冻融介质及温度阈值对混凝土快速冻融试验试件温度历程的影响

葛昕

1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京100081；2.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京100081

在我国寒冷地区冻融破坏是混凝土材料的主要病害之一，在结冰膨胀压力和渗透压力的共同作用下混凝土会产生由表及里的粉化和剥蚀，当表层混凝土的粉化和剥蚀量达到一定程度后则失去对钢筋的保护作用，影响到混凝土结构的安全［1-4］。为了科学评价混凝土材料的抗冻性能，GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中提出了慢冻法、快冻法和单面冻融法三种试验方法，其中快冻法因其稳定的试验结果、高效的试验效率应用最广泛［5］。

调研发现，我国普遍采用快速冻融试验机开展混凝土抗冻试验，在JG/T 243—2009《混凝土抗冻试验设备》中对混凝土快速冻融试验机的组成、材料、使用条件、使用要求、试验方法等作出了详细规定［6］。

在混凝土抗冻试验中，主要通过冻融箱内防冻液、以防冻液为冻融介质的测温试件（用于控制冷冻、融化过程）、以水为冻融介质的冻融试件（用于测试混凝土抗冻性能）之间的热量转换（图1），实现对冻融试件温度的控制。抗冻试验中乙二醇溶液是应用最广泛的防冻液，其在冻融过程中不会产生相变［7-8］，而水在冻融过程中存在水—冰相变，因此在冻融循环过程中，以水为冻融介质的冻融试件的温度变化历程必然有异于以防冻液为冻融介质的测温试件，从而影响混凝土材料抗冻性能试验值的准确性。因此，本文研究不同冻融介质、测温试件和冻融箱内防冻液的温度阈值对测温试件和冻融试件温度变化历程的影响规律，为提高混凝土抗冻试验的合理性和准确性提供支撑。

图1 混凝土快速冻融试验的热量转换

1 试验过程及方法

1.1 试验原材料及配合比

1.1.1 试验原材料

水泥采用北京金隅水泥经贸有限公司生产的P·O42.5普通硅酸盐水泥，其物理和力学性能见表1。粉煤灰采用F类Ⅱ级粉煤灰，烧失量为3.1%。粗集料为5～25 mm连续级配碎石，细集料为细度模数2.88的中砂。外加剂为聚羧酸高性能减水剂，其性能指标见表2。试验用水为北京市饮用自来水。

表1 水泥物理和力学性能

表2 外加剂的性能指标

1.1.2 混凝土配合比（表3）

表3 混凝土配合比

1.2 试验仪器

选择插入式温度传感器作为测温设备，其测量范围为-30～30℃，测量精度为±0.3℃。

利用北京三思行测控技术有限公司生产的快速冻融试验机开展混凝土抗冻试验。此试验机满足JG/T 243—2009要求，内部结构见图2。

图2 混凝土快速冻融试验机内部结构

1.3 试验步骤

1）按照表3中的配合比制备9个尺寸（长×宽×高）为400 mm×100 mm×100 mm的混凝土试件。混凝土浇筑时在试件中心预埋温度传感器，并利用少量胶水密封温度传感器与试件表层混凝土的接触面，如图3所示。混凝土试件拆模后在标准养护条件下养护至24 d龄期。

图3 预埋温度传感器的混凝土试件

2）养护至24 d龄期，将试件放入橡胶试验盒内，其中6个橡胶试验盒倒入水，3个橡胶试验盒倒入防冻液，确保试件完全浸泡于冻融介质中，持续浸泡至28 d龄期，即制作完成3个以防冻液作为冻融介质的测温试件、3个以水作为冻融介质的测温试件、3个以水作为冻融介质的冻融试件。

3）将9个带有试件的橡胶试验盒移至快速冻融试验机中的试件架上，开始快速冻融循环试验。

4）改变测温试件的冻融介质、测温试件和冻融箱内防冻液的温度阈值，测量测温试件和冻融试件的中心温度。

2 试验结果分析

2.1 冻融介质对混凝土试件温度变化历程的影响

测温试件的温度阈值设定为（-20、5℃），冻融箱内防冻液的温度阈值设定为（-25、10℃），通过改变测温试件的冻融介质，得到测温试件、冻融试件及冻融箱内防冻液温度变化历程，见图4。

图4 采用不同冻融介质时测温试件、冻融试件及冻融箱内防冻液温度变化历程

对比图4（a）和图4（b）可见：①以防冻液为测温试件的冻融介质时冻融试件在1 400 min内完成了7个冻融循环，而以水为测温试件的冻融介质时在相同时间内仅完成6个冻融循环。②测温试件冻融介质的改变并未显著影响冻融箱内防冻液温度阈值，但当测温试件的冻融介质由防冻液变为水时，延长了冻融箱内防冻液温度上限值（10℃）的持续时间。③当改变测温试件的冻融介质时，冻融试件中心温度变化历程的差异主要体现在0℃处。以防冻液为测温试件的冻融介质时，融化过程中冻融试件中心温度达到0℃后不再上升，温度维持在0℃约30 min后进入冷冻循环；以水为测温试件的冻融介质时，融化过程中冻融试件中心温度在0℃时会出现一个短暂的温度滞留期，随后继续上升至5℃后进入冷冻循环。冷冻过程中也出现了与融化过程类似的现象。

