高寒地区早期受冻水泥混凝土力学性能及抗冻耐久性.pdf

第4 4 卷第2 期2024年4 月DOI:10.16185/.2024.02.202高寒地区早期受冻水泥混凝土力学性能及抗冻耐久性西安工业大学学报Journal of Xian Technological UniversityVol.44 No.2Apr.2024http:/赵帮轩（中铁十八局集团第五工程公司，天津3 0 0 4 50）摘要：针对高寒地区新浇筑混凝土易受冻害，导致的路面结构安全隐患和后期服役寿命受限等问题，文中选取西藏地区实际施工材料分别拌制了C30、C 4 0 及C45三组水泥混凝土试件，试件在标准养护室养护0，3，7,2 8 d后移置室外继续养护1 50 d，研究抗压强度、抗折强度及动弹性模量变化规律，并且对自然养护1 50 d的试件进行3 0 0 次冻融循环试验。研究结果表明：当认为标准养护龄期为2 8 d的混凝土无受冻状态时，标准养护龄期的增加能有效提升混凝土服役初期的抗冻能力，混凝土的受冻率随着养护龄期的增加依次降低；通过掺加粉煤灰和防冻剂，自然养护1 50 d的混凝土可经受2 7 53 0 0 次冻融循环，冻融循环2 50 次后，混凝土内部产生明显的大孔隙及裂隙，试件抗冻指标快速下降；通过建立的冻融损伤度转化公式，可快速对高寒地区不同服役年限的混凝土建筑物进行力学性能预测，进而为运行期建筑物安全性评价提供理论支撑。关键词：混凝土；高寒地区；抗压强度；抗冻耐久性；损伤度中图号：TU528文献标志码：AMechanical Properties and Frost Resistance Durability ofEarly Frozen Cement Concrete in Alpine Regions(China Railway 18th Bureau Group 5th Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300450.China)Abstract:The newly poured concrete in alpine areas is susceptible to frost damage,which leads topotential safety hazards in pavement structure and limited service life,Three groups of C30,C40 and C45cement concrete specimens were prepared with the actual construction materials in Tibet.The specimenswere cured in a standard curing room for 0,3,7,and 28 days,and then cured outside for 150 days.Thechanges of their compressive strength,flexural strength and dynamic modulus of elasticity were studied,and 300 freeze-thaw cycles were performed on the specimens naturally cured for 150 days.It is found that文章编号：1 6 7 3-9 9 6 5（2 0 2 4)0 2-0 1 7 1-1 1ZHAO Bangruan*收稿日期：2 0 2 3-0 7-2 1；修回日期：2 0 2 3-1 2-1 1基金资助：陕西省重点研发计划项目（2 0 1 8 SF-391)；陕西省住房和城乡建设厅科技计划项目（2 0 1 7-K55）；西安市科技局高校人才服务企业项目（2 0 1 9 2 1 7 2 1 4 GXRC008CG009-GXYD8.2）。作者简介：赵帮轩（1 9 7 7-），男，高级工程师，主要研究方向为混凝土耐久性研究，E-mail：z h a o b a n g x u a n 1 2 3 1 6 3.c o m。引文格式：赵帮轩.高寒地区早期受冻水泥混凝土力学性能及抗冻耐久性J.