不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土遭受超低溫凍融循環(huán)作用的受壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究

時(shí)旭東，汪文強(qiáng)，田佳倫

(清華大學(xué)土木工程系，北京 100084)

據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[1]表明，2017年全球液化天然氣總需求同比增長了2900萬t，而中國在經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長和“煤改氣”政策的推動(dòng)下總需求更達(dá)3800萬t，并躍居全球第二大進(jìn)口國。巨量的液化天然氣需求，對(duì)運(yùn)輸和儲(chǔ)存設(shè)施的規(guī)模、安全性及經(jīng)濟(jì)性等提出了更高的要求。因天然氣由氣態(tài)降溫至-165 ℃呈液態(tài)狀時(shí)的體積約為常溫時(shí)的1/600[2]，常采用低溫液化的形式儲(chǔ)存。而混凝土作為液化天然氣(LNG)儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)的基本建造材料，對(duì)其超低溫下受力性能研究顯然十分重要。隨 LNG儲(chǔ)罐內(nèi)儲(chǔ)量變化，罐內(nèi)一些位置的溫度也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。此時(shí)儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)的混凝土實(shí)際上處于溫度反復(fù)升降的另類凍融環(huán)境中。溫度可能在某些超低溫溫度區(qū)間內(nèi)波動(dòng)，也可能在常溫與超低溫間的大溫度區(qū)間變化[3]。因此，有必要獲知混凝土超低溫凍融作用的受力性能。

目前，一些學(xué)者已從混凝土的強(qiáng)度等級(jí)、含水率以及凍融循環(huán)作用的次數(shù)、溫度區(qū)間等方面對(duì)超低溫下混凝土的受力性能進(jìn)行了研究，如戢文占等[4]對(duì) 3種不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土試件分別降溫至-40 ℃、-80 ℃、-120 ℃以及-165 ℃測定其受壓強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土的受壓強(qiáng)度增長趨勢較為一致，均隨溫度的降低而逐漸增大；Montejo等[5]通過對(duì)混凝土 20℃~-196 ℃溫度區(qū)間內(nèi)的超低溫加載試驗(yàn)。結(jié)果表明：混凝土超低溫下受壓強(qiáng)度增量與其含水率成正相關(guān)關(guān)系；筆者所在的課題組[6－8]也探討了不同的強(qiáng)度等級(jí)和含水率混凝土經(jīng)歷超低溫作用后其受力性能的變化規(guī)律。但已有的研究多集中于混凝土未經(jīng)歷凍融循環(huán)作用時(shí)超低溫環(huán)境下的受力性能研究，對(duì)混凝土經(jīng)歷凍融循環(huán)作用后的受力性能研究尚處于起步階段。鑒于不同罐容的 LNG儲(chǔ)罐以及儲(chǔ)罐的不同部位所采用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)不同，本文主要探討不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土經(jīng)歷超低溫凍融循環(huán)作用后受壓強(qiáng)度的變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)概況

考慮到LNG儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級(jí)合理區(qū)間基本上位于C40~C60，本次試驗(yàn)取C40、C50和C60這 3種強(qiáng)度等級(jí)混凝土考察其經(jīng)歷超低溫凍融循環(huán)作用后受壓強(qiáng)度變化規(guī)律。結(jié)合本課題組已有的相關(guān)研究情況，這里選取 15 ℃~-120 ℃和 15℃~-190 ℃兩種超低溫凍融循環(huán)作用的溫度區(qū)間，其凍融循環(huán)作用次數(shù)分別為0次、16次和30次。

試件均采用100 mm×100 mm×300 mm棱柱體，分4批澆注，其混凝土配合比見表1。其中，水泥為P.O42.5普通硅酸鹽水泥，石子為5 mm~20 mm連續(xù)級(jí)配碎石，砂為河砂、中砂，礦粉為S95礦粉，外加劑為聚羧酸減水劑。表1中的 GAP、GBP及GCP表示其混凝土的含水率相近但設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)分別為C40、C50和C60，GDP表示混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C60但其含水率相對(duì)較高。

表1 不同組別試件的混凝土配合比Table 1 Mixing proportions of concrete specimens of different strength grades

