抗折強(qiáng)度是水泥混凝土路面設(shè)計(jì)的一個(gè)重要指標(biāo)，因此，筆者建議以抗折強(qiáng)度損失率替換動(dòng)彈性模量作為路面混凝土的抗凍性評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，且對(duì)于其臨界值的確定需做進(jìn)一步的研究。但考慮到直接以抗折強(qiáng)度損失率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)會(huì)增加試驗(yàn)的工作量，而動(dòng)彈性模量是無損檢測(cè)指標(biāo)，可考慮建立抗折強(qiáng)度損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)際上以抗折強(qiáng)度損失率為抗凍性評(píng)價(jià)指標(biāo)，但通過相對(duì)動(dòng)彈性模量來控制。

　　3. 凍融損壞臨界值

　　混凝土凍融損壞臨界值的高低將直接影響混凝土抗凍性的評(píng)價(jià)。但由于不同的工程結(jié)構(gòu)對(duì)混凝土的要求存在較大的差別，采用統(tǒng)一的損壞臨界值就不甚合理。因此，臨界值的確定必須考慮到混凝土的實(shí)際使用條件、特點(diǎn)和要求。

　　3.1質(zhì)量損失率

　　現(xiàn)行混凝土抗凍性試驗(yàn)方法雖然將混凝土的質(zhì)量損失率作為其評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，并規(guī)定以質(zhì)量損失率5%作為混凝土凍融破壞的臨界值。對(duì)于在凍融作用下，如果質(zhì)量損失在5%以內(nèi)只是影響外觀，不影響建筑物的安全和使用的工程結(jié)構(gòu)，將質(zhì)量損失率5%作為混凝土凍融損壞臨界值是合理的。但混凝土路面的平整度要求較高，按照《公路水泥混凝土路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》（JTJ073.1-2001）的規(guī)定，當(dāng)路面表面露骨深度大于3mm，則病害等級(jí)為“嚴(yán)重”。 而有試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)質(zhì)量損失達(dá)5%時(shí)，混凝土表面的最大剝落深度達(dá)5mm。美國(guó)制定的混凝土抗鹽凍剝蝕試驗(yàn)方法（ASTM C672）按照表面剝落的嚴(yán)重性分成六個(gè)等級(jí)，“0”表示沒有剝落，1級(jí)為非常輕微的剝落（無粗集料暴露），2級(jí)為介于輕微和中度剝落，3級(jí)為中度剝落（有一些粗集料暴露），4級(jí)介于中度和嚴(yán)重剝落之間，5級(jí)為嚴(yán)重剝落（整個(gè)表面粗集料暴露）。Marchand和Pigeon通過試驗(yàn)研究建立了鹽凍剝落等級(jí)與剝落量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖2。如果將質(zhì)量損失率5%換算成單位面積剝落量為：2.67 kg/m²（按100mm×100mm×400mm尺寸試塊換算，并假設(shè)混凝土容重為2400 kg/m3），從圖2中可以看出，當(dāng)剝落量為2.67kg/ m²時(shí)，混凝土的剝落等級(jí)為3~4級(jí)，表明有相當(dāng)多的粗集料暴露。因此，以質(zhì)量損失率5%作為路面混凝土凍融損壞臨界值不合理，過于寬松。

　　那么混凝土在凍融作用下質(zhì)量損失率的臨界值定為多少合理呢？作者認(rèn)為，面對(duì)路面相同的使用要求，不管混凝土是在純水中凍融還是遭受鹽凍，混凝土的抗凍性評(píng)價(jià)指標(biāo)及其破壞的臨界值應(yīng)該是一致，因此，質(zhì)量損失率的臨界值可借鑒鹽凍研究成果。

　　目前大多數(shù)鹽凍試驗(yàn)方法普遍提出以混凝土單位面積的剝落量作為抗鹽凍的評(píng)價(jià)指標(biāo)，楊全兵建議以剝落量小于1.0kg/m²作為抗鹽凍剝蝕性能可接受的標(biāo)準(zhǔn)，即臨界值，張國(guó)強(qiáng)則建議剝落量應(yīng)小于0.8kg/m²，將其換算成質(zhì)量損失率則分別為：1.87%、1.50%（按100mm×100mm×400mm尺寸試塊換算，并假定混凝土容重為2400 kg/m³）。

