對路面混凝土抗凍性試驗和評價方法的探討

　　抗折強度是水泥混凝土路面設計的一個重要指標，因此，筆者建議以抗折強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之一，且對于其臨界值的確定需做進一步的研究。但考慮到直接以抗折強度損失率作為評價指標會增加試驗的工作量，而動彈性模量是無損檢測指標，可考慮建立抗折強度損失率和相對動彈性模量之間的對應關系，實際上以抗折強度損失率為抗凍性評價指標，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際使用條件、特點和要求。

　　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，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)護技術規(guī)范》（JTJ073.1-2001）的規(guī)定，當路面表面露骨深度大于3mm，則病害等級為“嚴重”。 而有試驗結(jié)果表明，當質(zhì)量損失達5%時，混凝土表面的最大剝落深度達5mm。美國制定的混凝土抗鹽凍剝蝕試驗方法（ASTM C672）按照表面剝落的嚴重性分成六個等級，“0”表示沒有剝落，1級為非常輕微的剝落（無粗集料暴露），2級為介于輕微和中度剝落，3級為中度剝落（有一些粗集料暴露），4級介于中度和嚴重剝落之間，5級為嚴重剝落（整個表面粗集料暴露）。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關系，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（按100mm×100mm×400mm尺寸試塊換算，并假設混凝土容重為2400 kg/m3），從圖2中可以看出，當剝落量為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及其破壞的臨界值應該是一致，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，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準，即臨界值，張國強則建議剝落量應小于0.8kg/m²，將其換算成質(zhì)量損失率則分別為：1.87%、1.50%（按100mm×100mm×400mm尺寸試塊換算，并假定混凝土容重為2400 kg/m³）。

　　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之一。

　　3.2.1凍融對混凝土強度的影響

　　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)的微裂縫將加速擴展，因此混凝土在拉伸荷載作用下微裂縫的擴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展或萌生新的微裂紋。因此可以預見凍融作用對混凝土抗折強度的影響比抗壓強度大。

　　在相對動彈性模量、抗折強度、抗壓強度、劈拉強度這四個指標中，抗折強度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加下降速度最快，而抗壓強度要慢得多。當混凝土的相對動彈性模量下降到64%時，混凝土的抗折強度只有初始強度的34%，而抗壓強度是初始強度的64%，劈拉強度為初始的72%。由于凍融作用對混凝土抗折強度和抗壓強度影響的顯著差異，因此，在相同使用環(huán)境中遭受凍融作用的混凝土構件，要想具有相同的使用壽命，受彎構件的抗凍性要求應該高于受壓構件。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，混凝土構件在實際應用中是處于應力狀態(tài)。混凝土在應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。在壓應力作用下，由于壓應力對裂縫的閉合作用，不但阻止了裂縫的擴展，而且與非壓應力作用下試件相比，壓應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，壓應力狀態(tài)下的混凝土構件在凍融循環(huán)作用下其抗壓強度的下降速率比單一凍融因素作用的慢。但在彎拉應力作用下，結(jié)果剛好與上述相反。文獻研究了彎曲應力作用下混凝土的抗凍性，認為在0.25、0.50彎拉應力水平作用下，混凝土的抗凍融循環(huán)次數(shù)很少。外部彎曲應力對混凝土的凍融循環(huán)次數(shù)影響極大，當應力水平為50%時，水灰比為0.26~0.42（強度為C40~C80的非引氣混凝土）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，對于受壓混凝土構件，雖然凍融造成了混凝土的抗壓強度下降，但其下降幅度與抗折強度相比小很多，此外，由于壓應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件，由于在凍融循環(huán)作用下，混凝土的抗折強度下降幅度很大，且在拉應力作用下，混凝土的抗凍性急劇下降，從另外一個角度來說，就是更進一步加劇了抗折強度的下降，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。

　　路面混凝土在實際應用中是薄壁受彎構件，抗折強度是其重要的控制指標，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，應大幅提高相對動彈性模量的臨界值。

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　　3.2.2凍融對混凝土疲勞壽命的影響

　　混凝土在荷載作用下的疲勞壽命與應力比成對數(shù)關系，也就是說應力比對混凝土的疲勞壽命影響非常大。由上述分析可知，混凝土的抗折強度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而急劇下降，與不經(jīng)受凍融作用的混凝土路面相比，在相同的車輛荷載作用下，經(jīng)受凍融作用的混凝土路面隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土彎拉應力比不斷增大，使得混凝土路面的使用壽命大大減少。從疲勞消耗的角度來分析這個問題，如果用混凝土的抗折強度衡量其抗疲勞消耗能力，則混凝土路面會因為凍融循環(huán)作用使其抗疲勞消耗能力降低，導致壽命縮短。因此，凍融對混凝土路面使用壽命的影響是非常大的。但我國水泥混凝土路面結(jié)構設計是以行車荷載和溫度梯度綜合作用產(chǎn)生的疲勞斷裂作為設計的極限狀態(tài)，沒有考慮凍融的疲勞消耗作用。筆者認為，這也是我國寒區(qū)水泥混凝土路面沒有達到設計使用年限而過早破壞的主要原因之一。

