温和地区低抗冻等级混凝土含气量控制标准的试验研究

时间：2024-12-28

周斌，肖翔，陈宏松，白银，宁逢伟

（1.扬州市瓜洲泵站工程建设处，江苏扬州 225200；2.扬州市瓜洲泵站工程管理处，江苏扬州 225200；3.水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京水利科学研究院，南京 210029）

0 引言

冻融破坏是一种常见的混凝土劣化现象，是威胁混凝土耐久性的重要影响因素之一。在我国长江以南地区，全年平均气温较高，但仍会遭遇少量寒冷天气，气温低于0℃，满足混凝土发生冻融侵蚀的基本条件，也应予以重视。然而，这些地区毕竟极寒气候少见，最冷月平均气温普遍高于-3℃，按照标准GB/T 50662-2011《水工建筑物抗冰冻设计规范》规定，属于温和区。混凝土冻融破坏的侵蚀程度较低，设计抗冻等级一般低于F150，只有F50、F100，与我国北方寒冷地区常见的F200、F300抗冻等级相比，为低抗冻等级。

针对混凝土的抗冻性需求，向混凝土中引入适量的微小气泡、适当提高含气量[1]已成为改善抗冻性最重要的技术手段。如我国水利行业标准SL677-2014《水工混凝土施工规范》、江苏省地方标准DB 32/T 2333-2013《水利工程混凝土耐久性技术规范》都根据混凝土的设计抗冻等级提出相应的推荐含气量控制标准。进一步对含气量的控制标准进行分析发现，两个技术标准仅将设计抗冻等级分成2个级别，即抗冻等级≥F200和抗冻等级≤F150，分级标准可能过于粗略。以水利行业标准SL677中对抗冻等级≤F150的二级配混凝土（最大粒径为40mm）的相关规定为例，推荐含气量为4.5%±1.0%。这说明无论混凝土的设计抗冻等级是F150、F100还是F50，它们的含气量均应控制在3.5%～5.5%。显而易见，对3种抗冻等级混凝土的含气量采用相同的控制标准是不科学的，这忽视了混凝土配合比对抗冻等级的精细调节作用。换句话说，F50、F100抗冻等级混凝土所需的含气量可能不需要像F150抗冻等级一样高。混凝土的设计含气量过高很可能会诱发两个问题：第一，在设计含气量较高的前提下，为保证混凝土的强度等级，必须降低水胶比、提高单方胶凝材料用量，这既会增加材料成本，也不利于混凝土的抗裂。第二，设计较高的含气量必然要提高引气剂用量，不仅会增加混凝土成本，还易在混凝土生产过程中引起含气量波动，不利于混凝土的质量控制。胶凝材料用量过大或者含气量过高引起强度下降都易引起混凝土开裂，一旦形成初始裂纹，不仅会在荷载条件下继续扩展，还会为水和空气等介质提供扩散通道，加快冻融破坏进程，反而不利于抗冻性。

针对上述问题，同时为了增加研究成果在实际工程中的普适性，以温和地区泵站、水闸、船闸等工程普遍使用的C25、C30和C35混凝土作为主要研究对象，细化研究了低抗冻等级混凝土（F50和F100）的含气量控制标准。

1 原材料

水泥为P·O42.5，28d胶砂强度为47.0MPa。粉煤灰品种为F类II级。细骨料为细度模数2.8的河砂，粗骨料由5～16mm碎石与16～31.5mm碎石按照质量比3:7混合使用。减水剂为高性能减水剂，推荐掺量为1.0%，减水率为26%。引气剂推荐掺量为0.01%，引气量为6.3%。消泡剂为白色液体，推荐掺量为0.03%。膨胀纤维抗裂防水剂为一种粉体外加剂，主要由膨胀组分和微合成纤维组成，兼具微细填充、补偿收缩和纤维阻裂等功能。

2 基准配合比

混凝土基准配合比，如表1所示，共包括3个强度等级，C25、C30 和 C35。

表1 混凝土基准配合比k g·m-3

3 结果与讨论

3.1 含气量差异下C25～C35混凝土配合比设计

通过掺加引气剂或消泡剂、调整水胶比共制备了7组C25混凝土，混凝土的含气量分别为0.7%、1.2%、1.8%、2.7%、3.6%、4.5%和5.3%，对应的配合比编号分别为 07C25、12C25、18C25、27C25、36C25、45C25 和53C25，坍落度为120～160mm。制备了6组C30混凝土，配合比编号分别为 13C30、26C30、34C30、48C30、60C30和66C30。各混凝土的含气量分别为1.3%、2.6%、3.4%、4.8%、6.0%和6.6%，坍落度为180～220mm。制备了5组C35混凝土，含气量分别为1.3%、2.6%、3.5%、4.5%和6.0%，配合比编号分别为13C35、26C35、35C35、45C35和60C35，坍落度为100～140mm。配合比见表2～表4，引气剂和消泡剂的浓度均为1%。