表2是不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土經(jīng)歷凍融循環(huán)作用的試驗(yàn)內(nèi)容及其試件編號(hào)。其中，各試件組別均設(shè)置基準(zhǔn)試件和超低溫凍融循環(huán)作用試件。以 GAP試件組別為例，其基準(zhǔn)試件為未經(jīng)歷(0次)凍融循環(huán)作用時(shí)上、下限溫度時(shí)加載的試件，編號(hào) GAP-& 表示組別為GAP(即混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C40)的第 & 個(gè)基準(zhǔn)試件。超低溫凍融循環(huán)作用試件為經(jīng)歷給定凍融循環(huán)作用后上、下限溫度時(shí)加載的試件，其凍融循環(huán)作用次數(shù)分別選取16次和30次。凍融循環(huán)作用區(qū)間的上限溫度統(tǒng)一取 15 ℃，而下限溫度則分別取至-120 ℃和-190 ℃，并按 1 ℃/min的速率進(jìn)行升降溫，以上限溫度降溫至下限溫度再回至上限溫度記為 1次凍融循環(huán)作用。其中，編號(hào)GAP-#-& 表示組別為 GAP(即混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為 C40)經(jīng)歷下限溫度為-#℃的凍融循環(huán)作用后進(jìn)行加載的第 & 個(gè)試件，如 GAP-120-5表示組別為GAP經(jīng)歷下限溫度為-120 ℃的凍融循環(huán)作用后進(jìn)行加載的第5個(gè)試件。

表2 試驗(yàn)內(nèi)容及其試件編號(hào)Table 2 Experiment contents and specimen numbers

試驗(yàn)包括超低溫凍融循環(huán)作用、單軸受壓加載、混凝土含水率測定，以及試驗(yàn)量測和數(shù)據(jù)處理 4部分。其中，超低溫凍融循環(huán)作用通過超低溫試驗(yàn)爐由液氮作為制冷劑實(shí)現(xiàn)，并由程控按給定的速率升降溫至目標(biāo)溫度。考慮混凝土的熱惰性，所有試件均按1 ℃/min的速率升降溫。為確保試件溫度分布均勻，按相關(guān)研究成果[9]，試件在上、下限溫度時(shí)均在設(shè)定溫度保持恒溫不少于 4.5 h；通過由與超低溫試驗(yàn)爐相配套的 2000 kN液壓試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件進(jìn)行單軸受壓加載，并由專用的量測裝置和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取其受壓強(qiáng)度等試驗(yàn)數(shù)據(jù)；試件的混凝土含水率則由專用的程控烘烤箱進(jìn)行最高溫度不高于 200 ℃的溫度環(huán)境中烘烤獲取。圖1是本次不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土超低溫凍融循環(huán)作用受壓強(qiáng)度試驗(yàn)的流程圖。

圖1 混凝土超低溫凍融循環(huán)作用受壓強(qiáng)度試驗(yàn)流程圖Fig.1 Flow chart of compressive strength experiments for concrete experiencing ultralow temperature freeze-thaw cycle action

2 試驗(yàn)宏觀現(xiàn)象及其試件破壞形態(tài)

2.1 試驗(yàn)宏觀現(xiàn)象

經(jīng)歷超低溫凍融循環(huán)作用的不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)試件，其表面均未因不同的溫度區(qū)間和凍融循環(huán)作用次數(shù)呈現(xiàn)出明顯的差異，與凍融循環(huán)作用前相比也未見其變化。圖2是經(jīng)歷 30次溫度區(qū)間15 ℃~-190 ℃凍融循環(huán)作用試件凍融前后的照片。從圖2可以看出，凍融作用后試件表面并未出現(xiàn)諸如裂紋、孔洞邊界變化以及混凝土剝落和棱邊棱角缺損等新的損傷現(xiàn)象。

圖2 試件經(jīng)歷超低溫凍融循環(huán)作用前后表觀情況Fig.2 Surface states of specimen before and after experiencing ultralow temperature freeze-thaw cycle action

2.2 試件破壞形態(tài)

