对路面混凝土抗冻性试验和评价方法的探讨

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摘要：在分析冻融作用对混凝土强度、疲劳寿命影响的基础上，结合路面混凝土的使用要求、受力和破坏方式、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和评价方法中的不足。认为以质量损失率5%、相对动弹性模量60%作为混凝土冻融破坏的临界值过于宽松，建议降低质量损失率的值，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，或相应提高相对动弹性模量的值。

关键词：路面混凝土，冻融试验方法，评价指标，质量损失率，动弹性模量，临界值

　1．前言

我国现行的混凝土抗冻性试验方法普遍是以美国ASTM C666(A)方法为基础的，试件的冻结和融化均在水中进行。以混凝土的动弹性模量、质量损失率和相对耐久性指数作为评价指标，以质量损失率达5%或相对动弹性模量下降至60%作为混凝土冻融破坏的临界值，并规定以相对动弹性模量下降至60%或质量损失达5%时的冻融循环次数作为混凝土的抗冻标号，以此评价混凝土的抗冻性。我国1994年修订的《公路工程水泥混凝土试验规程》[1]采用了与之相同的抗冻性试验和评价方法。

基金项目：江苏省自然科学基金项目

作者简介：洪锦祥，男，安徽省安庆人，东南大学博士研究生，主要研究方向为混凝土耐久性。

现行试验方法的缺陷就是没有考虑到混凝土的实际使用环境和条件，很多人将混凝土的抗冻性看作是混凝土的一个本质属性，认为与实际使用环境和条件无关。但实际情况是，混凝土抗冻与否是与其实际使用环境和条件密切相关的，一种混凝土在某种环境条件下是抗冻的，在另外一种环境条件下可能就不能满足抗冻要求。而且作者认为这里所指的“环境条件”不仅是指自然环境，还应包括混凝土的使用要求、受力和破坏方式等内容。Powers早年说过，混凝土本身并没有抗冻性或耐久性这样一种内在性质，试图从这样的观点衡量抗冻性是徒劳的。

水泥混凝土路面结构与一般的建筑结构相比，在使用要求、使用方式、受力条件和设计标准等方面存在特殊性。采用目前试验方法所规定的试件与溶液的接触方式、评价指标以及冻融损坏临界值是否合理，为此本文进行了讨论。

2. 评价指标

经受一定次数的冻融循环后，混凝土的质量损失率、强度损失率、动弹性模量损失率等都可以作为其劣化或损伤的评价指标。华中科技大学的赵霄龙分别以水中冻融和盐溶液中冻融循环作为试验条件，研究具有不同耐久性的混凝土在冻融过程中多种宏观性能劣化的敏感程度。其通过比较认为，以抗折强度损失率作为混凝土冻融耐久性的评价指标，可以更为及时准确地反映冻融过程中混凝土性能的劣化程度。

郑州大学的程红强等研究了冻融对混凝土强度的影响。

　 结果显示，抗折强度随冻融循环次数的变化比其它指标更敏感。中国水利水电科学研究院通过对C60~C100高强混凝土抗冻性的研究，得出了同样的结论，认为高强混凝土冻融破坏的评定指标仅以相对动弹性模量和质量损失率来衡量是不够的，并强调是否以试件在冻融过程中抗折强度的下降程度来综合评定是今后尚需进一步研究的课题，特别是要结合工程的实际控制指标来综合考虑，其最后还建议，以抗折(抗弯)强度为控制指标的混凝土结构，增加抗折强度作为混凝土抗冻性评价指标。

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》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，2级为介于轻微和中度剥落，3级为中度剥落，4级介于中度和严重剥落之间，5级为严重剥落。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，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%。

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。