验共包括G1—G4四组试验件,每组试验件强度等级及养护条件见表1.每组包括两种形状的试验件,一种是用于测试质量损失、动弹性模量和抗折强度的150 mm×150 mm×550 mm的棱柱体试块,另一种是用于测试抗压强度的150 mm× 150 mm×150 mm正方体试块.

试件制作完成后根据GB/T 50082-2009标准要求对各组试验件进行养护^[14].养护结束后,每组试件抽取三个试件进行初始抗压强度检测,各组取其平均值得出试件的初始抗压强度,见表2.从试件初始抗压强度测试来看,强度等级C50的G1组试件最高,强度等级C40的三组试件,标准养护并掺加钢纤维的G2组试件抗压强度最高,次之的为自然养护并掺加钢纤维的G3组试件,而标准养护但未掺加钢纤维的G4组试件抗压强度最低,这说明掺加钢纤维对提高混凝土的抗压强度有着比较大的影响.

表1 试件信息
Tab.1 The information of test pieces

表2 试验件初始抗压强度
Tab.2 The initial compressive strength of test pieces

采用UC240环境箱对G1-G4组试验件进行冻融试验,该环境箱容积为280 m³,温度控制范围为-70～150 ℃,温度均匀度≤2.0 ℃,温度波动度≤±0.5 ℃.试验通过在温度监测试块中心预埋热电偶来检测试验温度,并作为试验温度控制的输入值,温度监测试块布置在环境箱内不同区域.试验采用的热电偶温度测量范围为-80～120 ℃,测量精度为±0.5 ℃,每个小循环冻融试验结束后,分别使用电子天平秤、NM-4B型非金属超声检测分析仪、DLY-30T型万能材料试验机、TYA-2000型压力试验机对各组试验件的质量、动弹模量、抗折强度和抗压强度进行测量.

试件制作完成后,根据养护标准要求分别对试件养护,养护结束后将所有试验件按组放入水池进行浸水4 d,使得试验件充分吸水,之后将试件表面水擦拭干净按组放入环境箱进行冻融试验,试验平均升降温速率约为10.7 ℃/h.

整个试验共进行120 次冻融循环,每10次冻融循环为一个小循环,图1给出了每个小循环升降温过程.由于试件中心温度相对试验环境箱温度具有滞后性,因此,试验温度控制以试件中心温度为准,试件中心温度采用预埋在试件中心位置的热电偶来采集.每个小循环的低温阶段试件中心温度降至-55 ℃,高温阶段前9次试件中心温度升至20 ℃,每次试件中心温度到达20 ℃后对所有的试

图1 冻融小循环升降温过程
Fig.1 Heating and cooling process of each small freezing-thawing cycle

验件进行一次洒水,保证试验件的含水量,第10次高温循环试件中心温度升至+74 ℃.

混凝土相对动弹性模量反映了混凝土内部结构的劣化过程,是混凝土内部损伤程度的评价指标^[15].固体材料的动弹模量E_d与其表面波速之间的关系为

E_d=(2(1+μ)³ρV²)/((0.87+1.12μ)²)=(2(1+μ)³ρL²)/((0.87+1.12μ)²T²)(1)

式中:ρ为固体材料密度; V为表面波速度; μ为泊松比; L为试件长度; T为声波声时.

根据该式可得出混凝土试块的相对动弹模量与声波声时值之间的关系:

E_rd=(E_dn)/(E_d0)=(V²_n)/(V²₀)=((T₀)/(T_n))²(2)

式中:E_rd为相对动弹模量; E_dn为经历第n个冻融循环后试件的动弹性模量; E_d0为未进行冻融试验试件初始的动弹性模量; V_n为经历第n个冻融循环后试件的表面波速度; V₀为未进行冻融试验试件初始表面波速度; T₀为未进行冻融试验测得的试件初始声波声时; T_n为经历第n个冻融循环后测得试件的声波声时.

试验采用NM-4B型非金属超声检测仪,测出超声波在经历不同冻融循环作用后的混凝土试件内部的传播声时值T,通过式(2)可得混凝土试块的相对动弹模量E_rd.每个小循环结束后,对试件的声时值进行检测,从而得出试件相对动弹性模量与冻融次数的变化关系,如图2所示.