試件無論是否經(jīng)歷凍融循環(huán)作用，其上、下限溫度時(shí)單軸受壓加載后的破壞形態(tài)基本上類似，均大致呈對(duì)頂錐狀。但不同超低溫凍融循環(huán)作用工況下，混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)試件加載形成的破壞面特征等影響有所不同。

2.2.1 上限溫度時(shí)混凝土強(qiáng)度等級(jí)的影響

圖3是不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)試件經(jīng)歷16次溫度區(qū)間 15℃~-120 ℃凍融循環(huán)作用后上限溫度加載時(shí)的破壞情況照片。可見，混凝土強(qiáng)度等級(jí)分別為C40和C50試件GAP-120-1和GBP-120-1的破壞面處存在明顯的砂漿骨料脫離、粗骨料處凹凸不平現(xiàn)象，殘留塊體表面也表現(xiàn)得較為酥松。其中前者這些現(xiàn)象更加明顯；而混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60試件GCP-120-3的破壞面則相對(duì)較為平整，粗骨料處無明顯的凹凸現(xiàn)象，骨料與砂漿結(jié)合得也更為密實(shí)，破壞面處粗骨料基本上均被劈裂，破壞時(shí)形成的塊體多而小。經(jīng)歷溫度區(qū)間 15 ℃~-190℃凍融循環(huán)作用試件的破壞面特征情況相似，經(jīng)歷凍融循環(huán)作用次數(shù)較多試件的破壞面則顯得稍松疏。

圖4是不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)試件未經(jīng)歷凍融作用和經(jīng)歷30次溫度區(qū)間15 ℃~-190 ℃凍融循環(huán)作用后上限溫度加載時(shí)的破壞情況照片?？梢姡瑑烧叩钠茐男螒B(tài)基本接近。

圖3 不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)試件經(jīng)歷超低溫凍融循環(huán)作用后上限溫度時(shí)的受壓破壞情況Fig.3 Compressive failure characteristics at upper limit temperature for specimens of different concrete strength grades experiencing ultralow temperature freeze-thaw cycle action

圖4 不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)試件未經(jīng)歷和經(jīng)歷凍融循環(huán)作用上限溫度時(shí)的受壓破壞情況Fig.4 Compressive failure characteristics at upper limit temperature for specimens of different concrete strength grades not experiencing and experiencing ultralow temperature freeze-thaw cycle action

對(duì)于未經(jīng)歷凍融循環(huán)作用的各混凝土強(qiáng)度等級(jí)試件，其破壞特征基本相近、破壞形態(tài)均呈對(duì)頂錐狀，破壞時(shí)殘留的受壓面基本上完整；而經(jīng)歷多次凍融循環(huán)作用的破壞特征雖也多相近，但與未經(jīng)歷凍融循環(huán)作用試件相比具有明顯的差異。前者的破壞面可見裂縫和砂漿骨料分離現(xiàn)象，且加載破壞后均有沿加載方向出現(xiàn)的縱向劈裂現(xiàn)象，其中混凝土強(qiáng)度等級(jí)較高的試件GBP-190-9和GCP-190-9表現(xiàn)得更加明顯。這表明混凝土經(jīng)歷凍融循環(huán)作用過程中內(nèi)部累積損傷較為嚴(yán)重，使初始裂縫不斷地?cái)U(kuò)展并產(chǎn)生新的裂縫從而形成這種沿試件縱向劈裂的現(xiàn)象。

2.2.2 下限溫度時(shí)混凝土強(qiáng)度等級(jí)的影響

圖5是不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)試件經(jīng)歷30次溫度區(qū)間 15 ℃~-190 ℃凍融循環(huán)作用后下限溫度時(shí)的受壓破壞情況照片。從圖5可以看到，各混凝土強(qiáng)度等級(jí)試件下限溫度時(shí)的受壓破壞特征與上限溫度時(shí)相比有明顯的差別，但其破壞形態(tài)基本相似、均呈對(duì)頂錐狀。因加載時(shí)混凝土內(nèi)部孔隙水結(jié)冰使破壞面處的粗骨料基本上均被劈裂、因破壞界面的滑移導(dǎo)致的砂漿粉狀明顯地增多，破壞后殘留的受壓面也比上限溫度時(shí)小得多。并且隨混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高，這些現(xiàn)象表現(xiàn)得更加明顯。經(jīng)歷溫度區(qū)間 15 ℃~-120 ℃凍融循環(huán)作用試件所呈現(xiàn)出的這些破壞特征則稍弱，而不同凍融循環(huán)作用次數(shù)試件間無明顯差異。