西安工业大学学报，2 0 2 4，4 4（2）：1 7 1-1 8 1.ZHAO Bangxuan,Mechanical Properties and Frost Resistance Durability of Early Frozen Cement Concrete in Alpine Re-gionsJJ.Journal of Xian Technological University,2024,44(2):171-181.172when the concrete with the standard curing age of 28 days is considered to be free from freezing,theincrease of the standard curing age can effectively improve the frost resistance of the concrete at theinitial stage of service and that the probability of the concrete being frozen decreases with the increase ofthe curing age.The addition of fly ash and antifreeze enables the concrete naturally cured for 150 days towithstand 275300 freeze-thaw cycles.After 250 freeze-thaw cycles,there are obvious macropores andcracks emerging in the concrete,and its frost resistance index decreases rapidly.The established freeze-thaw damage degree transformation formula can quickly predict the mechanical properties of concretebuildings with different service life in alpine regions.The prediction can provide theoretical support forthe safety evaluation of buildings in operation.Key words:concrete;alpine region;mechanical properties;freeze durability;damage degree西藏地区，自然环境恶劣，条件艰苦。受高海拔、低气压、大温差等气候环境因素影响，机场道面、桥梁、大坝、公路等混凝土建筑物及其容易遭受冻融循环的破坏，这对结构的寿命带来了安全风险。因此，对这一地区混凝土工程的设计、材料、结构质量与施工过程中的操作都带来了较高的要求，其中混凝土配合比的设计和取材最为关键。冬季混凝土施工，使得混凝土结构服役初期就带有损伤工作，伴随长期的冻融破坏，将降低混凝土的耐久性和使用年限，同时对维护也带来极大挑战。因此，对高寒地区混凝土冬季施工造成的受冻损伤行为研究较为重要，这关乎到该类地区混凝土长期服役性能。针对混凝土的早期受冻状况，学者们做了大量的研究。文献1 研究了早期受冻后引起的带有初始损伤的混凝土材料在冻融循环与硫酸盐侵蚀耦合作用下力学性能的损伤演变规律，发现早期冻融加速了空洞与裂缝的扩展速度，使得各项力学性能的衰变过程受早期冻融影响均出现了“超前效应”；文献2 分别从混凝土冻融损伤机理、材性研究和数值模拟等三个方面出发，对混凝土冻融损伤进行了综述，进一步完善了混凝土抗冻性能基本理论体系；文献3 探究了玄武岩纤维与引气剂对混凝土抗冻性和力学性能的改变，表明了玄武岩纤维的加入可以使抗压与抗折强度在冻融作用下均匀缓慢地下降;文献4 分别在平原地区和高寒地区以相同的原材料和配合比制作了混凝土试件并进行力学性能试验，表明掺人减水剂和掺入引气剂并降低水灰比两种方案优化配合比能提高混凝土的各项性能。文献5研究了不同再生骨料掺量下，混凝土的力学性能和抗冻耐久性的变化规律，表明50%替代率的再生混凝土抗冻性能最好。文献6 西安工业大学学报探究了混凝土在盐离子侵蚀-冻融循环作用下的损伤规律，表明养护龄期对混凝土性能劣化影响显著。文献7 通过开展室内单轴压缩试验和CT扫描试验，分析了不同起冻时刻和冻结温度下的混凝土微观劣化规律，表明了早期受冻混凝土孔隙结构与力学性能劣化具有很强的相关性。