　　為了定性地了解凍融循環(huán)作用對混凝土疲勞壽命的影響，本文采用文獻[4]的試驗數(shù)據(jù)，以等效疲勞損耗原理分析了凍融對混凝土疲勞壽命的影響。

　　本文以經(jīng)受n次凍融循環(huán)后混凝土殘留抗折強度與初始抗折強度之比來評價凍融作用對混凝土的損傷程度。假設該混凝土的初始抗折強度為，混凝土經(jīng)受n1次凍融循環(huán)后的殘留抗折強度為。

　　試驗表明，凍融對混凝土路面的使用壽命影響非常大。雖然對于不同強度等級的混凝土以及混凝土是否引氣，凍融作用對混凝土疲勞壽命的影響在量上存在差異，但凍融對疲勞壽命的影響是客觀存在的，因此，使得寒區(qū)的混凝土路面大都提前破壞。產(chǎn)生這個問題固然有現(xiàn)行的路面結(jié)構設計方法不合理的原因（本文作者認為寒區(qū)水泥混凝土路面結(jié)構設計應以行車荷載、溫度梯度和凍融損傷綜合作用產(chǎn)生的疲勞斷裂作為設計的極限狀態(tài)），但評價指標選擇不合理，凍融破壞臨界值偏低也是主要原因之一。如果能以抗折強度替換動彈性模量作為混凝土抗凍性評價指標且選用較高的臨界值，那么凍融循環(huán)作用對混凝土路面使用壽命的影響將會小很多。因此，要想使得所設計的寒冷地區(qū)的混凝土路面能夠達到預期的使用壽命，必須從兩個方面去解決這個問題，首先要選用對混凝土的損傷更敏感的評價指標，如抗折強度，制定更高的損壞臨界值，以提高對混凝土的抗凍性要求，從而減小凍融循環(huán)作用對混凝土路面壽命的影響程度；其次要完善混凝土路面結(jié)構設計方法，在設計過程中合理的考慮凍融作用對混凝土路面壽命的影響。

　　綜上所述，通過分析凍融作用對混凝土抗折強度和疲勞壽命的影響，認為現(xiàn)行的路面混凝土抗凍性評價方法以相對動彈性模量下降至60%作為混凝土凍融破壞的臨界值明顯偏低，應予以提高。如《水運工程混凝土試驗規(guī)程》（JTJ 270-98）就將該臨界值提高到了75%。對于路面混凝土提高到到什么程度合適，需結(jié)合路面工程的特點作進一步的分析和研究。

　　4．試件與水的接觸方式

　　混凝土路面只有面層暴露在空氣中并產(chǎn)生剝落。考慮到模擬凍融對混凝土路面的破壞，又避免試件側(cè)面剝落增大試驗誤差，建議室內(nèi)凍融試驗只讓試件的一面與水接觸。具體的接觸方式可以借鑒國內(nèi)外鹽凍剝蝕試驗方法中的鹽溶液與試件的接觸方式。

　　5．結(jié)論與建議

　　本文在分析混凝土凍融循環(huán)次數(shù)對強度、疲勞壽命影響的基礎上，并結(jié)合路面混凝土的使用要求、受力和破壞方式以及設計標準和控制指標等特點，指出了現(xiàn)行路面用水泥混凝土凍融試驗方法中的不足，得出如下幾點結(jié)論和建議。

　　1．通過分析凍融作用對混凝土抗折強度和疲勞壽命的影響，認為現(xiàn)行的路面混凝土抗凍性試驗方法以相對動彈性模量下降至60%作為混凝土凍融破壞的臨界值明顯偏低；且由于抗折強度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化比動彈性模量更敏感，建議以抗折強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之一，對于其臨界值的確定尚需做進一步的研究。但考慮到直接以抗折強度損失率作為評價指標會大大增加試驗的工作量，而動彈性模量是無損檢測指標，可考慮建立抗折強度損失率和相對動彈性模量之間的對應關系，實際上以抗折強度損失率為抗凍性評價指標，但通過相對動彈性模量來控制。

　　2．以質(zhì)量損失率5%作為路面混凝土凍融破壞的臨界值過于寬松，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之一，并將其臨界值定為0.8kg/m²。

　　3．凍融對混凝土路面的使用壽命影響非常大，要想使得所設計的寒冷地區(qū)的混凝土路面能夠達到預期的使用壽命，首先要選用對混凝土的損傷更敏感的評價指標，如抗折強度，制定更高的損壞臨界值，以提高對混凝土的抗凍性要求；其次要完善混凝土路面結(jié)構設計方法，在設計過程中合理的考慮凍融作用對混凝土路面壽命的影響。

　　4．考慮到模擬凍融對混凝土路面的破壞，又避免試件側(cè)面剝落增大試驗誤差，建議室內(nèi)凍融試驗只讓試件的一面與水接觸。

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