　　因此，為安全起見，本文建議以1.5%作為質(zhì)量損失率的臨界值，或以單位面積的剝落量替代質(zhì)量損失率作為混凝土抗凍性評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，并將其臨界值定為0.8kg/m²。

　　3.2動(dòng)彈性模量

　　由于動(dòng)彈性模量的變化可以反映混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的劣化，因此目前的凍融試驗(yàn)方法采用其其作為混凝土抗凍性評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。

　　3.2.1凍融對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

　　由于混凝土試件受壓時(shí)其內(nèi)部的裂縫有一部分會(huì)閉合，受彎時(shí)其受拉區(qū)的微裂縫將加速擴(kuò)展，因此混凝土在拉伸荷載作用下微裂縫的擴(kuò)展比壓荷載作用更為迅速。而混凝土經(jīng)受一定次數(shù)凍融循環(huán)后，混凝土內(nèi)部將會(huì)使原有的裂紋擴(kuò)展或萌生新的微裂紋。因此可以預(yù)見凍融作用對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響比抗壓強(qiáng)度大。

　　在相對(duì)動(dòng)彈性模量、抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度這四個(gè)指標(biāo)中，抗折強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加下降速度最快，而抗壓強(qiáng)度要慢得多。當(dāng)混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量下降到64%時(shí)，混凝土的抗折強(qiáng)度只有初始強(qiáng)度的34%，而抗壓強(qiáng)度是初始強(qiáng)度的64%，劈拉強(qiáng)度為初始的72%。由于凍融作用對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度影響的顯著差異，因此，在相同使用環(huán)境中遭受凍融作用的混凝土構(gòu)件，要想具有相同的使用壽命，受彎構(gòu)件的抗凍性要求應(yīng)該高于受壓構(gòu)件。以數(shù)據(jù)為例，按現(xiàn)行混凝土抗凍性評(píng)價(jià)方法，該配合比混凝土的抗凍等級(jí)可以評(píng)定為F100。但在75次凍融循環(huán)以后，混凝土的抗折強(qiáng)度下降到49%，肯定無法繼續(xù)滿足承載能力的要求。

　　此外，混凝土構(gòu)件在實(shí)際應(yīng)用中是處于應(yīng)力狀態(tài)?；炷猎趹?yīng)力作用下的抗凍性表現(xiàn)與單一凍融因素作用下的表現(xiàn)肯定存在差異。在壓應(yīng)力作用下，由于壓應(yīng)力對(duì)裂縫的閉合作用，不但阻止了裂縫的擴(kuò)展，而且與非壓應(yīng)力作用下試件相比，壓應(yīng)力作用下試件的飽水度降低，這兩方面對(duì)混凝土的抗凍性均有利。從而使得混凝土在壓應(yīng)力作用下的抗凍性高于單一凍融因素作用下的抗凍性；或者說，壓應(yīng)力狀態(tài)下的混凝土構(gòu)件在凍融循環(huán)作用下其抗壓強(qiáng)度的下降速率比單一凍融因素作用的慢。但在彎拉應(yīng)力作用下，結(jié)果剛好與上述相反。文獻(xiàn)研究了彎曲應(yīng)力作用下混凝土的抗凍性，認(rèn)為在0.25、0.50彎拉應(yīng)力水平作用下，混凝土的抗凍融循環(huán)次數(shù)很少。外部彎曲應(yīng)力對(duì)混凝土的凍融循環(huán)次數(shù)影響極大，當(dāng)應(yīng)力水平為50%時(shí)，水灰比為0.26~0.42（強(qiáng)度為C40~C80的非引氣混凝土）的混凝土經(jīng)過20~40次凍融循環(huán)便發(fā)生破壞。

