孔靖勋
(辽宁省交通规划设计院有限责任公司 沈阳市 110166)
冻融破坏是影响我国北方地区混凝土结构耐久性的主要原因，在过去几十年里，各国对混凝土的冻融破坏进行了大量研究[1]，研究表明：引起混凝土冻融破坏的主要原因是混凝土内毛细孔水的渗胀作用和冻胀作用，过冷水在混凝土内部发生迁移及可冻水结冰膨胀，都会引起混凝土内部压力增大，当压力超过混凝土能承受的极限应力时，混凝土内部将会出现微裂纹，随着微裂纹逐渐扩展并互相连通，便会降低混凝土强度，造成混凝土破坏。孔结构是混凝土微观结构的重要组成部分，对混凝土的长期耐久性有着重要的影响。随着孔径尺寸的增大，即混凝土内部孔隙由超微孔→微毛细孔→大毛细孔变化，混凝土的抗冻性、抗渗性和自收缩等主要耐久性能是一个由好变差、再重新变好的重复过程[2]，所以通过微观结构来表征混凝土的抗冻能力，研究混凝土的孔结构十分重要。
目前，研究混凝土孔结构与抗冻性的资料较多，硬化混凝土气泡间距系数能够表征混凝土在水分入侵后对冻结应力的抵抗能力[3-4]，但多数是采用气泡参数显微镜测定气泡间距系数来粗略表征混凝土的抗冻性，对混凝土内部各孔径大小、孔径分布等情况研究较少。结合辽宁中部环线铁岭至本溪高速公路高性能混凝土(High Performance Concrete)的孔结构和抗冻性进行分析，为二者之间的规律研究提供依据。
1.1 原材料
(1)水泥(C)：辽宁恒威水泥集团有限公司，普通硅酸盐水泥(P·O 42.5)。
(2)粉煤灰(FA)：辽宁华电铁岭有限公司，Ⅰ级粉煤灰。
(3)矿渣粉(K)：本溪永星新型建筑材料有限公司，S95矿渣粉。
(4)粗集料(G)：铁岭八家子兴盛采石场5～10mm、10～20mm碎石，压碎值14.2%，合成表观密度2760kg/m3。
(5)细集料(S)：铁岭白旗寨砂场，细度模数2.85， II区中砂，表观密度2590kg/m3。
(6)减水剂：北京建筑工程有限公司，AN4000聚羧酸高性能减水剂。
(7)引气剂：北京建筑工程有限公司，AN1型引气剂。
(8)拌和水(W)：自来水。
1.2 混凝土配合比
配合比如表1所示。混凝土砂率(Sp)为41%；
粉煤灰(FA)掺量为胶凝材料用量的18%；
矿渣粉(K)掺量为胶凝材料用量的9%；
减水剂掺量为胶凝材料用量的1.1%。
表1 高性能混凝土配合比
1.3 试验方法
(1)硬化混凝土气孔结构测试
硬化混凝土气孔结构试验参照《水工混凝土试验规程》(SL/T 352—2020)规范中5.26的相关规定，试验采用丹麦CXI型Rapid Air 457硬化混凝土气孔结构分析仪测定标准养护28 d的硬化混凝土气孔结构。
(2)混凝土拌和物含气量测试
混凝土拌和物含气量试验参照《普通混凝土拌和物性能试验方法标准》(GB/T 50080—2016)规范中15的相关规定，试验采用日本C-280a直读式含气量测定仪测定拌和物含气量。
(3)混凝土抗冻性测试
混凝土抗冻性试验参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)规范中4.2快冻法的相关规定，试验采用CDR5-40T型全自动混凝土快速冻融试验设备测定混凝土的抗冻性能。
(4)混凝土抗压强度测试
混凝土抗压强度试验参照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG 3420—2020)规范中T 0553—2005的相关规定，试验采用YAW-2000B型微机控制电液伺服压力试验机测定混凝土的抗压强度。
2.1 含气量和水胶比对混凝土抗冻性的影响
进行抗冻试验的HPC1-5均为标准养护28d的试件，抗冻试验结果如图1所示。在冻融循环少于100次时，5组HPC的相对动弹性模量和质量损失变化较小；
随着冻融次数的继续增加，HPC外表面开始出现细小孔洞和裂纹，质量损失逐渐增大，并伴有棱角处水泥砂浆剥落的现象，经过300次冻融循环后，5组HPC相对动弹性模量均大于85%、质量损失小于4%。
图1 高性能混凝土抗冻性试验结果
