水工混凝土的凍融破壞主要是由一定凍結溫度下結冰的水和過冷的水引起，下面是小編蒐集的一篇探究不同抗凍設計等級水工混凝土抗凍性能的論文範文，歡迎閱讀借鑑。
前言
我國現已建成各類水庫98000多座，總庫容近9300多億m3[1]，分佈在不同氣候區域，每年經受的凍融循環次數不盡相同。《氣候變化國家評估報告》預估我國在21世紀20年代、50年代和80年代平均氣溫分別升高約1。2℃、2。2℃和3。2℃[2]，氣溫變化將對我國水工混凝土結構物的受凍融作用區域劃分產生重要影響，大體上導致南北分界線北移，現有分界線處以及北方地區的年平均凍融循環次數有可能顯着增加，從而加速這部分地區水工混凝土結構物的凍融破壞。另外，氣候變暖導致極端氣候出現的頻次增加，極端低溫甚至是突破歷史極值的低溫使我國北方地區已考慮抗凍設計的水工混凝土的抗凍耐久性面臨新的挑戰。
目前，我國水工混凝土的抗凍融試驗一般是在—17℃±2℃的降溫終了低溫，以及8℃±2℃的升溫終了溫度下進行，以此對水工混凝土的抗凍性能進行評估。水工混凝土抗凍等級的設計原則爲：在最冷月評價溫度低於—10℃的嚴寒區一般設計F300，而在最冷月評價溫度大於—3℃的溫和區設計F50或F100。國內外開展的水工混凝土抗凍耐久性方面的研究比較多，取得了一些重要的研究成果[3—9]。
根據調研，我國南方地區最冷月（1月）極端低溫氣溫平均值爲—8。4℃，東北、西北、華北地區最冷月（1月）極端低溫氣溫平均值爲—32。7℃[10]。針對現行抗凍耐久性設計原則、抗凍試驗方法以及我國南方和北方地區的最冷月氣溫現狀，本文采用F50、F100、F300等3種抗凍等級的水工混凝土，在—5℃、—10℃、—17℃、—30℃、—40℃等5種降溫終了混凝土試件中心溫度下進行凍融試驗，研究不同凍融溫度條件下不同抗凍設計等級水工混凝土的抗凍性能。
1原材料、配合比與試驗方法
1。1原材料
水泥採用P·O42。5普通硅酸鹽水泥，Ⅰ級粉煤灰。細骨料爲天然河砂，細度模數爲2。71。粗骨料爲灰巖人工碎石，粒徑範圍爲5~40mm。外加劑爲萘系高效減水劑和Air—202引氣劑。經檢測，水泥、粉煤灰、外加劑的品質和參數均符合相應現行規程規範的技術要求，可用於試驗研究。
1。2配合比
根據氣候嚴寒區、溫和區分別要求的水工混凝土抗凍等級情況，透過優化配合比以及控制體積含氣量，設計了F50、F100、F300等3種抗凍等級的水工混凝土。經測試，F50、F100、F300水工混凝土實際含氣量分別爲2。8%、3。7%、5。8%，配合比見表1。
1。3試驗方法
採用自行研製的GDJS—800氣候模擬系統進行水工混凝土凍融試驗，該系統可實現混凝土試件中心溫度—70~150℃的變化範圍，實時控制精度爲0。1℃，溫度波動度爲±0。5℃，可透過程序設定改變溫降速率與溫度恆定時間等試驗參數。水工混凝土抗凍試件的成型、製作與養護按照SL352—2006《水工混凝土試驗規程》進行。
凍融試驗降溫終了試件中心低溫分別設爲—5℃、—10℃、—17℃、—30℃、—40℃，降溫歷時均爲2h，升溫終了試件中心溫度統一設爲8℃，升溫歷時均爲1h。經過若干個凍融循環後，採用動彈性模量測定儀（頻率100~10000kHz）、電子天秤（稱量10kg，感量5g）分別測試混凝土的動彈性模量和質量，進而對抗凍耐久性進行評估。
2試驗結果與討論
2。1水工混凝土的凍融質量損失
F50、F100、F300等3種抗凍設計等級的水工混凝土在—5℃、—10℃、—17℃、—30℃、—40℃等5種降溫終了試件中心溫度下，經受若干凍融循環次數後的質量損失率如圖1所示。從圖1可以看出，隨着凍融試驗降溫終了水工混凝土試件中心溫度的降低，水工混凝土的質量損失率逐漸增大。200次凍融循環後，降溫終了試件中心溫度從—5℃降到—40℃，中低抗凍設計等級的F50、F100水工混凝土的質量損失率分別從2。6%增大到12。4%，以及從2。2%增大到9。2%。對於高抗凍設計等級的F300水工混凝土而言，350次凍融循環後，降溫終了試件中心溫度從—5℃降到—40℃，其質量損失率從0。6%增大到7。5%。
2。2水工混凝土的動彈性模量變化
3種抗凍設計等級的水工混凝土在測試完凍融質量損失後，分別進行動彈性模量測試，根據動彈性模量變化，並結合凍融質量損失情況，可對不同抗凍設計等級的水工混凝土在不同降溫終了試件中心溫度條件下的凍融耐久性進行評估。不同凍融循環次數下水工混凝土的動彈性模量試驗結果如圖2所示。