圖5 不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)試件經(jīng)歷超低溫凍融循環(huán)作用后下限溫度時(shí)的受壓破壞形態(tài)Fig.5 Compressive failure characteristics at lower limit temperature for specimens of different concrete strength grades experiencing ultralow temperature freeze-thaw cycle action

3 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

表3是通過對(duì)不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)試件超低溫凍融循環(huán)作用后加載獲取的混凝土受壓強(qiáng)度試驗(yàn)值。為便于分析比較，將經(jīng)歷超低溫凍融循環(huán)作用后混凝土上、下限溫度時(shí)的受壓強(qiáng)度相應(yīng)地分別除以未經(jīng)凍融混凝土上、下限溫度時(shí)的受壓強(qiáng)度(fcU、fcL)獲取其相對(duì)受壓強(qiáng)度(上限溫度時(shí)為下限溫度時(shí)為

表3 經(jīng)歷超低溫凍融循環(huán)作用各強(qiáng)度等級(jí)混凝土的受壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of relative concrete compressive strengths of different strength grades experiencing ultralow temperature freeze-thaw cycle action

3.1 混凝土含水率的影響

由于不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土的含水率不同，即使相同強(qiáng)度等級(jí)混凝土同一制作條件下的含水率也不盡相同，為避免探討不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土超低溫凍融循環(huán)作用受力性能時(shí)因試件混凝土含水率存在的差異影響，本次試驗(yàn)首先選取設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C60混凝土，考察相同強(qiáng)度等級(jí)不同混凝土含水率在各種超低溫凍融循環(huán)作用工況下對(duì)混凝土受壓強(qiáng)度的影響，然后從所獲得的試驗(yàn)結(jié)果中分離出因試件的混凝土含水率差異造成的影響。這里將未經(jīng)歷凍融循環(huán)作用混凝土含水率wc作為基準(zhǔn)值，將經(jīng)歷各種超低溫凍融循環(huán)作用試件的混凝土含水率與wc的差值除以wc定義為其混凝土相對(duì)含水率

圖6是經(jīng)歷溫度區(qū)間 15 ℃~-120 ℃和 15 ℃~-190 ℃不同凍融循環(huán)作用次數(shù)后混凝土上、下限溫度時(shí)，相對(duì)受壓強(qiáng)度與其相對(duì)含水率間的變化關(guān)系圖。

圖6 給定強(qiáng)度等級(jí)不同含水率混凝土經(jīng)歷超低溫凍融循環(huán)作用后的相對(duì)受壓強(qiáng)度Fig.6 Relative compressive strengths of concrete for given strength grade and different water contents after experiencing ultralow temperature freeze-thaw cycle action

對(duì)于下限溫度時(shí)，除試件經(jīng)歷 16次溫度區(qū)間15 ℃~-120 ℃凍融循環(huán)作用后的與間關(guān)系有所不同外，其它三種超低溫凍融循環(huán)作用工況下呈現(xiàn)出上升而下降的趨勢，且擬合曲線的斜率基本一致。這主要原因在于下限溫度時(shí)不僅僅因凍融循環(huán)作用過程中造成惡化的混凝土累積損傷Δλ1隨混凝土含水率的增加而增大，降溫過程中隨混凝土內(nèi)部孔隙水的結(jié)冰使其有效受壓面積增大、骨料間粘結(jié)性能增強(qiáng)導(dǎo)致的混凝土受壓強(qiáng)度提高效應(yīng)Δλ2卻隨混凝土含水率增加而提高。超低溫凍融循環(huán)作用時(shí)這兩種均與混凝土含水率相關(guān)、具有相反效應(yīng)的疊加，最終，將決定混凝土受壓強(qiáng)度的變化趨勢。16次溫度區(qū)間 15 ℃~-120 ℃的超低溫凍融循環(huán)作用工況導(dǎo)致的兩種效應(yīng)近似相互抵消，而其他三種工況下，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，凍融循環(huán)引起的強(qiáng)度損傷Δλ1逐漸累積，并對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響大于骨料間粘結(jié)性能增加引起的強(qiáng)度提高Δλ2，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土受壓強(qiáng)度隨混凝土含水率增加呈下降趨勢。