表2为HPC1-5拌和物性能和硬化后的孔结构参数，HPC4、HPC5、HPC2三组混凝土水胶比相同，引气剂掺量分别为1.4‰、1.2‰、1.0‰，拌和物含气量分别为5.0%、4.7%、4.2%。进行300次冻融循环后，混凝土相对动弹性模量从93%降低至90%，质量损失从2.2%增大至2.9%。在水胶比相同的条件下，混凝土拌和物含气量在4%～5%之间时，随着含气量的增加，混凝土的抗冻性提高。
HPC1- 3三组混凝土拌和物含气量分别为4.3%、4.2%、4.2%，含气量基本相同。当混凝土冻融循环次数少于100次时，HPC1- 3三组混凝土相对动弹性模量和质量损失相差不明显；
当混凝土冻融循环次数达到200～300次时，随着水胶比从0.30增加至0.36，混凝土相对动弹性模量从95%降低至88%，质量损失从1.9%增大至3.4%。混凝土拌和物含气量相同时，水胶比越大，硬化混凝土抗冻能力越差。
2.2 硬化混凝土气孔结构参数对混凝土抗冻性的影响
如表2所示，HPC4、HPC5、HPC2硬化后混凝土气泡间距系数分别为188μm、192μm、212μm；
气泡平均弦长分别为135μm、137μm、165μm；
气泡比表面积分别为29.14mm-1、29.53 mm-1、24.19 mm-1。进行300次冻融循环后，混凝土相对动弹性模量从93%降低至90%，质量损失从2.2%增大至2.9%。水胶比相同的条件下，气泡间距系数小于250μm时，气泡间距系数越大、气泡平均弦长越长、气泡比表面积越小，混凝土抗冻能力越差。
表2 高性能混凝土拌和性能和硬化后性能
HPC2和HPC3两组混凝土拌和物含气量均为4.2%，但冻融300次的试验结果显示HPC2抗冻能力高于HPC3，虽然二者拌和物的含气量相同，但真正影响混凝土抗冻能力的是混凝土硬化后在其内部形成的微米级封闭气孔，拌和物含气量只能粗略表征混凝土的抗冻能力。HPC2气泡间距系数低于HPC3，HPC2内部封闭气孔平均间距小，单位体积内微米级气孔多，所以HPC2的抗冻能力高于HPC3。在混凝土中引入微米级的气孔，使微细孔增多、大孔降低，改善混凝土的内部孔结构，从而提高抗冻性，在冻融环境下通过释放水结冰所产生的冻胀和渗胀应力，从而提高混凝土的抗冻能力。
2.3 孔径分布情况对混凝土抗冻性的影响
硬化混凝土内部孔径大小及分布关系如图2所示，HPC2和HPC3试样孔径d≤100μm范围的孔分别占总孔体积的52.17%和41.09%、孔径d≤500μm 范围的孔分别占总孔体积的94.30%和96.28%。孔径d≤500μm的孔含量HPC3高于HPC2，但孔径d≤100μm的孔含量HPC2明显高于HPC3，经过300次冻融循环试验表明：
HPC2抗冻能力优于HPC3，说明不是孔含量越高混凝土抗冻性越好，孔结构的大小和分布对抗冻性也有明显影响。
如图2所示，HPC2、HPC4和HPC5为三组水胶比相同的配合比，其中孔径d≤100μm的孔分别占总孔体积的52.17%、58.55%和59.18%，HPC4和HPC5中孔径d≤100μm的孔含量相近，且两组HPC抗冻能力相差不大；
HPC4和HPC5两组HPC中孔径d≤100μm的孔含量均高于HPC2，且二者的抗冻能力也明显高于HPC2。孔结构参数中除了气泡间距系数、孔隙率等能够表征混凝土抗冻能力外，混凝土中孔径d≤100μm的孔含量对混凝土抗冻性也有较大的影响。研究表明：孔径d≤100μm的孔结构有助于提高混凝土的抗冻性；
d≤100μm范围的孔含量越高，混凝土抗冻性越好。
图2 HPC2-5内部孔径分布图
(1)4%～6%的含气量能够有效提高混凝土的抗冻能力；
含气量大于4%时，低水胶比的混凝土在保证强度的同时能更好地提高混凝土的抗冻性。
(2)满足设计强度前提下，提高拌和物含气量能够有效降低硬化混凝土气泡间距系数，从而提升混凝土的抗冻能力；
水胶比相同时，气泡间距系数越小、气泡平均弦长越小、气泡比表面积越大，混凝土抗冻能力越高；
当气泡间距系数小于250μm时，混凝土抗冻能力得到有效提高。
(3)孔结构参数中除了气泡间距系数能够表征混凝土抗冻性外，孔结构大小和孔径分布情况对抗冻性也有明显影响，d≤100μm的孔结构有助于提高混凝土的抗冻性，d≤100μm范围的孔含量越高，其抗冻性越好。
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