吴瑞东等：模拟冻结法施工环境对大体积混凝土的性能影响 5 C50混凝土为例，抗压强度和劈裂抗拉强度分别较 和温度梯度的方向平行时，定为平行组：当氯离子 标养组下降了20.5%和26.5%. 移动方向和温度梯度的方向垂直时，定为垂直组 2.3混凝土的氯离子扩散系数 根据试块在施加温度时所取测试抗氯离子渗透试 为了研究不同温度位置的混凝土抗氯离子渗 块的温度，分为冷和热2种情况.综合上述2种情 透性能，对试验混凝土试块进行切割.本次试验所 况，一个模拟试验混凝土试块取4个抗氯离子渗 用试块为20cm立方体试块，而抗氯离子试验所用 试块10cm立方体切割成的5cm厚的薄片，针对 透测试试块，分别命名为热垂直、热平行、冷垂 所选位置，进行多次切割，得到抗氯离子渗透试验 直、冷平行，分别和标准养护条件下混凝土试块的 的混凝土块 氯离子扩散系数的进行比较，结果如图4所示，研 根据氯离子在电压的作用下的流动方向与温 究模拟冻结环境对混凝土试块抗氯离子渗透的影 度梯度的角度，分为两种情况：当氯离子移动方向 响 n200 300 289.5 -0--5/60℃ 178.3 o=-5/60℃ 261.2 *--5/70℃ -☆--5/70℃ 159.1 2685 -Stanard curing 170.8 -Stanard curing 225.3 145.5 指200 186.1 119.8 146.6 10o 86.5 982 73.2 112.3 70.6 (a) 87.8 (b) 58 Cold parallel Cold vertical Hot parallel Hot vertical Cold parallel Cold vertical Hot parallel Hot vertical Position Position 图4混凝土的氯离子扩散系数.(a)C50:(b)C70 Fig.4 Chloride diffusion coefficient of concrete:(a)C50;(b)C70 C50和C70混凝土，平行组的的氯离子扩散系 要方向就是外部温度的方向，从平行组和垂直组 数大于垂直组的氯离子扩散系数.相比标准养护 的对比可以看出，C50和C70、冷端和热端，都表 条件下的对比组，热端的氯离子扩散系数小，冷端 现出平行组的氯离子扩散系数大于垂直组氯离子 的氯离子扩散系数大 扩散系数 冷端出现的氯离子扩散系数大的原因是由于 2.4混凝土的冲击倾向性 内部温度应力的作用下，对混凝土内部产生损伤， 冻结法施工的井壁混凝土工作状态是处于高 增大了混凝土的氯离子扩散系数.但热端出现氯 地应力的服役环境，混凝土也和岩石一样发生类 离子扩散系数减小的现象，不是由于温度应力没 似于冲击地压的瞬时性破坏2，因此，研究冻结 有对混凝土内部产生损伤，而是由于(1)热端的混 法施工环境对混凝土冲击倾向性的研究是十分必 凝土处于较高的温度状态，在这种高温的温度状 要的.混凝土的评价指标有脆性系数即抗压强度 态下，混凝土的内部的水化反应都处于加速的状 与劈裂抗拉强度之比，动态破坏时间T。即单轴抗 态，对于混凝土的发展起到促进作用，使混凝土的 压状态从极限强度到完全破坏的时间，冲击能量 质地更加致密，从一定程度上提高混凝土的抗氯 指数KE即单轴压缩条件峰前积蓄能和峰后释放 离子渗透能力，降低氯离子扩散系数；(2)是由于 能之比P6-27,分别测试C50和C70混凝土在标养 热端的温度始终处于较高的状态，在这个状态下 和不同温度梯度环境下的冲击倾向性指标，结果 混凝土中的水分会有一定量的蒸发流失，从一定 如表5所示 程度上减小了混凝土的水胶比，混凝土的强度增 由结果可以看出，C50和C70混凝土冲击倾向 高了，更加致密，也会提高混凝土试块的抗氯离子 性的指标经过冻结法环境后均有一定的提高，混 渗透能力，降低氯离子扩散系数 凝土的冲击倾向性变大，发生瞬时性破坏的概率 垂直方向的氯离子扩散系数小于平行方向， 变大.温度梯度越大，混凝土冲击倾向性指标变化 原因是温度应力的作用，并且温度应力的作用主 越大，尤其对于C50混凝土，冲击倾向性原本不C50 混凝土为例，抗压强度和劈裂抗拉强度分别较 标养组下降了 20.5% 和 26.5%. 2.3    混凝土的氯离子扩散系数 为了研究不同温度位置的混凝土抗氯离子渗 透性能，对试验混凝土试块进行切割. 