图2 试件相对动弹性模量与冻融循环次数关系
Fig.2 Relationships between relative dynamic elastic modulus and freezing-thawing cycle number

由图2可以看出,随着冻融循环次数的增加各组混凝土试件的相对动弹模量均有一定的下降.在前60次冻融循环中,四组试件的相对动弹性模量变化趋势基本一致.60次冻融循环后,G3、G4组试件的相对动弹性模量相比G1、G2组有着明显的加速衰减趋势.其中G2标准养护组和G3自然养护组试件的材料配合比和试验条件均相同,但自然养护条件的G3组试件相对动弹模量的变化趋势(抗冻性能)明显大于G2组试件,随着冻融循环次数的增加,G3组试块的动弹模量下降非常明显,经历100次冻融循环后其相对动弹性模量已经低至58%,并低于试验终止条件值60%.另外,标准养护、相同配合比的G2、G4组试验件,掺加钢纤维的G2组试件抗冻性能要优于未掺钢纤维的G4组试件.G2组试件在整个冻融循环过程中,相对动弹模量有较小程度的离散变化现象,这是受该组试验件中个别试块骨料的不均匀性影响所致,但总的来看,随着冻融循环次数的增加该组混凝土试件的相对动弹模量呈现出明显的下降趋势,说明混凝土内部结构出现了劣化.

以上试验结果表明:该几种混凝土材料在-55～74 ℃的极端温度环境下,养护方式的不同对混凝土的抗冻性能有着显著的影响,标准养护的试件优于自然养护的; 掺加钢纤维对提高混凝土的抗冻性有着显著的提高.

混凝土试件在冻融循环过程中的质量变化主要由两部分组成:一部分是混凝土试件表面的浆体、骨料的剥落导致质量的下降; 另一部分则是在冻融循环试验过程中,随着冻融循环次数的增加,混凝土试件内部出现劣化逐渐产生微裂缝,在饱水状态下裂缝吸水饱和,导致试件重量的增加.混凝土试件的质量损失率W_n可由式(3)得出:

W_n=(1-G_n/G₀)×100%(3)

其中:G₀为冻融试验前混凝土试件初始质量,G_n为经历n次冻融循环后混凝土的质量.

在120次冻融循环试验过程中,每经历10次循环,对试件的质量进行一次测量,得到了试件质量损失率与冻融循环次数之间的关系,如图3.

图3 试件质量损失率与冻融循环次数关系
Fig.3 Relationships between mass loss ratio and freezing-thawing cycle number

试验过程中,试件表面均未出现明显的表面骨料剥落现象,因此试件质量的变化主要反应了试件内部的裂缝吸水而引起.从图3可以看出,经历120次冻融循环后,4组试件的质量出现了不同程度的增加.随着冻融循环次数的增加,试件内部的冻害慢慢累积,逐渐形成贯通的、较大的微裂缝,从而积蓄了更多的自由水,导致质量的增加.由以上实验结果可得出:经历120次冻融循环,4组试件的抗剥落能力都比较强,试件最大质量增加率不到1.5%,但标准养护且掺加钢纤维的G1组试件的抗冻裂能力明显优于其他三组试验件.

抗压强度是混凝土最重要的力学性能,因为强度与硬化水泥石、骨料和水泥的界面区以及孔隙等直接相关.在120次冻融循环试验过程中,每10次冻融循环对试件的抗压强度进行了测试,得到了试件抗压强度损失率与冻融次数的变化关系,如图4所示.

图4 试件抗压强度损失率与冻融循环次数关系
Fig.4 Relationships between compressive strength loss ratio and freezing-thawing cycle number

从图4实验结果可看出,各组试件的抗压强度表现出较为明显的离散特征,这和混凝土骨料的均匀程度有关,个别试块骨料混合不是十分均匀导致强度测试时平均值有一定的波动现象.但是总体上每组的抗压强度损失率整体上呈现出上升的趋势.经历120次冻融循环,四组混凝土试件的抗压性能大小依次为G1>G2≈G3>G4,标准养护、掺钢纤维的G1组试件的抗压强度损失率最小,抗压性能表现最佳,其次为G2与G3组试件,G4组试件抗压性能一般,且不稳定,随着冻融次数的增加抗压强度损失较大.

在120次冻融循环试验过程中,每经历10次试验后,对试件的抗折强度进行了测试,得到了试件抗折强度损失率与冻融次数的变化关系,如图5所示.

图5 试件抗折强度损失率与冻融循环次数关系
Fig.5 Relationships between flexural strength loss ratio and freezing-thawing cycle number

从图5实验结果可以看出,随着冻融循环次数的增加,四组试件的抗折强度损失率呈增加趋势,即试件的抗折性能随冻融循环次数的增加出现衰减趋势.其中G1组试件的抗折性能受冻融影响变化较小,抗折性能较好.自然养护的G3组试件受冻融循环影响较大.经历80次冻融循环后,没掺加钢纤维的G4组试验件抗折损失率出现突增现象,抗折性能恶化衰退,原因是G4组试件未掺加增强试件阻裂、增韧作用的钢纤维,随着冻融循环次数的增加,内部裂缝逐渐拓展、损伤逐渐累积,混凝土的韧性迅速下降.