文献8 对早期受冻混凝土应力-应变曲线拟合，提出了适用于早期受冻混凝土的单轴受压的本构方程，表明混凝土最不利的起冻时间在4 小时前后。文献9 分析了不同受冻环境参数对混凝土力学性能的影响，表明起冻时间越晚，对混凝土性能影响越小。文献10测试了不同配合比下早期受冻混凝土的力学性能及渗透性能，表明含气量对早期受冻混凝土力学性能影响显著，混凝土的力学性能与渗透性能有较强的相关性。文献1 1 探究了矿粉与硅灰对混凝土抗冻性能及力学性能的影响，表明添加矿粉与硅灰能降低混凝土的孔隙率，改善混凝土的各项性能。文献1 2 在高寒地区气候环境下开展试验，探究了引气剂和减水剂对混凝土力学性能及抗冻性能的影响，并根据试验指标建立了高寒地区混凝土冻融损伤模型，表明掺人引气剂和减水剂可显著提高高寒地区混凝土的抗冻性能。文献1 3 以水灰比、引气剂为损伤变量建立了早期受冻混凝土的强度预测模型，为早期受冻混凝土的强度预测、配合比优化设计提供了参考。文献1 4 探究了不同受冻环境参数下混凝土的孔径分布及孔隙结构的变化规律，表明大孔和凝胶孔在早冻环境下变化较大，更适宜作为孔隙结构变化的参考指标。文献1 5 探究了高掺量橡胶集料对混凝土抗冻性能和力学性能的影响以及产生影响的原因，表明高掺量橡胶集料使得混凝土具有更优异的抗冻性能。受到试验条件限制，以往的学者的研究成果第4 4 卷第2 期大多是基于实验室环境模拟得到，并不能反映高寒地区混凝土的真实受冻情况，因此混凝土耐久性、寿命预测结果往往与真实的服役寿命存在一定偏差。鉴于此，立足于西藏某工程，以实际应用配合比开展了C30、C 4 0 及C45三组受冻水泥混凝土的力学试验和冻融循环试验。目前混凝土受冻损伤评价方法主要有强度损失法1 6 、超声波速法1 7 、动弹性模量法1 8 1 9 、冻胀变形与残余变形法2 0-2 1 、电阻率法等2 2-2 3 。本文采用抗压强度、抗折强度及动弹性模量法来进行受冻混凝土力学性能研究；采用表面形态、质量变化、相对动弹性模量、抗折强度及超声波波速等指标对分组水水泥细骨料粉煤灰4.7510JF30175JF35170JF401501.2试件制作及试验方法按表1 配合比，分别浇筑混凝土试块。待2 4 h后拆模，置于标准养护（相对湿度9 5%，温度2 0 土5)条件下养护0、3、7、2 8 d后，移至室外养护。每种配合比的混凝土均设计1 50 X150X150mm的立方体试件和1 0 0 X100mX400mm的棱柱体试件，其中每个龄期下各设置3 块平行试件。试件分组见表2。编号JF30JF35JF40早期受冻混凝土力学性能早期受冻混凝土抗冻性能赵帮轩：高寒地区早期受冻水泥混凝土力学性能及抗冻耐久性表1 混凝土配合比Tab.1 Concrete compositions粗骨料1019.519.531.5320719360583410509尺寸/mm150X150X150100X100X400150X150X150100X100X400150X150X150100X100X400环境参数173受冻混凝土的抗冻性能进行研究。1试验1.1材料及配合比选用西藏地区某工程实际施工材料：水泥为高争PO42.5级水泥；细骨料为当地天然河砂（中砂）；粗骨料为粒径约4.7 5 3 1.5mm的碎石；减水剂为标准型聚羧酸高效能减水剂；防冻剂为安固盾型早强剂；粉煤灰为当地生产II级粉煤灰。分别设计C30、C 4 0、C 4 5三种强度等级的配合比，见表1,抗折强度目标值大于5MPa。单位：kg m-3减水剂十防冻剂水胶比401183012325127表2 试件分组Tab.2Specimen grouping抗压强度动弹性模量、抗折强度、超声波波速抗压强度动弹性模量、抗折强度、超声波波速抗压强度动弹性模量、抗折强度、超神波波速表3 养护条件Tab.3Concrete curing conditions温度/-814-717590615635早期受冻混凝土力学试验研究试件总龄期1 50 d，其中自然养护阶段环境参数见表3。早期受冻混凝土抗冻试验研究试件采取脱模后，自然养护约1 50 d的试件，养护阶段环境参数见表3。试验中，采用WES一1 0 0 0 B型电液伺服万能材料试验机测试混凝土抗压强度和抗折强度；采用DT一1 0 W型动弹模量测试仪采集混凝土动弹模量，采用RSM一SY5(T)型非金属超声波检测仪采集混凝土声速值。