在严寒地区，冻融循环作用是影响混凝土结构耐久性降低的主要因素之一^[1-5]。盐冻对混凝土破坏更为严重，其中冯乃谦等^[6]对山东沿海钢筋混凝土公路桥进行调查研究发现，该地区公路桥仅投入10 a左右就因盐害、冻害等因素造成了严重的破坏，损失较大。杨钱荣等^[7]对青岛海湾大桥进行调查研究发现，该桥冬季受盐冻复合作用影响较大，海水和人为抛撒的融雪剂或除冰盐使得混凝土中盐含量增加，大大增大了盐-冻融损伤程度。

外渗和内掺是氯盐进入钢筋混凝土内不同的两种方式，外渗是因外界环境的影响或除冰盐的使用，使氯离子通过渗透作用进入混凝土；内掺是因掺入受氯盐侵蚀的原材料，使氯离子随原材料的加入进入混凝土。随着河沙等资源的减少，海砂等含氯盐的原材料正在被使用，因此有必要对用该原材料制作的混凝土构件的耐久性进行研究。目前对于氯盐、冻融作用以及氯盐-冻融双重作用对粉煤灰混凝土耐久性的研究，主要有左晓宝等^[8]研究发现，粉煤灰的掺入一方面能提高混凝土固化氯离子能力，从而提高了混凝土抗氯盐侵蚀能力，但另一方面粉煤灰的加入会降低钢筋脱钝氯离子阀值，又会对抗氯盐侵蚀产生不利影响。李阳等^[9]研究发现，掺入粉煤灰使得混凝土抗冻能力下降，且随着掺量的增加，抗冻性下降下降得越来越快。王德志等^[10]研究发现，掺15%粉煤灰能增强抗盐冻能力，混凝土质量损失率随着NaCl盐溶液浓度的增大而增大，但其浓度在5%时质量损失率最高。在以往试验研究中，关于在盐冻融条件下评价混凝土损伤规律，大多数直接采用素混凝土^[11-12]以及通过外渗氯离子模拟盐冻作用^[13-14]，较少研究冻融循环作用对原材料中含有氯离子的钢筋混凝土的损伤影响。因此，本试验以掺加胶凝材料总量3%的氯盐方式模拟海砂制作配有钢筋混凝土试件，开展盐冻循环作用，通过混凝土外观变化、质量损失率、损伤层厚度以及相对动弹性模量指标，对不同冻融循环次数作用后的粉煤灰混凝土进行评价，并与气冻气融、水冻和外渗氯离子盐冻进行了对比分析，得出其冻融损伤规律及其和其他冻融方式的差异。

本试验采用某品牌P.O42.5水泥，细度6.2%，3 d和28 d的抗压强度分别为24.5 MPa，49.6 MPa；采用候钢Ⅰ级粉煤灰，密度2.63 g/cm³，细度9.6%，含水量0.5%，需水量比93%；细集料采用河沙，细度模数为2.7；粗骨料采用碎石，压碎值8.1%，粒径5~20 mm；钢筋采用HRB400螺纹钢；NaCl盐采用纯度大于96%的工业盐；电解质溶液为饱和Ca(OH)₂溶液。

试验共设计了4组混凝土，混凝土强度等级为C40，水胶比为0.48，其中普通混凝土组为PC组，掺10%，20%，30%粉煤灰分别为FAC-1，FAC-2，FAC-3组。混凝土配合比及各组试件混凝土28 d龄期立方体抗压强度见表 1所示。

混凝土抗压试验采用100 mm×100 mm×100 mm试块，冻融循环试验采用100 mm×100 mm×400 mm棱柱体的试件，构件中心埋入一根直径16 mm，长350 mm的螺纹钢筋，如图 1所示。

图 1 试件示意图(单位：mm) Fig. 1 Schematic diagram of specimen (unit: mm)

图选项

冻融循环试验依据GB/T 50082—2009规范采用快冻法，运用冻融设备，对PC组试件进行共100次冻融循环，其余组进行共75次冻融循环，每经25次冻融循环作用后通过试件外观变化及质量损失率、损伤层厚度、相对动弹性模量评价指标对试件冻融损伤进行判断，得出冻融损伤规律。

(1)

式中，ΔW为质量损失率；M₀为冻融循环前试件初始质量；M_n为经过n次冻融循环后试件的质量。

冻融损伤层厚度的测量依据《超声法检测混凝土缺陷技术规程》(CECS 21:2000)使用非金属超声检测仪，采用平测法对每经25次冻融循环作用的试件进行一次检测。以发射装置为原点，将接收装置初始端测间距选择25 mm，定为50, 75 mm和100 mm，后端测间距为50 mm，定为150，200 mm和250 mm如图 2所示。损伤层厚度按式(2)计算：

图 2 平测法布置示意图(单位：mm) Fig. 2 Schematic diagram of horizontal measurement arrangement (unit: mm)