從圖2可以看出，F50抗凍設計等級的水工混凝土試件在—30℃降溫終了試件中心溫度條件下經過150次凍融循環後動彈性模量僅爲初始值的31%，凍融循環次數繼續增加試件被凍斷;當降溫終了試件中心溫度降低至—40℃時，經過100次凍融循環後動彈性模量爲初始值的30%，凍融循環次數繼續增加試件被凍斷。F100抗凍設計等級的水工混凝土在降溫終了試件中心溫度達到—40℃時，經過150次凍融循環後動彈性模量爲初始值的30%，繼續凍融試驗試件被凍斷。在降溫終了試件中心溫度從—5℃降低到—40℃的過程中，經過350次凍融循環後，F300抗凍設計等級的水工混凝土的動彈性模量從初始值的81%下降至39%，表明即使是F300高抗凍設計等級的水工混凝土，隨着凍融降溫終了試件中心溫度的降低，其抗凍性能也下降較快。
2。3水工混凝土能經受的最大凍融循環次數
按照現行SL352—2006《水工混凝土試驗規程》中水工混凝土質量損失5%、動彈性模量下降至初始值的60%的抗凍性能評判標準，圖3給出了F50、F100、F300抗凍設計等級的水工混凝土在—5℃、—10℃、—17℃、—30℃、—40℃等5個凍融試驗降溫終了試件中心溫度條件下能經受的最大凍融循環次數。
根據圖3中的試驗結果，低、中、高3種抗凍設計等級的水工混凝土在不同凍融降溫終了低溫條件下能經受的最大凍融循環次數的演變規律是一樣的，均是隨着降溫終了試件中心溫度的降低而減少。
按照—17℃降溫終了試件中心溫度條件凍融確定的F50抗凍設計等級水工混凝土，在—10℃或—5℃低溫條件下能經歷最大凍融循環次數在100次以上，而目前處於氣候溫和區的水利工程很少能經歷—17℃低溫條件。而對於嚴寒地區的水利工程而言，即使是依據—17℃降溫終了試件中心溫度條件凍融確定的`F300抗凍設計等級水工混凝土，當溫度繼續降低至—30℃甚至—40℃時，其能經受的最大凍融循環次數在200次以下，而目前該氣候區域內出現—30℃~—40℃的低溫條件是完全有可能的。
2。4機理分析
水工混凝土的凍融破壞主要是由一定凍結溫度下結冰的水和過冷的水引起，結冰的水產生體積膨脹、過冷的水發生遷移，這兩種行爲均能引起混凝土內部孔壓增大，產生破壞。毛細孔中的含水率超過一定限值時，凍結會產生很大的壓力，該壓力值除了與毛細孔中的含水率有關外，還與凍結速度有關，5個凍融降溫終了混凝土試件中心溫度（—5℃、—10℃、—17℃、—30℃、—40℃）對應的降溫速率分別爲6。5℃/h、9℃/h、12。5℃/h、19℃/h和24℃/h，與之相對應的是水工混凝土抗凍耐久性呈現降溫速率和劣化程度增大的規律。
另外，在現行—17℃降溫終了混凝土試件中心溫度的標準凍融試驗方法中，毛細孔中的水會結冰，凝膠孔水一般處於過冷狀態，過冷水的蒸氣壓比相同溫度下冰的蒸氣壓要高，由此導致凝膠孔水向毛細孔中冰的介面滲透的現象，直至達到平衡狀態。
滲透過程中產生的滲透壓力對水工混凝土的抗凍耐久性也會產生影響。在降低降溫終了混凝土試件中心溫度至—30℃甚至—40℃時，凝膠孔中處於過冷狀態的水量可能會比中心溫度爲—17℃時增加，進而更多的過冷水發生滲透遷移現象，大量過冷水的滲透遷移進一步導致滲透壓力的增大，這也是降低凍融過程中水工混凝土試件中心溫度後，水工混凝土抗凍耐久性下降的主要原因之一。
3結論
a。隨着凍融過程中降溫終了試件中心溫度的降低，F50、F100、F300等3種代表低、中、高不同抗凍設計等級的水工混凝土的質量損失、動彈性模量損失逐漸增大，水工混凝土能經受的最大凍融循環次數逐漸減少。
b。按照現行—17℃降溫終了低溫條件凍融方法確定的F50抗凍設計等級水工混凝土，在—10℃或—5℃低溫條件下能經歷最大凍融循環次數在100次以上;依據—17℃降溫終了低溫條件凍融方法確定的F300抗凍設計等級水工混凝土，當溫度繼續降低至—30℃甚至—40℃時，其能經受的最大凍融循環次數在200次以下。
c。凍融低溫本身對水工混凝土的抗凍耐久性會產生影響，主要表現爲採用更低的混凝土試件中心溫度後，混凝土凝膠孔中處於過冷狀態的水量增多，過冷水遷移產生較大滲透壓力，是水工混凝土產生凍融破壞的主要原因之一;另外，凍融過程中的低溫溫降速率對水工混凝土的抗凍性能也存在一定影響，隨着溫降速率的增大，水工混凝土的劣化程度增大。
參考文獻：
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