根據(jù)所得的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，對(duì)于經(jīng)歷各種超低溫凍融循環(huán)作用且混凝土含水率在 3.5%附近的混凝土，混凝土相對(duì)含水率增加1%時(shí)，混凝土上限溫度時(shí)的下降約 0.005、下限溫度時(shí)的下降約0.015。這里，將近似地按其分離混凝土含水率差異對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土超低溫凍融循環(huán)作用工況下受壓強(qiáng)度的影響。

3.2 混凝土強(qiáng)度等級(jí)的影響

3.2.1 上限溫度時(shí)

圖7是不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土經(jīng)歷溫度區(qū)間15 ℃~-120 ℃和 15 ℃~-190 ℃凍融循環(huán)作用后上限溫度時(shí)的相對(duì)受壓強(qiáng)度變化情況。從圖7可以看到，混凝土經(jīng)歷相同超低溫凍融循環(huán)作用工況后，其上限溫度時(shí)混凝土相對(duì)受壓強(qiáng)度均隨混凝土強(qiáng)度等級(jí)提高而有所增大，也即超低溫凍融作用導(dǎo)致的混凝土受壓強(qiáng)度惡化程度將減弱。這與混凝土常規(guī)凍融循環(huán)作用試驗(yàn)結(jié)果[10]一致。其主要原因在于，隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)提高，其水膠比將相應(yīng)地減小，這使混凝土內(nèi)部孔隙率小而更加密實(shí)，且大部分孔隙的孔徑也較小，進(jìn)而增強(qiáng)混凝土超低溫凍融循環(huán)作用過程中對(duì)其內(nèi)部孔隙水的遷徙和凍脹效應(yīng)的抑制作用。但不同的超低溫凍融作用溫度區(qū)間所表現(xiàn)出的抑制效果卻有所不同，下限溫度較低溫度區(qū)間的混凝土強(qiáng)度等級(jí)影響相對(duì)較弱。通過對(duì)所獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合可偏安全地給出經(jīng)歷不同超低溫溫度區(qū)間凍融循環(huán)作用混凝土上限溫度時(shí)的相對(duì)受壓強(qiáng)度與其強(qiáng)度等級(jí)(這里用其軸心受壓強(qiáng)度平均值fc,m表示)間的變化關(guān)系：

圖7 經(jīng)歷超低溫凍融循環(huán)作用的不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土上限溫度時(shí)相對(duì)受壓強(qiáng)度Fig.7 Relative compressive strengths at upper limit temperature for concrete of different strength grades experiencing ultralow temperature freeze-thaw cycle action

圖8是不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土經(jīng)歷溫度區(qū)間15 ℃~-120 ℃和 15 ℃~-190 ℃凍融循環(huán)作用后，其上限溫度時(shí)的相對(duì)受壓強(qiáng)度與凍融循環(huán)作用次數(shù)N間關(guān)系?？梢?，凍融循環(huán)作用次數(shù)對(duì)上限溫度時(shí)混凝土相對(duì)受壓強(qiáng)度也有明顯的影響，但不同超低溫凍融循環(huán)作用工況下其相對(duì)受壓強(qiáng)度的變化趨勢有所不同。

圖8 不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土上限溫度時(shí)相對(duì)受壓強(qiáng)度隨超低溫凍融循環(huán)作用次數(shù)的變化規(guī)律Fig.8 Variation regularities of relative compressive strengths at upper limit temperature for concrete of different strength grades with increase in number of ultralow temperature freeze-thaw cycles

