低温条件下桥梁混凝土性能试验研究

摘要：为了研究寒冷地区桥梁混凝土的性能，通过设计单一变量试验分析不同养护温度条件下，防冻剂掺量、养护龄期和不同温度对混凝土力学性能的影响，同时分析低温环境下混凝土的抗渗透性能和抗冻性能，研究结果表明：在低温环境下养护一定的时间，可以增强早期混凝土的抗压强度和提高早期混凝土的动弹模量；在相同养护条件下，后期混凝土的抗压强度和动弹模量会因为防冻剂的加入而下降；在不同养护条件下，掺入相同的防冻剂，对应的电通量也不一样，防冻剂的掺入提高了混凝土的电通量，在掺防冻剂的低温养护混凝土后期抗氯离子渗透性能较差；随着冻融次数的增加混凝土的相对动弹模量反而减小，混凝土的质量损失率变大，说明掺入防冻剂比未掺防冻剂的混凝土抗冻性能强。

关键词：低温养护；桥梁混凝土；抗压强度；抗渗透性能；抗冻性能

公路交通建设对经济发展有着至关重要的作用，桥梁不仅可以尽可能的减少对现有环境的破坏还能更好的促进交通连接。在特殊环境中，通常混凝土工程需要根据当地的水文气候进行专门配制，特别是在寒冷地区中，极端的低温天气对混凝土的抗冻性、抗压强度、抗渗透性能等提出了更高的要求，所以充分了解混凝土在低温环境中的性能变化，对低温环境中建设的公路工程具有重要意义。参考现有研究，通过设计不同养护温度条件下的单一变量试验分析防冻剂掺量、养护龄期和不同温度对混凝土力学性能的影响，同时分析低温环境下混凝土的抗渗透性能和抗冻性能。

1 工程概况

某公路工程大桥常年处于低温恶劣环境中，桥梁总长128m，桥梁上部结构为预应力空心板，主梁未出现碳化现象，强度约为55MPa，下部结构采用双柱柱式桥墩，墩柱强度为45MPa，采用U型桥台。该桥所属地区植被稀少，气候干燥，砂石裸露，干湿频繁交替，温度变化明显，年平均气温低于0℃，属于中度冻融环境，最低温度可达-10℃，在这种劣化环境中，混凝土结构容易出现裂缝，进而出现混凝土碳化，过度的混凝土碳化和离子渗透对混凝土建筑的结构稳定性造成一定威胁。

2 低温环境中混凝土力学性能分析

2.1 防冻剂掺量对混凝土力学性能的影响

参照《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T50081-2019）设计四组不同防冻剂掺量来分析-10℃时各龄期混凝土抗压强度和防冻剂掺量的变化关系，防冻剂主要由聚羧酸系减水剂和0.1‰引气剂组成，其中聚羧酸系减水剂的四种含量分别为1%、0.8%、0.7%和0.5%。试验结果见图1所示。

图1  -10℃时不同龄期混凝土试件的抗压强度

从图1分析可知，当防冻剂掺量小于4%时，随着防冻剂掺量的增加，不同龄期的混凝土试件抗压强度不断提高；当防冻剂掺量大于4%后，混凝土试件的抗压强度对着防冻剂掺量的增加反而下降，因此可以认为，在-10℃环境中防冻剂掺量为4%的不同混凝土抗压强度值最大。

2.2 养护龄期对混凝土力学性能的影响

设置三组不同龄期的混凝土试件，经过-10℃低温环境处理后对它们的弹性模量和抗压强度进行测试分析，以此来研究龄期对低温混凝土性能的影响，具体抗压强度和弹性模量试验结果分别见图2和图3。

图2  各养护龄期的抗压强度

从图2分析可知，在-10℃低温环境中，当养护龄期增加，掺防冻剂和未掺防冻剂的混凝土试件的抗压强度都对着增大，特别是在早期变化较大；在-10℃温度下养护未掺防冻剂的混凝土试件抗压强度比掺防冻剂在标准养护条件下的混凝土试件的抗压强度小很多，随着龄期的增加，抗压强度变化速率逐渐下降，同时有下降的趋势，说明在低温环境下养护一定的时间，可以增强早期混凝土的抗压强度。

