【摘要】介绍了国内外典型的混凝土的杭冻性试验方法、评定指标及控制要求，并对其进行了分析比较。
【关键词】混凝土; 冻融; 盐冻;试验方法;评价指标;控制要求
【中图分类号】TB302 【文献标识码】A
混凝土抗冻性是指混凝土在饱水状态下，能经受多次冻融循环而不破坏其外观完整性，也不严重降低其强度的性能指标。可分为单纯冻融循环作用和盐冻作用两类。单纯冻融循环作用会使混凝土内部受损伤而产生开裂，受此作用的混凝土结构常处于邻水地区，如桥墩、承台、隧道、涵洞等;而盐冻作用主要存在于寒冷地区的盐渍土地带及喷洒化冰盐的路段，受影响的混凝土结构物如桥面板、路面板、人行道、路缘石等。1986年，北美、欧洲、亚洲等地的16个国家组成一个技术专家组，对约800000座道路桥梁进行了细致和全面的现场调查、分析和汉蛤式。结果指出:在寒冷地区，特别是除冰盐或含盐环境引起的盐冻剥蚀破坏和钢筋锈蚀破坏是道桥破坏或失效的最主要原因。在我国广大北方地区，由于年平均气温较低、日温差大，且某些地区地下水中盐浓度较高，整体气候、环境相对恶劣，混凝土的抗冻性不足是造成耐久性破坏的主要原因之一。迄今为止，国内外很多专业人士通过抗冻性试验对混凝土抗冻性能做了大量研究，但试验方法不一。各国规范对混凝土抗冻性规定的侧重点也不尽相同。
1 国内外混凝土抗冻性的试验方法及控制要求
1.1 冻融破坏的杭冻性试验方法
1.1.1 美国标准规定的冻融试验方法
美国 ASTMC66一97混凝土快速冻融试验方法推荐了两种在实验室内快速测定混凝土抗冻性能的方法:快速冰冻水融法和快速气冻水融法。两种方法规定冻融循环温度为-17.8℃ -4.4℃。除另有规定的限制外，每个试件应连续进行30次循环，或进行到试件的相对动弹性模量降到初始值的60%时为止。对任意长度变化试验，当膨胀量超过0.1%时，试验结束并计算出耐久性系数。这种方法是利用混凝土动弹模量对其内部结构破坏比较敏感这一原则制定的。
1.1.2 英国标准规定的冻融试验方法
英国BS5075:PAR长:1982规定了混凝土的冻融试验方法为:所用试件尺寸为75mm ×75mm×(225-305)mm，要求24h内试件在-15℃土3℃温度下冻16~17h，在20℃ 土2℃的水中养护72h士2h。经50次冻融循环后计算出相对长度变化率。
1.1.3 国内标准规定的冻融试验方法
目前，我国抗冻性的试验方法主要依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》(GBJ82-85)的规定分为慢冻法和快冻法。
慢冻法是将立方体试件(试件尺寸据混凝土中集料的最大粒径选定)在28d(如无特殊要求)龄期时进行冻融循环试验。试验前将试件放在巧℃-20℃水中浸泡4d，再在-15℃-20℃条件下冰冻4h，然后在巧℃-20℃水中融化4h，此为一个冻融循环。以抗压强度下降不超过25%，重量损失不超过5%时，混凝土所能承受的最大冻融循环次数来表示抗冻标号。慢冻法存在试验周期长，试验误差大，试验工作量大等较多不足之处。现在水工、港工、道路、铁道等部门，积极推广快冻法。快冻法是按标准规定方法搅拌、振捣后成型尺寸为100mm ×100mrn ×400nm 的标准试件后，养护至规定龄期前4d，放人水中浸泡4d后用自动冻融循环试验机在2-4h完成一次冻融循环。以重量损失不超过5%或相对动弹性模量下降达40%时的冻融循环次数来表示抗冻标号。