　　綜上所述，對(duì)于受壓混凝土構(gòu)件，雖然凍融造成了混凝土的抗壓強(qiáng)度下降，但其下降幅度與抗折強(qiáng)度相比小很多，此外，由于壓應(yīng)力對(duì)混凝土的抗凍性有利，使得混凝土在受壓狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度下降不大，因此，以相對(duì)動(dòng)彈性模量下降到60%時(shí)的凍融循環(huán)次數(shù)來評(píng)價(jià)受壓混凝土的抗凍性是比較合理的。但對(duì)于受彎混凝土構(gòu)件，由于在凍融循環(huán)作用下，混凝土的抗折強(qiáng)度下降幅度很大，且在拉應(yīng)力作用下，混凝土的抗凍性急劇下降，從另外一個(gè)角度來說，就是更進(jìn)一步加劇了抗折強(qiáng)度的下降，因此，以相對(duì)動(dòng)彈性模量下降到60%時(shí)的凍融循環(huán)次數(shù)來評(píng)價(jià)受拉混凝土的抗凍性過于寬松。

　　路面混凝土在實(shí)際應(yīng)用中是薄壁受彎構(gòu)件，抗折強(qiáng)度是其重要的控制指標(biāo)，因此，如果仍然以動(dòng)彈性模量作為混凝土的抗凍性評(píng)價(jià)指標(biāo)，應(yīng)大幅提高相對(duì)動(dòng)彈性模量的臨界值。

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　　3.2.2凍融對(duì)混凝土疲勞壽命的影響

　　混凝土在荷載作用下的疲勞壽命與應(yīng)力比成對(duì)數(shù)關(guān)系，也就是說應(yīng)力比對(duì)混凝土的疲勞壽命影響非常大。由上述分析可知，混凝土的抗折強(qiáng)度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而急劇下降，與不經(jīng)受凍融作用的混凝土路面相比，在相同的車輛荷載作用下，經(jīng)受凍融作用的混凝土路面隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土彎拉應(yīng)力比不斷增大，使得混凝土路面的使用壽命大大減少。從疲勞消耗的角度來分析這個(gè)問題，如果用混凝土的抗折強(qiáng)度衡量其抗疲勞消耗能力，則混凝土路面會(huì)因?yàn)閮鋈谘h(huán)作用使其抗疲勞消耗能力降低，導(dǎo)致壽命縮短。因此，凍融對(duì)混凝土路面使用壽命的影響是非常大的。但我國(guó)水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是以行車荷載和溫度梯度綜合作用產(chǎn)生的疲勞斷裂作為設(shè)計(jì)的極限狀態(tài)，沒有考慮凍融的疲勞消耗作用。筆者認(rèn)為，這也是我國(guó)寒區(qū)水泥混凝土路面沒有達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限而過早破壞的主要原因之一。

　　為了定性地了解凍融循環(huán)作用對(duì)混凝土疲勞壽命的影響，本文采用文獻(xiàn)[4]的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以等效疲勞損耗原理分析了凍融對(duì)混凝土疲勞壽命的影響。

　　本文以經(jīng)受n次凍融循環(huán)后混凝土殘留抗折強(qiáng)度與初始抗折強(qiáng)度之比來評(píng)價(jià)凍融作用對(duì)混凝土的損傷程度。假設(shè)該混凝土的初始抗折強(qiáng)度為，混凝土經(jīng)受n1次凍融循環(huán)后的殘留抗折強(qiáng)度為。

　　試驗(yàn)表明，凍融對(duì)混凝土路面的使用壽命影響非常大。雖然對(duì)于不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土以及混凝土是否引氣，凍融作用對(duì)混凝土疲勞壽命的影響在量上存在差異，但凍融對(duì)疲勞壽命的影響是客觀存在的，因此，使得寒區(qū)的混凝土路面大都提前破壞。產(chǎn)生這個(gè)問題固然有現(xiàn)行的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法不合理的原因（本文作者認(rèn)為寒區(qū)水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)以行車荷載、溫度梯度和凍融損傷綜合作用產(chǎn)生的疲勞斷裂作為設(shè)計(jì)的極限狀態(tài)），但評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇不合理，凍融破壞臨界值偏低也是主要原因之一。如果能以抗折強(qiáng)度替換動(dòng)彈性模量作為混凝土抗凍性評(píng)價(jià)指標(biāo)且選用較高的臨界值，那么凍融循環(huán)作用對(duì)混凝土路面使用壽命的影響將會(huì)小很多。因此，要想使得所設(shè)計(jì)的寒冷地區(qū)的混凝土路面能夠達(dá)到預(yù)期的使用壽命，必須從兩個(gè)方面去解決這個(gè)問題，首先要選用對(duì)混凝土的損傷更敏感的評(píng)價(jià)指標(biāo)，如抗折強(qiáng)度，制定更高的損壞臨界值，以提高對(duì)混凝土的抗凍性要求，從而減小凍融循環(huán)作用對(duì)混凝土路面壽命的影響程度；其次要完善混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，在設(shè)計(jì)過程中合理的考慮凍融作用對(duì)混凝土路面壽命的影響。