表2 C25混凝土含气量的差异化设计 k g·m-3

表3 C30混凝土含气量的差异化设计 k g·m-3

表4 C35混凝土含气量的差异化设计 k g·m-3

为判断不同含气量条件下混凝土是否属于同强度等级，对所有混凝土进行了7d和28d的抗压强度测试，C25、C30和C35的抗压强度测试结果如表5～表7所示。

表5 C25混凝土的抗压强度M P a

表6 C30混凝土的抗压强度M P a

表7 C35混凝土的抗压强度M P a

可见，7组C25混凝土7d抗压强度和28d抗压强度分别分布在30.3～34.3MPa、34.1～41.9MPa之间，所有混凝土的28d抗压强度均满足31.6MPa的配制强度需求。6组C30混凝土的7d抗压强度和28d抗压强度分别分布在33.2～38.4MPa、39.4～47.6MPa之间，所有混凝土的28d抗压强度均满足37.4MPa的配制强度需求。5组C35混凝土的7d抗压强度和28d抗压强度分别分布在38.0～43.0MPa、46.2～55.2MPa之间，所有混凝土的28d抗压强度均满足42.4MPa的配制强度需求。即各强度等级混凝土（C25、C30和C35）均能满足相应强度等级的强度要求。并且同强度等级混凝土中，单个测值（不同含气量条件下）均未超过平均值的15%，实现了含气量差异下的同强度等级设计。

3.2 C25混凝土的含气量控制标准研究

25～100 次冻融循环后C25混凝土的相对动弹模量见表8所示。可见，25次冻融循环试验后，相对动弹模量为61%～98%，均大于60%，说明所有混凝土的抗冻等级均能满足F25抗冻等级的相关要求。相对动弹模量随含气量的增加而变大。即同强度等级条件下，提高含气量可改善混凝土的抗冻性能。可见，当C25混凝土的含气量在0.7%以上时，即可满足F25的抗冻等级需求。50次冻融循环试验后，个别混凝土的相对动弹模量已不足60%，如0.7%和1.2%含气量下混凝土的相对动弹模量分别为30%和46%，表明C25混凝土的含气量在1.2%及其以下时，不能满足F50抗冻等级的相关需求。当含气量提升至1.8%～5.3%之间时，相对动弹模量为69%～98%，仍超过了60%。可见，对于C25混凝土而言，满足F50抗冻等级需求的适宜含气量应在1.2%～1.8%之间。75次冻融循环试验后，1.8%～5.3%含气量范围内，混凝土的相对动弹模量为54%～97%。除1.8%含气量下混凝土的相对动弹模量不足60%外（54%），其余混凝土的相对动弹模量均超过60%（含气量2.7%～5.3%），说明满足F75抗冻等级C25混凝土的适宜含气量在1.8%～2.7%之间。100次冻融循环试验后，2.7%～5.3%含气量范围内，混凝土的相对动弹模量为53%～97%。2.7%和3.6%含气量条件下混凝土的相对动弹模量分别为53%和68%，说明满足F100抗冻等级的C25混凝土的适宜含气量在2.7%～3.6%之间。

表8 冻融试验后C25混凝土的相对动弹模量%

为进一步明确C25混凝土在典型低抗冻等级条件下的适宜含气量，研究了抗冻等级与含气量之间的关联性。相对动弹模量指标可以定量表达混凝土的受冻损伤历程，如刘崇熙等[2]建立的指数函数模型和刘志勇等[3]提出的幂函数模型，分别以指数函数和幂函数的形式建立了相对动弹模量变化与冻融循环次数之间的关系。水胶比和含气量等因素的影响规律是建立关联性数学模型的基础[4-6]。但是，由于目前对低抗冻等级混凝土缺乏研究，导致冻融损伤程度（相对动弹模量）与含气量之间仍没有可靠的关系模型，例如，常规采用的二阶多项式模型，其相关系数的平方R2仅为0.7268[7]，相关性并不高，不能揭示二者之间的相关性规律。因此，进一步研究相对动弹模量与含气量之间的关联性模型具有重要意义。

根据C25混凝土的相对动弹模量与含气量之间的相关性特点，采用对数函数进行拟合，25、50、75次循环和100次循环试验后的拟合曲线如图1所示。可见，经对数函数拟合后，特定次数的冻融循环试验后，C25混凝土的相对动弹模量和含气量的关联性的相关系数平方R2均超过了0.94，相关性较好。基于插值法的基本思想，采用上述对数函数表达式计算了不同抗冻等级条件下C25混凝土的临界含气量，所谓临界含气量是指，混凝土如要达到相应的抗冻等级，其含气量必须超过的限值。临界含气量即相对动弹模量为60%时的对应含气量。各抗冻等级C25混凝土的临界含气量计算结果如表9所示。可见，F50和F100两个抗冻等级条件下的临界含气量分别为1.6%和3.0%。