图3  各养护龄期的动弹模量

从图3分析可知，在-10℃低温环境中，当养护龄期增加，掺防冻剂和未掺防冻剂的混凝土试件的动弹模量随之增大，特别是在早期变化较为明显；在标准养护条件下养护的掺防冻剂的混凝土试件比在-10℃温度中养护的未掺防冻剂的混凝土试件的动弹模量大，随着龄期的增加，动弹模量变化速率逐渐下降，变化趋于缓慢，说明在低温环境下养护一定的时间，可以提高早期混凝土的动弹模量。

2.3 不同温度对混凝土力学性能的影响

设置四组不同温度养护条件下混凝土试件进行试验，以此来分析温度变化对混凝土力学性能的影响，第一组在标准条件下养护未掺防冻剂（A1）；第二组为在标准条件下养护＋防冻剂（A2）；第三组为-10～20℃，不掺防冻剂，3d强度为0，每12h变温一次（B1）；第四组为-10～20℃，4%掺防冻剂，3d强度为1.0MPa，每12h变温一次（B2）。按照试验要求分别进行标养和变温养护，然后对它们进行抗压强度和弹性模量测试，具体结果见图4和图5。

图4  不同温度下的混凝土抗压强度

从图4分析可知，低温变温条件下养护的混凝土早期强度要小于常温养护下的混凝土强度，后期在标准养护条件下养护的未掺防冻剂的混凝土抗压强度最大，-10～20℃，4%掺防冻剂的混凝土抗压强度最小，且在标准条件下养护＋防冻剂的混凝土抗压强度小于在标准条件下养护未掺防冻剂的混凝土抗压强度，-10～20℃，4%掺防冻剂的混凝土抗压强度小于-10～20℃，不掺防冻剂混凝土的抗压强度，说明，在相同养护条件下，后期混凝土的抗压强度会因为防冻剂的加入而下降。

图5  标养和变温下的动弹模量

从图5分析可知，低温变温条件下养护的混凝土早期动弹模量要小于常温养护下的混凝土的动弹模量，后期在标准养护条件下养护的未掺防冻剂的混凝土动弹模量最大，-10～20℃，4%掺防冻剂的混凝土动弹模量最小，且在标准条件下养护＋防冻剂的混凝土动弹模量小于在标准条件下养护未掺防冻剂的混凝土动弹模量，-10～20℃，4%掺防冻剂的混凝土动弹模量小于-10～20℃，不掺防冻剂混凝土的动弹模量，说明，在相同养护条件下，混凝土的动弹模量会因为防冻剂的加入而下降。

从以上分析可知，在低温环境下养护一定的时间，可以增强早期混凝土的抗压强度和提高早期混凝土的动弹模量；在相同养护条件下，后期混凝土的抗压强度和动弹模量会因为防冻剂的加入而下降。

3 低温条件下混凝土的耐久性能分析

混凝土的耐久性通常是指在实际环境中各种破坏因素作用下，混凝土能够保持外观完整和长期强度的能力。对不同养护方式下的混凝土抗氯离子渗透性能和抗冻性能设计室内试验进行分析。

3.1 低温环境下混凝土的抗渗透性能

根据配合比制备混凝土试件，并在标准养护条件下养护28d，四组试件分别为第一组在标准条件下养护未掺防冻剂（A1）；第二组为在标准条件下养护＋防冻剂（A2）；第三组为-10～20℃，不掺防冻剂，3d强度为0，每12h变温一次（B1）；第四组为-10～20℃，4%掺防冻剂，3d强度为1.0MPa，每12h变温一次（B2）。按照试验要求分别进行标养和变温养护，然后测试混凝土试件在28d的抗氯离子渗透性能，具体试验结果见表1。