用途数量1212+211212+211212+21研究项目湿度/%压强/KPa2530654047654724925087.27.86.9350036003.50036000.410.440.35海拔/m1742早期受冻混凝土力学结果及分析2.1#抗压强度分析图1 为三组混凝土在不同标准养护龄期条件后下所测的抗压强度。口JF30口JF3560F50F40上30H20上10F0图1 不同配合比受冻混凝土抗压强度Fig.1 Compressive strength of frozen concretewith different compositions研究发现，由于测试龄期为1 50 d,所以三组混凝土测得的抗压强度均远大于设计强度。以设计强度为基准，JF30组在0,3，7,2 8 d标准养护条件后的抗压强度提升百分比分别为2 3.8 3%，4 3.1 0%，49.93及52.4 0%；JF35组抗压强度提升百分比分别为2 9.3 1%，3 0.6 0%，4 3.57%，及4 5.7 1%;JF40组抗压强度提升百分比分别为2 1.5%3 7.1 3%，3 8.3 3%及4 4.2 0%。其中经过2 8 d标准养护的试件强度提升率几乎接近50%，一方面是混凝土强度在服役过程中会随着龄期的增长而增大，不受设计强度本身的影响；另一方面是因为这三组配合均为实际工程中梁、柱等结构承重部位所使用，所以设计强度均保守偏高。此外，可以发现三组混凝土抗压强度结果受早期养护环境影响比较大，JF30组2 8 d标准养护的抗压强度比0，3，7 d分别多8.6 2，2.8 4，0.7 9MPa;JF35组2 8 d标准养护的抗压强度比0,3,7 d分别多5.7 4,5.2 9,0.7 5MPa;JF40组2 8 d标准养护的抗压强度比0，3，7 d分别多9.0 8,3.3 3,2.3 3MPa。可见标准养护7 d结果会受试验龄期影响，结果与2 8 d的接近，而标准养护2 8 d的混凝土试件在早期服役过程力学性能成长效果较好，受冻影响比较小，因此可以忽略。以2 8 d标准养护条件所测的抗压强度为基准，提出抗压受冻率（相对于西安工业大学学报28d强度损失率）。则JF30组混凝土在0，3，7 d标准养护后的抗压受冻率分别为1 8.3 3%，6.2 0%及1.6 2%；JF35组混凝土同工况下抗压受冻率分别为1 1.2 5%，1 0.3 7%及1.4 7%；JF40组混凝土同工况下抗压受冻率分别为1 5.7 4%，5.7 7%及2.35%。可见随着标准养护龄期的增长，混凝土的IJF40受冻差异表现的也越来越小，JF35组混凝土表现结果最好。2.2抗折强度分析图2 为三组混凝土在不同标准养护龄期条件后所测的抗折强度。与抗压强度一致，抗折强度与设计标准值(5 MPa)相比也有提升。以设计强度（5MPa)为基准强度，JF30组在0,3,7,2 8 d标准养护条件后的抗折强度提升百分比分别为1 2.03试验龄期第4 4 卷7286%，1 6.0%，1 9.2%及2 8%；JF35组抗折强度提升百分比分别为1 2.6%，3 1.4%，3 2.6%及3 7.6%；JF40组抗折强度提升百分比分别为3 4%，3 2.6%，38.6%及51.4%。通过分析可以看出，随着养护龄期增长，抗折强度也有较明显的增长趋势，其中JF40组最为明显，但总体来说抗折强度增幅不及抗压强度。8F76543210图2不同配合比受冻混凝土抗折强度Fig.2Flexural strengthof frozen concretewith different compositions类似于2.1 节提出的受冻率,以抗折强度为研究对象，提出抗折受冻率。以2 8 d标准养护条件所测的抗折强度为基准,则JF30组混凝土在0,3，7天标准养护后的抗折受冻率（相对于2 8 d强度损失率)分别为1 0.4 7%，9.3 8%及6.8 8%；JF35组混凝土同工况下抗折受冻率分别为1 8.1 7%，4.51%及3.6 3%；JF40组混凝土同工况下抗折受冻率分别为1 1.4 9%，1 2.4 2%及8.4 5%。同比，随口JF30口JF35JF4003试验龄期728第2 期着标准养护龄期的增长，从抗折强度来看，混凝土的受冻差异表现的也越来越小，但并没有抗压强度变化表现的明显。因此这里认为，高寒地区混凝土抗压强度较抗折强度受环境影响略明显。因此，在高海拔寒冷地区混凝土施工应该保证早期养护过程中的水分和温度适宜，降低混凝土早龄期受冻损伤概率，才能更进一步保证混凝土的使用寿命。