從圖8可以看出，上限溫度時(shí)加載，不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土經(jīng)歷不同溫度區(qū)間凍融循環(huán)作用后的相對(duì)受壓強(qiáng)度均隨N增加而呈下降趨勢，且下降幅度較為相似。這主要原因在于，隨N增加，混凝土內(nèi)部孔隙水反復(fù)結(jié)冰膨脹使孔壁也反復(fù)受壓，進(jìn)而導(dǎo)致孔壁附近混凝土微裂縫出現(xiàn)并不斷地發(fā)展，結(jié)果使混凝土受壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出逐漸下降趨勢。其中，強(qiáng)度等級(jí)較低的混凝土在不同超低溫凍融作用溫度區(qū)間均表現(xiàn)出較大的下降幅度。

3.2.2 下限溫度時(shí)

圖9是不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土經(jīng)歷溫度區(qū)間15 ℃~-120 ℃和 15 ℃~-190 ℃凍融循環(huán)作用后下限溫度時(shí)的相對(duì)受壓強(qiáng)度變化情況。從圖9可以看到，混凝土經(jīng)歷相同超低溫凍融循環(huán)作用工況后，其下限溫度時(shí)相對(duì)受壓強(qiáng)度變化規(guī)律與上限溫度時(shí)截然不同，不同的超低溫凍融作用溫度區(qū)間的變化規(guī)律也存在明顯的差異。雖溫度區(qū)間 15 ℃~-120 ℃和 15 ℃~-190 ℃的均基本上隨混凝土強(qiáng)度等級(jí)提高而有所增大，但前者是超低溫凍融作用導(dǎo)致的混凝土受壓強(qiáng)度惡化有所減弱，而后者則是超低溫凍融作用導(dǎo)致的混凝土受壓強(qiáng)度增強(qiáng)有所提高。這也表明不同下限溫度的超低溫凍融作用所表現(xiàn)出對(duì)混凝土受壓強(qiáng)度影響也不同。

圖9 經(jīng)歷超低溫凍融循環(huán)作用的不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土下限溫度時(shí)相對(duì)受壓強(qiáng)度Fig.9 Relative concrete compressive strengths at lower limit temperature for different strength grades experiencing ultralow temperature freeze-thaw cycle action

圖10是不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土經(jīng)歷溫度區(qū)間15 ℃~-120 ℃和 15 ℃~-190 ℃凍融循環(huán)作用后，其下限溫度時(shí)的相對(duì)受壓強(qiáng)度與凍融循環(huán)作用次數(shù)N間關(guān)系。下限溫度時(shí)加載，不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土的在給定的超低溫凍融作用溫度區(qū)間工況下隨N增加的變化趨勢相似，但不同的超低溫凍融作用溫度區(qū)間則存在明顯的差異。從圖10可以看到，溫度區(qū)間15 ℃~-120 ℃的隨N增加逐漸下降；而溫度區(qū)間15℃~_190℃的隨N增加卻不斷地提高。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因在于，混凝土受壓強(qiáng)度受凍融循環(huán)作用導(dǎo)致的累積損傷Δλ1和低溫混凝土內(nèi)孔隙水結(jié)冰導(dǎo)致的增強(qiáng)效應(yīng)Δλ2兩方面的影響。隨N增加，混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化、孔隙水進(jìn)行重分布，此時(shí)的Δλ1和Δλ2均逐漸增大。對(duì)于溫度區(qū)間15 ℃~-120 ℃，Δλ1隨N增加而引起的增幅要大于Δλ2。但對(duì)于溫度區(qū)間15 ℃~-190 ℃，混凝土內(nèi)孔隙水因結(jié)冰導(dǎo)致的增強(qiáng)效應(yīng)和孔隙水重分布因下限溫度較低而更加充分，結(jié)果使Δλ2隨N增加引起的增幅反過來大于Δλ1?？梢?，不同的超低溫溫度區(qū)間導(dǎo)致的混凝土下限溫度時(shí)受壓強(qiáng)度，隨凍融循環(huán)作用次數(shù)的變化規(guī)律將有所不同。