1.2 盐冻破坏检测检验方法及评定指标
目前，国内还没有制定混凝土盐冻破坏的检测检验标准方法。国外具有代表性的盐冻试验方法有3种。
(1) ASTMC672。用于评定混凝土暴露在除冰盐环境中的抗盐剥蚀性能。该方法最少试件数为两块，每块的表面积和厚度分别不小于460cm2和7.5cm。试件在23土1.7℃和RH=10%的环境中养护14d后，在同样温度和RH=45%-5%的条件下再养护14d。然后，试件按图1进行试验前处理。试件最少要进行50次冻融循环，每次循环历时ld。每次在-17℃士1.7℃下冻16-18h，在23℃土1.7℃和RH为45%-45%的条件下融化历时6-8h。每5次循环后盐溶液要全部更换。5、10、15、25和50次循环后要对表面剥蚀破坏程度进行目测评估，评定等级共分5级，见表1。
(2) SS 13 72 44(也称BORAS法)为瑞典标准试验方法。是在ASTMC672基础上改进而成的。实验室成型的试件脱模后，先在20℃ 土2℃水中养护5-7d，然后在相同温度和RH为50%士10%的环境中放置20d士2d时，从试件上切出一块厚度约50 mm 土5mm的试块。切出的试块还要在20℃士2℃和RH为50%土10%的环境中再养护7天。对实验室试件，测试面积最少为900cm2，而钻芯取样的最少测试面积为400cm2。冻融试验前的试件处理见图2。冻融循环制度为ld一次循环，冻融温度为-20℃ -20℃，0℃以上时间7-9h，-10℃以下时间7-12h。全部冻融试验历时56d，即56次循环。每7次循环后测定剥落量。破坏评定指标见表2。
用剥落量作为评定指标，计算公式为:MN=WN/S
式中 : MN为N次冻融循环后试件的剥落量，kg/m2; WN为N次冻融循环后的累计剥落物重量(105℃烘干)，kg;S为测试试件的表面积，m2。
(3)RILEMTC117-FDC。1995年国际材料学会颁布的RILEMTC117-FDC包括三种方法，CDF法、平板法(类似于55137244)和立方体法(2(X)2年颁布的RILEMTC176-IDC2002中删除此法)。目前，CDF法在西欧(德、法)应用比较普遍，平板法在北欧(瑞典、挪威、丹麦、芬兰)应用比较普遍。
采用 CDF(CF)法试验时，试件成型ld后脱模，放人20℃士2℃水中养护6d，接着在相同温度和RH为65%的环境中放置2ld，然后按图3把试件单面放人3%NaCI溶液中，并在20℃ 士2℃下继续放置7d后开始冻融试验。冻融制度为12h一次冻融循环。0℃以上时间为6h，其中20℃恒温lh;0℃以下为6h，其中-20℃恒温3h。试件最少测试面积为800cm2。经过28(或56)次冻融循环后，通过测量试件超声传播时间和表面剥蚀量的变化来评价混凝土的抗冻性。当28次循环的剥落量小于1.5kg/m2时，可判定该混凝土抗盐冻性合格，否则为不合格。
1.3 混凝土杭冻性的控制要求
由于气候 、地理位置和理论基础等方面的原因，各国规范对混凝土抗冻性规定的侧重点不尽相同。
(1)美国的抗冻性试验方法主要有两种:ASTMC66-97检测为混凝土抵抗快速冻融能力的标准方法;ASTMC672-2003为混凝土表面暴露于除冰盐时抗盐冻性的试验方法。美国混凝土协会(ACI)制定的关于混凝土抗冻性控制要求的规范中，混凝土所处的环境被分成了严酷环境和一般环境两种。一般认为桥面板、路沿石、车库和蓄水池等结构物是处于严酷环境中的结构物;部分不与土壤直接接触的梁、柱和板是处于一般环境中的结构物。在混凝土遭受冻融或盐冻破坏时，ACI规定应根据混凝土结构物所处环境对混凝土进行引气，同时对混凝土的最大水胶比和最低强度进行控制。