2.3动弹性模量分析图3 为三组混凝土在不同标准养护龄期条件后所测的动弹模量。50F口JF30口JF35JF4040F3020F100图3 不同配合比受冻混凝土动弹性模量Fig.3Dynamic elastic modulus of frozen concretewithdifferent compositions与抗压强度和抗折强度发展规律一致的是，随龄期增长弹性模量也会增长，但也有不一致的规律，即设计强度高的配合比动弹模量也有可能较低，比如JF35与JF30。3受冻混凝土抗冻耐久性研究3.1冻融损伤评价指标通过质量变化、相对动弹性模量和抗折强度变化是衡量混凝土冻融损伤程度，定义相对动弹性模量计算式为2 4EEd=X100%。E通过超声波波速的大小反映混凝土的密实程度，即波速越大，意味混凝土越密实，其宏观力学性能表现越好，反之混凝土力学性能越差1 8 1 9 。采用RSM一SY5（T)型非金属超声波检测仪，在测试抗折强度前对混凝土试件进行对测法超声波波速采集，测线布置如图4 所示。赵帮轩：高寒地区早期受冻水泥混凝土力学性能及抗冻耐久性3.2.1表观损伤及质量变化冻融作用对混凝土的表观影响主要体现为剥蚀损伤，进而导致质量损失。冻融循环作用后，试件表观破坏大体可分为三个阶段：循环初期试件表面胶凝材料剥落，并且会有坑洞出现；然后细骨料外露出现分层脱落现象，后期随着循环次数的增03试验龄期175100发射端接收端00t00图4 超声波测线布置示意图（单位：mm）Fig.4Layout of ultrasonic line3.2冻融损伤分析728加，砂浆的分层脱落会使粗骨料裸露以致强度丧失，直至破坏。图5为本次冻融试验试件（1 0 0 mmX100mmX400mm)表观变化。研究发现，50 次循环前，试件表面只有少许的剥落，冻融循环对其影响不大；当冻融循环次数大于50 次时，砂浆开始脱落，到2 0 0 次时比较明显；当冻融循环次数到达300次至试验结束这一过程出现了微小骨料裸露区域，但总体上试件表面变化不大，可见掺加防冻剂对混凝土的冻融表观改善有显著作用。质量变化是试件表观损伤的直接量化指标，试验得到的各组混凝土试件质量变化如图6 所示。从图6 可以看出，随着冻融循环次数增加，试件质量总体呈减小趋势，但在冻融循环早期（0 50次），试件质量出现了负增长现象，这主要是冻融循环前期水分进入试件原始的孔隙当中，低温使得水分结晶形成晶体，进而质量增长；当冻融循环次数进行到一定次数后，结晶体会越来越多，达到一个(1)饱和状态，此时晶体会发生膨胀破坏导致试件内部的孔隙越来越多，试件表面开始剥落，质量随之减小；随着剥落越来越严重，冻融次数一旦超过某一个临界值后，试件内部产生裂隙，由内到外，贯穿整体，最终导致混凝土破坏。JF30与JF40组试件质量变化步调接近，即初期微小增长，中后期缓慢下降；而JF35组试件在176501 0 0 次之间发生骤降，1 0 0 次冻融循环后下降幅度和其它两组最终一致。JF30,JF35及JF40组在经过3 0 0 次冻融循环后质量损失率分别为1.02%，2.3 8%和1.2 0%，均未达到标准规定的0次西安工业大学学报5%,这是由与混凝土中添加了粉煤灰和防冻剂的原因，粉煤灰混凝土的冻融循环中期起着至关重要的作用，而防冻剂提升冻融整个过程中试件的抗冻性能。50次100次第4 4 卷200次300次JF30JF35JF40表示未经冻融损伤或少许冻融损伤区域，较为光滑，主要集中在冻融0 50 次之间Fig.5Freeze-thaw damage appearance of concrete10.1010.0510.009.959.909.859.8010图6 混凝土质量变化图Fig.6Change of concrete weight3.2.2超声波波速分析试验得到的超声波波速结果如图7 所示。由图7 可知，三种混凝土的波速均随冻融循环次数的增加而下降。其中,冻融循环在0 2 50 次之间时，波速变化不大，说明混凝土的孔隙变化不明显，没有生成较大的孔隙和裂隙，试件不发生破坏；当冻融循环在2 50 3 0 0 0 次时，其中JF30和JF35幅度接近，JF40降幅较小一点，说明冻融循环对JF40造成的损伤小于其余两组，从波速分析来看，表示砂浆脱落明显区域，主要集中在冻融1 0 0 3 0 0 次之间表示骨料裸露明显区域，主要集中在冻融2 0 0 3 0 0 次之间图5混凝土冻融损伤表观示意图水灰比稍低时能提高混凝土抗冻性能。