu yu huanjing gongcheng，2010，（5）：125－129.