圖10 不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土下限溫度時(shí)相對(duì)受壓強(qiáng)度隨超低溫凍融循環(huán)作用次數(shù)的變化規(guī)律Fig.10 Variation regularities of relative concrete compressive strengths at lower limit temperature for different strength grades when number of freeze-thaw cycle action cycles was increased

4 與已有的混凝土常規(guī)凍融研究結(jié)果對(duì)比

已有的研究結(jié)果[11]表明，混凝土經(jīng)歷常規(guī)凍融循環(huán)作用過程中，其內(nèi)部孔隙水凍結(jié)產(chǎn)生的滲透壓力及靜水壓力會(huì)造成混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)的損傷，進(jìn)而影響混凝土的耐久性。這對(duì)長期處于自然凍融環(huán)境中的混凝土類建構(gòu)筑物是一種嚴(yán)重的危害。為改善混凝土的抗凍性能，一般通過添加引氣劑等方式使混凝土內(nèi)引入空氣形成大量的微小封閉氣孔、緩解孔隙水在凍脹遷徙過程中產(chǎn)生的壓力，進(jìn)而避免混凝土出現(xiàn)累積損傷。

混凝土中引氣使其孔隙率增加的同時(shí)，其受力性能和熱工性能也必然受到影響。自然凍融環(huán)境下混凝土中摻入適量的引氣劑可很好地滿足實(shí)際工程的需求，但超低溫凍融環(huán)境下混凝土性能與其孔隙狀況和含水率等密切相關(guān)。已有工程實(shí)踐表明，引氣劑的添加會(huì)影響混凝土超低溫性能，過量的引氣劑會(huì)使其性能出現(xiàn)明顯的惡化，甚至引發(fā)工程事故。故應(yīng)注意：不能簡單地將改善混凝土自然環(huán)境抗凍融性能方法直接應(yīng)用于超低溫凍融環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)中。

目前，國內(nèi)外許多研究者都對(duì)混凝土常規(guī)凍融作用性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究[12－13]。從這些研究結(jié)果可以看出，混凝土經(jīng)歷常規(guī)凍融循環(huán)作用后上限溫度時(shí)的受壓強(qiáng)度會(huì)有所下降，且下降幅度與混凝土強(qiáng)度等級(jí)密切相關(guān)。其中，曹大富等[14]通過對(duì)4種不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)立方體試件進(jìn)行加載試驗(yàn)，獲得了混凝土經(jīng)歷不同次數(shù)常規(guī)凍融循環(huán)作用后的相對(duì)受壓強(qiáng)度，并據(jù)此還擬合出相應(yīng)的表達(dá)式。

對(duì)于混凝土經(jīng)歷超低溫凍融循環(huán)作用方面的研究，目前，國內(nèi)外學(xué)者所給出的結(jié)果多具有局限性、不夠系統(tǒng)和深入，基本上處于起步階段。因超低溫凍融循環(huán)作用試驗(yàn)的成本較高，已有的試驗(yàn)所進(jìn)行的凍融循環(huán)作用次數(shù)相對(duì)較少。其中，謝劍等[15]通過試驗(yàn)給出，C40和C60立方體試件經(jīng)歷3次溫度區(qū)間為常溫至-160 ℃凍融循環(huán)作用后的常溫時(shí)混凝土相對(duì)受壓強(qiáng)度分別為0.91、0.92；C30、C40及C60立方體試件經(jīng)歷10次溫度區(qū)間為常溫至-80 ℃凍融循環(huán)作用后的常溫時(shí)混凝土相對(duì)受壓強(qiáng)度分別為0.74、0.79和1.07?？梢?，隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高，混凝土超低溫下的抗凍性能也有所提高。