(2)加拿大的抗冻性试验方法是CSA－A2312－94中规定的快速冻融法。该方法与ASTMC666完全相同。虽然加拿大国家规范中只有一种混凝土抗冻性试验方法，但在评价及测试混凝土抗冻性时，除快冻法外，盐冻法也被使用。CSAA2311-94规定，在不包含氯离子的情况下，混凝土所处的环境被分成三种:FI为露在冻融条件下的饱水混凝土，如水池底板、天井、网球场和浸泡在淡水中的设施等;FZ为暴露在冻融条件下的不饱水混凝土，如建筑物的外墙和外柱等;N为暴露在没有冻融也没有氯离子环境下的混凝土，如建筑物的内墙和内柱等。并规定了在不同环境下混凝土28d的最小强度和最小水胶比。
(3) 瑞典建筑部出版的混凝土建筑手册(Boverket’ShandbookonconcreteconstrUction，以下简称BBK94)中，将有抗冻性要求的混凝土环境分成了以下4类:B1为可忽略的环境;B2为轻微的严酷环境— 中等湿度的没有氯离子存在的冻融环境，包括处于室外与地平线夹角超过30的建筑物表面，如建筑物的立面;B3为中等严酷环境— 处在潮湿或者非常潮湿的环境中没有或者只有少量的氯离子存在并经受冻融循环作用的环境。包括处于室外与地平线夹角不超过30的建筑物表面，如阳台、泡在清水中的大坝和码头等;B4为非常严酷的环境— 结构物处在潮湿或者非常潮湿的环境中，有中等或大量氯离子存在，并伴随冻融循环的环境。如处于海水浸泡和位于浪溅区的混凝土结构物。
当环境条件为B3 或B4 时，BBK94通常要求掺加引气剂。针对不同环境，并根据骨料粒径不同，对混凝土的最小含气量和最大水胶比作了相应规定。
(4 )欧洲标准委员会出版的EN206一l:2000中，将有抗冻要求的混凝土环境分成了4类，分别为:XF1— 中等程度饱水，无除冰盐存在的环境;XF2— 中等程度饱水，有除冰盐存在的环境;XF3— 高程度饱水，无除冰盐存在的环境;XF4— 高程度饱水，有除冰盐存在的环境。在标准中 ，针对不同环境对混凝土最大水胶比，最小强度等级，最小水泥含量，最小含气量都进行了规定。
(5)我国规范中也有针对混凝土抗冻性的规定，但规范中并未区分环境等级，且在考虑钢筋锈蚀和腐蚀的时候也是如此。近年来国内已有专家学者认识到这些问题，水工行业在SL211-98《水工建筑抗冰冻设计规范》中已有相关规定:各类水工结构和构件的混凝土等级应根据气候分区、冻融循环次数、表面局部小气候条件、水份饱和程度、构件重要性和检修条件按规范选取。在不利因素较多时，可选用提高一级的抗冻等级。2004年陈肇元院士在其编辑出版的《混凝土结构耐久性设计与施工指南》中对混凝土结构物所处环境进行了分类，并依据所处环境不同，对有杭冻要求的混凝土的含气量、最低强度等级、最大水胶比、最小胶材用量和抗冻耐久性指数DF值进行了规定。
2 试验方法分析和讨论
从上述国内外有代表性的抗冻性试验方法、评定指标及控制标准可以看出:
(1)检测混凝土抗冻性时，国外主要的试验方法有快冻法和盐冻法两种。快冻法以美国的AsTMC66为代表;盐冻法以瑞典的5513724 和欧洲材料试验协会的RILEMTC176－IDC2002为代表。混凝土经受除冰盐冻融的时候，欧洲主要采用盐冻法来评价混凝土的抗冻性。我国北方地区使用除冰盐的道路及周边附属建筑物、海港及海边建筑、处于盐渍土地区的混凝土结构物，在冬季都不同程度的遭受盐冻破坏。用GBJ82-85中的混凝土抗冻性试验方法，无法准确地评估混凝土在这种环境条件下的抗冻性。
(2) 在这些试验方法中，评价混凝土抗冻性的指标不尽相同。我国的慢冻法采用质量损失和抗压强度损失来衡量混凝土的抗冻性;而快冻法和ASTMC66的快速冻融的试验方法采用的是质量损失和动弹性模量;ASTMC672根据5n次盐冻循环后试件的单位表面剥蚀情况及根据这个指标把剥蚀破坏程度分为6级来衡量混凝土的抗冻性;在平板法中用单位面积的剥蚀量来衡量混凝土的抗冻性;而CDF通过动弹性模量的相对变化和试件单位面积的质量损失率来评价混凝土的抗冻性。虽然在冻融破坏的过程中，随冻融循环次数的增加，强度损失和质量损失也随之增加，但强度和质量损失是反映试件宏观性能的参数，相对较粗糙。采用动弹性模量和试件单位面积的剥蚀量从宏观及微观来衡量混凝土的抗冻性要比用质量损失、强度损失以及ASTMC672方法的表观分级更能直接、全面、准确地反映混凝土受冻害的程度及混凝土抗冻性。但在盐冻试验中，盐冻更多的是造成试件表面的剥蚀，造成试件表面骨料裸露和凸凹不平，使动弹性模量的测试增加了更多不可控制的因素。
(3) 对于混凝土结构物抗冻性的控制要求，国外比较普遍的做法是先将环境分类，然后针对不同的环境制定不同的规定。但我国规范中并未区分环境等级。
(4) 不管是冻融循环试验还是盐冻试验，各检测方法均是试件在无外荷载，无综合环境作用下进行的。而实际上混凝土结构物在使用过程中除了承受外荷载作用外，还受到各种环境因素的作用，如风吹、日晒、雨淋等天气因素;水流和泥沙的冲刷作用;环境水或空气中所含有害成分的化学侵蚀作用;温湿度变化及冻融作用等，即工程实际中的混凝土结构物是受到各方面因素综合作用。各因素相互影响、相互叠加从而使混凝土结构物逐渐破坏。而实验室检测的是混凝土材料各单项性能，且是在不承受任何应力作用时所得的结果，虽满足现行规范要求，但与工程实际情况存在一些差距。如何预知材料在综合因素作用下的性能?如何建立实验室与工程实际试验结果之间的关系?这都是国内外相关从业人士极为关注并巫待解决的问题。
3 结论
(1) 混凝土抗冻性的评价指标从只能用参数(混凝土的强度损失和质量损失)去宏观评价混凝土抗冻性发展到从多角度去评价混凝土的抗冻性能(CDF法等)，即从混凝土的外部剥落程度(单位面积剥蚀量)，内部损伤程度(超声波通过混凝土试件内部的时间)及微观结构变化(混凝土内部的气泡结构)等去评价混凝土的抗冻性。
(2) 我国评价混凝土的抗冻性还主要采用快冻法，但目前北方地区道路及桥梁的冻害主要是盐冻破坏，也即是实验室采用的抗冻性试验方法与工程实际有一定差距。因此建议在试验方法方面，应增加盐冻法，并规定其适用的环境条件;在混凝土抗冻性控制要求方面，应对我国的混凝土结构物所处环境进行分类，并依据所处环境不同，对有抗冻要求的混凝土的含气量、最低强度等级、最大水胶比、最小胶材用量和抗冻耐久性指数DF值等进行规定。
(3) 现行试验方法检测的是材料在单项因素作用下的结果，而工程实际中混凝土结构的抗冻性不良是综合因素作用的结果，因此需要全面系统地在实验室试验结果与工程实际结果之间建立一套定性定量关系。