本次试验所 用试块为 20 cm 立方体试块，而抗氯离子试验所用 试块 10 cm 立方体切割成的 5 cm 厚的薄片，针对 所选位置，进行多次切割，得到抗氯离子渗透试验 的混凝土块. 根据氯离子在电压的作用下的流动方向与温 度梯度的角度，分为两种情况：当氯离子移动方向 和温度梯度的方向平行时，定为平行组；当氯离子 移动方向和温度梯度的方向垂直时，定为垂直组. 根据试块在施加温度时所取测试抗氯离子渗透试 块的温度，分为冷和热 2 种情况. 综合上述 2 种情 况，一个模拟试验混凝土试块取 4 个抗氯离子渗 透测试试块，分别命名为热垂直、热平行、冷垂 直、冷平行，分别和标准养护条件下混凝土试块的 氯离子扩散系数的进行比较，结果如图 4 所示，研 究模拟冻结环境对混凝土试块抗氯离子渗透的影 响. Cold parallel Cold vertical Hot parallel Hot vertical 100 (a) (b) 200 300 289.5 261.2 112.3 98.2 268.5 225.3 146.6 87.8 186.1 −5/60 ℃ −5/70 ℃ Stanard curing Position Cold parallel Cold vertical Hot parallel Hot vertical 100 200 178.3 159.1 86.5 73.2 170.8 145.5 70.6 55.8 119.8 −5/60 ℃ −5/70 ℃ Stanard curing Position Chloride diffusion coefficient/(10−10 m2·s−1 ) Chloride diffusion coefficient/(10−10 m2·s−1 ) 图 4    混凝土的氯离子扩散系数. （a）C50；（b）C70 Fig.4    Chloride diffusion coefficient of concrete: (a) C50; (b) C70 C50 和 C70 混凝土，平行组的的氯离子扩散系 数大于垂直组的氯离子扩散系数. 相比标准养护 条件下的对比组，热端的氯离子扩散系数小，冷端 的氯离子扩散系数大. 冷端出现的氯离子扩散系数大的原因是由于 内部温度应力的作用下，对混凝土内部产生损伤， 增大了混凝土的氯离子扩散系数. 但热端出现氯 离子扩散系数减小的现象，不是由于温度应力没 有对混凝土内部产生损伤，而是由于（1）热端的混 凝土处于较高的温度状态，在这种高温的温度状 态下，混凝土的内部的水化反应都处于加速的状 态，对于混凝土的发展起到促进作用，使混凝土的 质地更加致密，从一定程度上提高混凝土的抗氯 离子渗透能力，降低氯离子扩散系数；（2）是由于 热端的温度始终处于较高的状态，在这个状态下 混凝土中的水分会有一定量的蒸发流失，从一定 程度上减小了混凝土的水胶比，混凝土的强度增 高了，更加致密，也会提高混凝土试块的抗氯离子 渗透能力，降低氯离子扩散系数. 垂直方向的氯离子扩散系数小于平行方向， 原因是温度应力的作用，并且温度应力的作用主 要方向就是外部温度的方向，从平行组和垂直组 的对比可以看出，C50 和 C70、冷端和热端，都表 现出平行组的氯离子扩散系数大于垂直组氯离子 扩散系数. 2.4    混凝土的冲击倾向性 冻结法施工的井壁混凝土工作状态是处于高 地应力的服役环境，混凝土也和岩石一样发生类 似于冲击地压的瞬时性破坏[23−25] ，因此，研究冻结 法施工环境对混凝土冲击倾向性的研究是十分必 要的. 混凝土的评价指标有脆性系数即抗压强度 与劈裂抗拉强度之比，动态破坏时间 TD 即单轴抗 压状态从极限强度到完全破坏的时间，冲击能量 指数 KE 即单轴压缩条件峰前积蓄能和峰后释放 能之比[26−27] ，分别测试 C50 和 C70 混凝土在标养 和不同温度梯度环境下的冲击倾向性指标，结果 如表 5 所示. 由结果可以看出，C50 和 C70 混凝土冲击倾向 性的指标经过冻结法环境后均有一定的提高，混 凝土的冲击倾向性变大，发生瞬时性破坏的概率 变大. 温度梯度越大，混凝土冲击倾向性指标变化 越大，尤其对于 C50 混凝土，冲击倾向性原本不 吴瑞东等： 模拟冻结法施工环境对大体积混凝土的性能影响 · 5 ·