圖11是將一些學(xué)者給出的混凝土經(jīng)歷凍融循環(huán)作用后其上限溫度時(shí)相對(duì)受壓強(qiáng)度與本文試驗(yàn)所得結(jié)果的對(duì)照。可以看出，經(jīng)歷不同溫度區(qū)間凍融循環(huán)作用后所得曲線的變化趨勢大致相同，即隨混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高，其上限溫度時(shí)相對(duì)受壓強(qiáng)度均有所增大。但相比于常規(guī)凍融作用，混凝土經(jīng)歷相同次數(shù)超低溫凍融循環(huán)作用后對(duì)其相對(duì)受壓強(qiáng)度所產(chǎn)生的損傷更為嚴(yán)重，如C40混凝土經(jīng)歷16次常規(guī)凍融循環(huán)作用、溫度區(qū)間 15℃~-120 ℃及 15 ℃~-190℃凍融循環(huán)作用后其相對(duì)受壓強(qiáng)度分別為0.95、0.87、0.77?？梢姡鋼p傷隨超低溫凍融循環(huán)作用溫度區(qū)間下限溫度的降低逐漸增大。故不能簡單地將常規(guī)凍融循環(huán)作用下的研究成果直接應(yīng)用于經(jīng)歷超低溫凍融循環(huán)的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之中。

圖11 經(jīng)歷超低溫環(huán)境和自然環(huán)境凍融循環(huán)作用的不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土上限溫度時(shí)相對(duì)受壓強(qiáng)度Fig.11 Variation regularities of relative concrete compressive strengths at upper limit temperature for different strength grades undergoing ultralow temperature or natural environment temperature freeze-thaw cycle action

5 結(jié)論

通過對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土進(jìn)行兩種超低溫溫度區(qū)間凍融循環(huán)作用受壓強(qiáng)度試驗(yàn)，可得到以下主要結(jié)論：

(1)對(duì)于各混凝土強(qiáng)度等級(jí)試件，無論是經(jīng)歷不同的超低溫溫度區(qū)間、次數(shù)的凍融循環(huán)作用，還是凍融循環(huán)作用前后，其表觀均未出現(xiàn)明顯的變化，試件破壞形態(tài)基本上類似，均大致呈對(duì)頂錐狀。但不同超低溫凍融循環(huán)作用工況下混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)試件加載的破壞特征影響有所不同。上限溫度時(shí)混凝土強(qiáng)度等級(jí)較低的破壞面處存在明顯的凹凸不平現(xiàn)象，表現(xiàn)得較為酥松；下限溫度時(shí)破壞面處的粗骨料基本上均被劈裂，破壞后殘留的受壓面也比上限溫度時(shí)小得多，并且混凝土強(qiáng)度等級(jí)高的表現(xiàn)得更加明顯。

(2)混凝土經(jīng)歷超低溫凍融循環(huán)作用后上、下限溫度時(shí)相對(duì)受壓強(qiáng)度均隨其含水率增加而呈下降趨勢。

(3)混凝土經(jīng)歷相同超低溫凍融循環(huán)作用工況后，其上限溫度時(shí)相對(duì)受壓強(qiáng)度均隨強(qiáng)度等級(jí)提高而有所增大，但不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土的相對(duì)受壓強(qiáng)度均隨凍融循環(huán)作用次數(shù)的增加而呈下降趨勢，且下降幅度較為相似。

(4)混凝土經(jīng)歷不同的超低溫凍融循環(huán)作用工況后，其下限溫度時(shí)相對(duì)受壓強(qiáng)度隨強(qiáng)度等級(jí)提高的變化規(guī)律不盡相同，也與上限溫度時(shí)有所不同。不同超低溫溫度區(qū)間的混凝土相對(duì)受壓強(qiáng)度雖均基本上隨混凝土強(qiáng)度等級(jí)提高而有所增大，但增大的原因存在明顯的差異；給定的超低溫凍融作用溫度區(qū)間工況下混凝土相對(duì)受壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)作用次數(shù)增加的變化趨勢相似，但不同溫度區(qū)間變化趨勢不同。

(5)常規(guī)凍融作用和超低溫凍融作用對(duì)混凝土性能影響不同，經(jīng)歷超低溫凍融循環(huán)作用后的混凝土相對(duì)受壓強(qiáng)度惡化更為嚴(yán)重。實(shí)際工程中應(yīng)注意不能簡單地將改善混凝土自然環(huán)境抗凍融性能方法直接應(yīng)用于超低溫凍融環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)中，也不能直接將常規(guī)凍融循環(huán)作用下的研究成果直接應(yīng)用于經(jīng)歷超低溫凍融循環(huán)的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之中。