表1  低温环境下混凝土的电通量

从表1分析可知，相同养护条件下，A2组对应的电通量大于A1组的，B2组的电通量大于B1的，可以说明，防冻剂的掺入提高了混凝土的电通量，但都<2000C，属于低渗透性的混凝土。在不同养护条件下，掺入相同的防冻剂，对应的通电量也不一样，低温养护3d的电通量远小于低温养护7d的，主要原因是低温养护的时间较长了，转到标准养护条件下养护后抗氯离子渗透性下降了，可以说明，长时间在低温养护下的混凝土抗渗性能差于养护时间短的。在标准养护28d的相同配合比的基准混凝土电通量小于低温环境养护后继续标养28d的混凝土电通量，说明在掺防冻剂的低温养护混凝土后期抗氯离子渗透性能较差。

3.2 低温环境下混凝土的抗冻性能

参照相关规范制作对应的混凝土试件，在标准养护条件下养护28d，然后对其进行抗冻性试验，通过收集记录各混凝土试件经过100次冻融循环的弹性模量和质量变化，得到相质量损失率和相对动弹模量，具体见图6和图7。

图6  低温下混凝土的相对动弹模量

从图6分析可知，混凝土的相对动弹模随着冻融次数的增加而减小，对比A1和A2两组混凝土可知，在标准养护条件下经过100次冻融循环后，掺入防冻剂的混凝土试件相对动弹模量更低且变化幅度不大，说明在标准养护条件下，未掺防冻剂的混凝土抗冻性能比掺入防冻剂混凝土的强；对比B1和B2两组混凝土可知，在低温变温环境养护后经过100次冻融循环后，掺入防冻剂的混凝土试件相对动弹模量更低且变化幅度较大，说明在低温变温环境养护条件下，未掺防冻剂的混凝土抗冻性能比掺入防冻剂混凝土的强。

图7  低温下混凝土的质量损失率

从图7分析可知，混凝土的质量损失率随着冻融次数的增加而增加，对比A1和A2两组混凝土可知，在标准养护条件下经过100次冻融循环后，掺入防冻剂的混凝土试件质量损失率比未掺入防冻剂的大，说明在标准养护条件下，未掺防冻剂的混凝土抗冻性能比掺入防冻剂混凝土的强；对比B1和B2两组混凝土可知，在低温变温环境养护后经过100次冻融循环后，掺入防冻剂的混凝土试件质量损失率较大，说明在低温变温环境养护条件下，未掺防冻剂的混凝土抗冻性能比掺入防冻剂混凝土的强。

在不同养护条件下，掺入相同的防冻剂，对应的通电量也不一样，防冻剂的掺入提高了混凝土的电通量，在掺防冻剂的低温养护混凝土后期抗氯离子渗透性能较差；随着冻融次数的增加混凝土的相对动弹模反而减小，混凝土的质量损失率变大，说明未掺防冻剂的混凝土抗冻性能比掺入防冻剂混凝土的强。

4 结论

通过设计不同养护温度条件下，通过设计单一变量试验分析防冻剂掺量、养护龄期和不同温度对混凝土力学性能的影响，同时分析低温环境下混凝土的抗渗透性能和抗冻性能，研究结果表明：

（1）在低温环境下养护一定的时间，可以增强早期混凝土的抗压强度和提高早期混凝土的动弹模量。

（2）在相同养护条件下，防冻剂的加入会降低混凝土后期的抗压强度和动弹模量。

（3）在不同养护条件下，掺入相同的防冻剂，对应的通电量也不一样，防冻剂的掺入提高了混凝土的电通量，在掺防冻剂的低温养护混凝土后期抗氯离子渗透性能较差。

（4）随着冻融次数的增加混凝土的相对动弹模反而减小，混凝土的质量损失率变大，说明掺入防冻剂混凝土的抗冻性能比未掺防冻剂的混凝土抗冻性能强。

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