2.2 温度阈值对混凝土试件温度变化历程的影响

以防冻液为测温试件的冻融介质，通过调整测温试件、冻融箱内防冻液的温度阈值，得到测温试件、冻融试件及冻融箱内防冻液温度变化历程，见图5。

图5 不同温度阈值条件下测温试件、冻融试件及冻融箱内防冻液温度变化历程

对比图5（a）和图5（b）可见：当测温试件的温度设定下限值保持不变，上限值从5℃调整至8℃时，冻融循环周期时长从200 min增长到300 min，增长约1/2，且冻融试件中心温度上限值从0℃提高到7.6℃。其原因为：冻融箱内防冻液与测温试件的温度设定上限值过于接近时，冻融箱内防冻液、冻融介质、测温试件之间热量传输速率降低，需要更长的时间达到测温试件的温度设定上限值，融化过程所需时长大幅增加，从而增加整个冻融循环周期时长；当融化过程时长大幅增加时，冻融试件中心温度也更接近于测温试件的温度上限值（8℃）。

对比图5（b）和图5（c）可见：保持测温试件温度阈值和冻融箱内防冻液温度下限值不变，仅将冻融箱内防冻液温度的上限值从10℃调整至15℃时，冻融循环周期时长从300 min降低至200 min，降低约1/3，冻融试件中心温度上限值从7.6℃降低到4.9℃。其原因为：由于冻融箱内防冻液与测温试件的温度设定上限值的差异增大，冻融箱内防冻液、冻融介质、测温试件之间热量传输速率提高，冻融循环周期时长缩短，热量传输时间减少，因此冻融试件中心温度上限值略有降低。

2.3 混凝土快速冻融试验试件温度变化历程的调整方法

GB/T 50082—2009对混凝土快速冻融试验［5］的规定是：①混凝土冻融试验过程中，每次冻融循环时间在2～4 h内完成；②融化时间不小于冻融循环时间的1/4；③冻融试件中心最低温度为（-18±2）℃，最高温度为（5±2）℃；④冷冻过程中冻融试件从3℃降至-16℃的时间不小于冷冻时间的1/2；融化过程中冻融试件从-16℃升至3℃的时间不小于融化时间的1/2；⑤冻融试件内外温差不大于28℃；⑥冷冻和融化之间的转换时间不宜超过10 min。

在图4（a）中以防冻液为测温试件的冻融介质、测温试件的温度阈值为-20、5℃、冻融箱内防冻液的温度阈值为-25、10℃时，冻融试件的中心温度最低值为-22℃，最高温度仅为0.3℃。考虑到传感器的精度为±0.3℃，冻融试件可能并未完全融化，尚未完成一个完整的冻融循环就进入下一个冷冻过程，此种情况不满足GB/T 50082—2009中第③条、第④条的要求。

在图4（b）中以水为测温试件的冻融介质、测温试件的温度阈值为-20、5℃、冻融箱内防冻液的温度阈值为-25、10℃时，冻融试件的中心温度在-19～5℃范围内波动，满足GB/T 50082—2009相关要求。

以防冻液为测温试件的冻融介质时，由于用于冻融试验的防冻液冰点低于-25℃［7.8］，在冻融循环试验过程中不会对测温试件产生冻融损伤，而以水为测温试件的冻融介质时，冻融循环过程中测温试件会因水结成冰的膨胀压力对混凝土造成冻融损伤，当损伤累积到一定程度后，测温试件会产生破坏，因此与以防冻液为冻融介质的测温试件相比，以水为冻融介质的测温试件破坏速度显著加速。这就意味着快速冻融试验机在长期使用过程中，需要频繁更换以水为冻融介质的测温试件。考虑到各测温试件之间的差异、试验高效和连续性要求，以水为测温试件的冻融介质，虽然在理论上满足标准要求，但在实际使用过程中会降低试验效率。

图5中以防冻液为测温试件的冻融介质。由图5（a）到图5（b）保持冻融箱内防冻液温度阈值（-25、10℃）和测温试件温度下限值（-20℃）不变，将上限值从5℃调整至8℃，冻融循环时间达5 h，无法满足GB/T 50082—2009第①条的要求，在实际使用过程中效率过低。

由图5（b）到图5（c）保持测温试件温度阈值（-20、8℃）和冻融箱内防冻液温度下限值-25℃不变，将上限值从10℃调整至15℃，此时冻融试件的温度变化历程可以满足GB/T 50082—2009的各项要求。

由图5可以发现，通过调整测温试件和冻融箱内防冻液的温度阈值可以实现对冻融试件温度阈值和冻融循环周期时长的调整，以满足标准要求。

3 结论与建议

1）测温试件采用不同的冻融介质时，测温试件和冻融箱内防冻液的温度阈值无明显变化，只影响其温度上限值的持续时间。

2）以防冻液为测温试件的冻融介质、测温试件温度阈值为-20、5℃、冻融箱内防冻液温度阈值为-25、10℃时，冻融试件的中心温度不满足GB/T 50082—2009要求。以水为测温试件的冻融介质、测温试件温度阈值为-20、5℃、冻融箱内防冻液温度阈值为-25、10℃时，虽然在理论上满足标准要求，但由于测温试件破坏速度加快，在实际使用过程中须频繁更换，这会间接降低试验效率。

3）以防冻液为测温试件的冻融介质，通过调整测温试件和冻融箱内防冻液的温度阈值，可以实现冻融试件温度历程和冻融循环周期时长的调整，满足GB/T 50082—2009相关要求。