图1 C25混凝土的相对动弹模量与含气量的关联性

表9 各抗冻等级C25混凝土的临界含气量计算结果

3.3 C30混凝土的含气量控制标准研究

冻融试验后C30混凝土的相对动弹模量如表10所示。可见25次冻融循环试验后，相对动弹模量为86%～99%，均大于60%，说明含气量在1.3%以上时，所有混凝土的抗冻等级均能够满足F25的相关要求。50次冻融循环试验后，1.3%含气量条件下混凝土的相对动弹模量已降至55%，不足60%，不能满足F50需求。当含气量提升至2.6%～6.6%之间时，相对动弹模量为84%～99%，仍大于60%。可以预见，C30混凝土F50抗冻等级的适宜含气量应在1.3%～2.6%之间。75次冻融循环试验后，1.3%～6.6%含气量范围内，混凝土的相对动弹模量为39%～99%。除1.3%含气量条件下混凝土的相对动弹模量为39%，其余混凝土均超过了60%，说明满足F75抗冻等级需求的适宜含气量也在1.3%～2.6%之间。100次冻融循环试验后，混凝土的相对动弹模量为55%～99%。2.6%和3.4%含气量条件下混凝土的相对动弹模量分别为55%和70%，说明满足F100抗冻等级的C30混凝土的适宜含气量在2.6%～3.4%之间。

表10 冻融试验后C30混凝土的相对动弹模量%

为进一步明确C30混凝土各抗冻等级的含气量控制标准，采用对数函数对25次循环、50次循环、75次循环和100次循环试验后C30混凝土的相对动弹模量和含气量进行拟合，拟合曲线如图2所示。相关系数的平方R2为0.9118～0.9562，相关性较好。

图2 C30混凝土的相对动弹模量与含气量的关联性

基于插值法的基本思想，依据上述对数函数拟合表达式计算了不同抗冻等级条件下C30混凝土的临界含气量，计算结果如表11所示。可见，F50和F100两个抗冻等级条件下的临界含气量分别为1.3%和2.7%。但是，由文中可知，1.3%含气量下C30混凝土的抗冻等级不能满足F50抗冻等级需求，这说明能够满足F50抗冻等级的含气量标准应略大于1.3%。同时，考虑到C30混凝土比C25混凝土的水胶比小，同含气量条件下具有一定的抗冻优势，因此，F50抗冻等级C30混凝土的临界含气量应小于或等于1.6%，即临界含气量在1.3%～1.6%之间。基于上述考虑，推荐F50抗冻等级的临界含气量为1.5%。

表11 各抗冻等级C30混凝土的临界含气量计算结果

3.4 C35混凝土的含气量控制标准研究

C35混凝土的相对动弹模量的测试结果如表12所示。可见25次冻融循环试验后混凝土的相对动弹模量为91%～99%，50次冻融循环试验后混凝土的相对动弹模量为72%～99%，75次冻融循环试验后混凝土的相对动弹模量为65%～99%。表明1.3%～6.0%含气量范围内，各C35混凝土均能满足抗冻等级F75的相关需求。然而，100次冻融循环试验后，1.3%含气量条件下C35混凝土13C35的相对动弹模量降至44%，不足60%。当含气量提升至2.6%～6.0%，C35混凝土的相对动弹模量为62%～99%，均超过了60%。说明满足F100抗冻等级C35混凝土的适宜含气量应在1.3%～2.6%之间。

表12 冻融试验后C35混凝土的相对动弹模量%

为进一步明确C35混凝土各抗冻等级的含气量控制标准，采用对数函数对25次循环、50次循环、75次循环和100次循环试验后C35混凝土的相对动弹模量和含气量进行拟合，拟合曲线如图3所示。可见，对数函数拟合相关系数的平方R2为0.9111～0.9651，相关性较好。

图3 C35混凝土的相对动弹模量与含气量的关联性

基于插值法的基本思想，依据上述对数函数拟合表达式计算了不同抗冻等级条件下C35混凝土的临界含气量，计算结果如表13所示。可见F100抗冻等级条件下的临界含气量为2.3%。由于1.3%含气量条件下C35混凝土均能满足F25、F50和F75抗冻等级，因此，推荐F25、F50和F75混凝土的临界含气量为1.3%。

表13 各抗冻等级C35混凝土的临界含气量计算结果