5.04.54.0FJF303.5FJF35JF4050100150 200250300冻融循环次数/NJF303.0-JF35-JF402.50图7 混凝土波速变化图Fig.7Change of ultrasonic velocity of concrete3.2.3相对动弹性模量分析混凝土动弹性模量可以反映混凝土的内部损伤程度，是目前耐久性研究中比较常见的一种性评价指标。图8 为混凝土相对动弹性模量随与冻融循环次数的变化曲线。通过分析可知，在0 50 次冻融循环过程中，JF30及JF35两组试件相对动弹性模量有略微增大,并且幅度相近；继续增加冻融循环次数，各至下50100150 200250300冻融循环次数/N(2)第2 期降至6 0%时，可经历的冻融循环次数大约为2 7 0次左右，JF35及JF40组试件的相对动弹性模量下降6 0%时均能保证3 0 0 次的冻融循环此时，这对高寒地区混凝土至少能经受3 0 0 次冻融循环的抗冻性要求也是满足的。110F100%9080F70F6050F40300图8混凝土相对动弹性模量变化图Fig.8Change of relative dynamic elasticmodulus of concrete3.2.4抗折强度分析为评价冻融循环对混凝土韧性的影响，采用抗折试验来研究冻融过程中弯曲韧性的变化，得到抗折强度随冻融循环次数的变化关系，如图9 所示。8765432100图9 混凝土抗折强度变化图Fig.9Change of flexural strength of concrete可知，冻融循环对混凝土的抗折强度影响较大。随着冻融循环次数增加，三组试件的抗折强度均下降，相同冻融循环次数下，试件的强度损失率由低到高依次为JF40JF35JF30，可见设计强度较高的试件抗冻性能更好一点，也说明水灰比的控制也会对抗冻效果起积极作用。另外，在冻融01 0 0 次此过程中，试件的抗折强度损失较缓慢；200次冻融循环后，各组混凝土试件进人快速劣化赵帮轩：高寒地区早期受冻水泥混凝土力学性能及抗冻耐久性JF30JF40JF35一50100150200250300冻融循环次数/NJF30JF35一JF4050100150200250300冻融循环次数/N177阶段，3 0 0 次冻融循环后，JF30,JF35和JF40的抗折强度分别为冻融前的3 5.2 9%，3 9.2 0%和4 6.2 4%。可见防冻剂和粉煤灰均能提高混凝土的抗冻耐久性，水灰比较小时提升效果更优。3.3冻融损伤度分析混凝土冻融损伤是一种逐渐积累的过程，与疲劳破坏过程类似。为了更直观的研究冻融循环对混凝土造成的损伤程度，在试验结果的基础上，基于损伤力学概念中的有效应力原则，引入不同抗冻8指标的损伤度，分别为动弹性模量损伤度、超声波波速损伤度、抗折强度损伤度，计算方法为De=1-E。ENVNDv=V。D ts=1-ftsNftso3.3.1动弹性模量损伤度图1 0 为冻融作用下混凝土动弹性模量损伤度图。由图1 0 可知，各组试件的动弹性模量变化趋势基本相似，冻融循环次数越多，损伤程度越大。3 0 0次冻融循环结束后，JF30组损伤最严重，曲线变化幅度也最大；JF35和JF40损伤程度较小，在冻融循环1 50 3 0 0 次内变化幅度接近。可见，相同冻融循环次数下，水灰比大的试件冻融损伤程度更大一些，而且损伤速度也更快。10.4-JF30-JF350.3JF400.2F0.1F0F-0.1 050100150200250300冻融循环次数/N图1 0冻融作用下混凝土动弹性模量损伤度Fig.10Damage degree of dynamic elastic modulus ofconcrete under freeze-thaw action3.3.2超声波波速损伤度采用超声波对测法获得的波速值，可以从孔隙角度来分析混凝土内部的损伤程度。绘制出混凝(3)(4)上1178土超声波波速损伤度随冻融循环次数的变化关系，如图 1 1 所示。