　　綜上所述，通過分析凍融作用對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度和疲勞壽命的影響，認(rèn)為現(xiàn)行的路面混凝土抗凍性評(píng)價(jià)方法以相對(duì)動(dòng)彈性模量下降至60%作為混凝土凍融破壞的臨界值明顯偏低，應(yīng)予以提高。如《水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ 270-98）就將該臨界值提高到了75%。對(duì)于路面混凝土提高到到什么程度合適，需結(jié)合路面工程的特點(diǎn)作進(jìn)一步的分析和研究。

　　4．試件與水的接觸方式

　　混凝土路面只有面層暴露在空氣中并產(chǎn)生剝落。考慮到模擬凍融對(duì)混凝土路面的破壞，又避免試件側(cè)面剝落增大試驗(yàn)誤差，建議室內(nèi)凍融試驗(yàn)只讓試件的一面與水接觸。具體的接觸方式可以借鑒國(guó)內(nèi)外鹽凍剝蝕試驗(yàn)方法中的鹽溶液與試件的接觸方式。

　　5．結(jié)論與建議

　　本文在分析混凝土凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)強(qiáng)度、疲勞壽命影響的基礎(chǔ)上，并結(jié)合路面混凝土的使用要求、受力和破壞方式以及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和控制指標(biāo)等特點(diǎn)，指出了現(xiàn)行路面用水泥混凝土凍融試驗(yàn)方法中的不足，得出如下幾點(diǎn)結(jié)論和建議。

　　1．通過分析凍融作用對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度和疲勞壽命的影響，認(rèn)為現(xiàn)行的路面混凝土抗凍性試驗(yàn)方法以相對(duì)動(dòng)彈性模量下降至60%作為混凝土凍融破壞的臨界值明顯偏低；且由于抗折強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化比動(dòng)彈性模量更敏感，建議以抗折強(qiáng)度損失率替換相對(duì)動(dòng)彈性模量作為路面混凝土的抗凍性評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，對(duì)于其臨界值的確定尚需做進(jìn)一步的研究。但考慮到直接以抗折強(qiáng)度損失率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)會(huì)大大增加試驗(yàn)的工作量，而動(dòng)彈性模量是無損檢測(cè)指標(biāo)，可考慮建立抗折強(qiáng)度損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)際上以抗折強(qiáng)度損失率為抗凍性評(píng)價(jià)指標(biāo)，但通過相對(duì)動(dòng)彈性模量來控制。

　　2．以質(zhì)量損失率5%作為路面混凝土凍融破壞的臨界值過于寬松，建議以1.5%作為質(zhì)量損失率的臨界值，或以單位面積的剝落量替代質(zhì)量損失率作為混凝土抗凍性評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，并將其臨界值定為0.8kg/m²。

　　3．凍融對(duì)混凝土路面的使用壽命影響非常大，要想使得所設(shè)計(jì)的寒冷地區(qū)的混凝土路面能夠達(dá)到預(yù)期的使用壽命，首先要選用對(duì)混凝土的損傷更敏感的評(píng)價(jià)指標(biāo)，如抗折強(qiáng)度，制定更高的損壞臨界值，以提高對(duì)混凝土的抗凍性要求；其次要完善混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，在設(shè)計(jì)過程中合理的考慮凍融作用對(duì)混凝土路面壽命的影響。

　　4．考慮到模擬凍融對(duì)混凝土路面的破壞，又避免試件側(cè)面剝落增大試驗(yàn)誤差，建議室內(nèi)凍融試驗(yàn)只讓試件的一面與水接觸。

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