0.5-JF30JF350.4F-JF400.30.2F0.1010图1 1 冻融作用下混凝土波速损伤度Fig.ll Damage degree of ultrasonic velocity ofconcrete underfreeze-thawaction由图1 1 可知，冻融循环前50 次，三组试件损伤度较初始时差距均较小；经过50 次冻融循后，波速损伤度开始增大，其中JF40明显小于JF30及JF35组；冻融循环2 50 次后，波速损伤度急剧增大，此时混凝土内部开始有大孔隙和微裂隙产生，继续进行冻融循环，在此基础上仅经过50 次冻融循环相对动弹性模量就基本下降到了6 0%左右，可见2 50 次冻融循环可作为本次试验中混凝土内部损伤加剧的一个临界值。此外，超声波波速损伤度变化规律可以看出，JF40组的抗冻性能自始至终均优于其它两组，原因在于混凝土的冻融损伤程度与其内部孔隙所含自由水有关,JF40组水灰比偏低,所以未冻融试件的孔隙较密集也相对较少,这样一来自由水在冰点体积膨胀导致孔隙的破裂速率就较为缓慢一些，混凝土内部的微裂隙发展也会相对较慢，因而该组试件抗冻性能较好。3.3.3抗折强度损伤度为探讨自然养护的混凝土试件抗折强度在冻融循环条件下的衰减规律，同样根据损伤力学定义了抗折强度损伤度。绘制出抗折强度损伤度与冻西安工业大学学报0.70.6F0.50.4F0.3F0.2F0.10-0.140501000150200250300冻融循环次数/N第4 4 卷-JF30JF35+JF40150100150200250300冻融循环次数/N图1 2 冻融作用下混凝土抗折强度损伤度Fig.12Damage degree of flexural strength of concreteunder freeze-thaw action3.3.4不同冻融损伤度转化关系实际工程当中对于抗折强度指标的获取，经常需要破坏混凝土建筑物或者构筑物，这对结构的可靠性极为不利。此时，在耐久性研究当中，通过无损试验获得的动弹性模量损伤度和超声波波速损伤度来反映强度损伤颇具研究意义。图1 3 为本次试验中抗折强度损伤度与动弹性模量损伤度关系，图1 4 为抗折强度损伤度与波速损伤度关系。由图1 3、图1 4 可知，三组试件的抗折强度损伤度与动弹性模量损伤度、抗折强度损伤度与超声波波速损伤度均满足二次函数关系。通过图中拟合的公式，可对高寒地区冻融环境下不同服役年限的混凝土建筑物进行动弹性模量及超声波波速等指标获取，进而可以有效预测其力学强度，这对评价运行期建筑物的结构可靠度有较好的指导意义。0.7FD.=3.2042Dr-2.9889D,-0.0259R*=0.91210.6JF300.5JF35JF400.4F0.30.20.1上Da-3.2975D,-4.2978D,+0.0755R=0.9199融循环次数关系曲线，如图1 2 所示。由图1 2 可知，抗折强度损伤度在0 1 0 0 次冻融循环时差距较小，说明在这一冻融周期内力学性能损失较少；1 0 0 次冻融循环后，力学损伤程度逐渐上升，大致呈二次函数曲线形式，由抗折强度损伤度也可以明显的看出低水灰比JF40组抗冻性能最优。0-0.1图1 3抗折强度损伤度与动弹性模量损伤度关系Fig.13Relationship between flexural strength damagedegree and dynamic elastic modulus damage degreeDM-2.7440D,-2.9877D,+0.0618R=0.866900.1D0.20.30.4第2 期0.8Da=4.4242Dv-6.9878D,-0.07360.7一R-0.83580.6JF300.5上JF35JF400.4一0.30.20.1-0.1图1 4 抗折强度损伤度与波速损伤度关系Fig.14Relationship between flexural strength damagedegree and ultrasonic velocity damage degree4结论针对高寒地区早期水泥混凝土易受冻害的问题，依托西藏某工程，在现场实地开展了C30，C 4 0及C45三组受冻水泥混凝土的力学试验和冻融循环试验，研究了高寒地区水泥混凝土的早期力学性能和抗冻耐久性。基于冻融循环结果，建立了冻融损伤度转化公式用于力学性能预测，主要结论如下：1）混凝土早期力学性能与其养护情况有很大关系。随着标准养护龄期的增长，混凝土受冻差异表现的也越来越小，混凝土的抗压强度、抗折强度以及动弹性模量结果均表现出0 3 d7d28d的规律。在高海拔寒冷地区混凝土施工应该保证早期养护过程中的水分和温度适宜，标准养护龄期越长，在服役初期受冻概率越小。2）在冻融循环试验中，分析了3 组水泥混凝土的表面形态、质量变化、相对动弹性模量、抗折强度及超声波速随冻融循环次数的变化规律，探究了高寒地区混凝土抗冻性能的影响因素。结果表明：试验配合比可经历2 7 53 0 0 冻融循环，对高寒地区混凝土工程适用性较强；添加粉煤灰与防冻剂、适当减小水灰比能显著提高混凝土的抗冻性能；250次冻融循环可作为混凝土内部损伤加剧的一个临界值。3）建立了冻融损伤度转化公式，通过获取动弹性模量损伤度和超声波波速损伤度可快速对高寒地区不同服役年限的混凝土建筑物进行力学性能损伤程度预测，进而为运行期建筑物安全性评价提供理论支撑。赵帮轩：高寒地区早期受冻水泥混凝土力学性能及抗冻耐久性D=4.2518Dr-7.5555D-0.0557R=0.9371D=5.2385D-8.0849D-0.0938R-0.846900.1179参考文献：1 徐存东，程昱，王荣荣，等.带初始冻融损伤的混凝土材料受盐冻作用下性能劣化分析.工程科学与技术,2 0 1 9,51(1):1 7.XU Cundong,CHENG YU,WANG Rongrong,et al.Analysis of Performance Degradation of Concrete Ma-terials with Initial Freeze-Thaw Damage under SaltFreezingJ.Advanced Engineering Sciences,2019,510.20.3DV0.40.5(1):17.(in Chinese)2张一奔，徐飞，郑山锁.冻融损伤混凝土研究综述.混凝土,2 0 2 1(3):1 0.ZHANG Yiben,XU Fei,ZHENG Shansuo.Review ofFreeze-Thaw Damage ConcreteJ.Concrete,2021(3):10.(in Chinese)3卢海龙，董玉文，何磊，等.混掺玄武岩纤维与引气剂对混凝土抗冻性能和力学性能的影响.混凝土与水泥制品，2 0 2 0（7）：51.LU Hailong,DONG Yuwen,HE Lei,et al.Effect ofBasalt Fiber and Air Entraining Agent on Frost Re-sistance and Mechanical Properties of Concrete J.China Concrete and Cement Products,2020（7):51.(in Chinese)4高金麟.基于变形的混凝土受冻损伤评价研究D.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2 0 1 9.GAO Jinlin.Research on Frost Damage Evaluation ofConcrete based on Deformation D.Harbin:HarbinInstitute of Technology,2019.(in Chinese)程亮，邓祥辉，薛丽媛，等.C30再生粗骨料混凝土的抗冻耐久性试验研究J.西安工业大学学报，2 0 2 0，40(1):55.CHENG Liang,DENG Xianghui,XUE Liyuan,et al.Experimental Study on Frost Resistance Durability ofC3o Recycled Coarse Aggregate ConcreteJJ.Journalof Xian Technological University,2020,40(1):55.(in Chinese)6徐存东，李欣达，高懿伟，等.早期受冻对混凝土力学性能的影响研究J.水利水电技术（中英文），2 0 2 2，53(7):154.XU Cundong,LI Xinda,GAO Yiwei,et al.Study onthe Influence of Early Freezing on the MechanicalProperties of ConcreteJ.Water Resources and Hy-dropower Engineering,2022,53(7):154.(in Chinese)7屈春来，林鹏，刘世伟，等.早期受冻混凝土孔隙结构特征及与宏观力学性能相关性分析J.水电能源科学，2 0 2 3,4 1(1 2)：1 6 4.QU Chunlai,LIN Rongpeng,LIU Shiwei,et al