图选项

(2)

式中，h_f为损伤层厚度；v₁, v₂为混凝土中未损伤、损伤层超声波速；l₀为声速突变时发射装置与接收装置间的距离。

根据平测法测量过程中所得到的声时与声距之间的关系如图 3所示。

图 3 声时与声距关系图 Fig. 3 Relationships between sound time and sound distance

图选项

若假设损伤层中的声时与声距的关系如式(3)所示:

(3)

式中，l_s为损伤层区域内的声距；t_s为损伤层区域内的声时；a₁，b₁为线性回归系数。

未损伤层中的声时与声距的关系如式(4)所示:

(4)

式中，l_ws为未损伤层区域内的声距；t_ws为未损伤层区域内的声时；a₂，b₂为线性回归系数。

则根据式(3)~(4)可以计算得到声速突变时装置间的距离l₀，如式(5)所示:

(5)

相对动弹性模量的测量依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)规范，通过使用非金属超声检测仪，采用对测法对每经25次冻融循环作用的试件进行一次试验，为保持试件前后状态的一致性，试件在干燥状态下检测，试验得到混凝土波速和声时后，通过式(6)计算得到其混凝土的相对动弹性模量。

(6)

式中，E_rd为相对动弹性模量；E_d0为初始动弹性模量；E_dn为经过n次冻融循环后动弹性模量；V₀为初始超声波速；V_n为经过n次冻融循环后超声波速；T₀为初始超声声时；T_n为经过n次冻融循环后超声声时。

为分析两种盐冻对混凝土的不同损伤，首先对比了内掺和外渗盐冻^[15]中混凝土内部氯离子分布差异。从图 4可以看出，内掺PC组混凝土中氯离子均匀分布在不同深度中，而外渗组混凝土在3%NaCl溶液中经冻融循环100次后，再放入NaCl溶液中浸泡3 d，其氯离子含量随深度的增加而减少，大部分氯离子集中在距混凝土表层，其内部距表面较远位置氯离子含量较低。放置在NaCl溶液中的混凝土虽然能吸收溶液，但只有水能渗透进更深处，氯离子会被硬化水泥浆体的纳米孔阻止而聚集在表面附近，当表面与内部氯离子浓度差过大，才会缓慢向里扩散。而冻融循环作用会破坏混凝土孔隙结构，因此对氯离子扩散起到加速作用。

图 4 不同冻融方式的氯离子分布差异 Fig. 4 Differences of chloride ion distributions in different freeze-thaw modes

图选项

在冻融循环作用下，试件外观变化直观反映了混凝土试件冻融损伤的程度。试验每进行25次冻融循环，将试件表面清理干净后进行表观观察。总体上，随冻融次数增加，各组混凝土表观损伤逐渐加剧。以FAC-3组为例，经冻融循环25次，表面砂浆已全部脱落，部分粗骨料显露；随着冻融循环到50次时，表层损伤进一步加剧，表面细骨料基本已经完全脱落；经75次冻融循环作用后，冻融损伤较大，其中粒径较小的粗骨料已经剥落而粒径较大的粗骨料即将剥落。随着粉煤灰掺量的增加，相同冻融循环次数下混凝土表观损伤呈增大趋势。同时经冻融循环25次时，随着粉煤灰掺量的增加，各组均处于表面砂浆脱落，但脱落程度呈增大趋势；经75次冻融时，PC组表面细骨料部分脱落，FAC-1组表面细骨料基本已经全部脱落，而FAC-2组表面粗骨料已经全部暴露，FAC-3组表面粒径较小的粗骨料已经剥落而粒径较大的粗骨料即将剥落。因此，对于内掺氯盐粉煤灰混凝土，冻融作用次数的增加以及粉煤灰掺量的增加都加重了混凝土表层剥蚀脱落现象。

图 5(a)表示不同粉煤灰掺量混凝土质量损失率变化。由图 5(a)可知，随着冻融循环作用次数的增加，其质量损失率随粉煤灰掺量的增加而增大。FAC-1和FAC-2组经75次冻融循环作用后，质量损失率分别达到了3.1%和3.7%，FAC-3组经75次冻融循环作用后质量损失率达到了4.81%，接近5%，而PC组经75次冻融循环作用后质量损失率仅达到FAC-3组值的一半左右，约为2.28%。内掺氯盐混凝土盐冻循环作用呈现出早期损伤速率较高，其中PC组在冻融循环25~50次质量损失增长率最高，但掺入粉煤灰组在经冻融循环0~25次时质量损失增长率最高，特别是FAC-2和FAC-3组，这与以往通过外渗氯离子盐冻研究结果^[16]一致。

图 5 不同影响下粉煤灰混凝土质量损失率变化 Fig. 5 Changes of mass loss rate of fly ash concrete under different influences

图选项

本试验为内掺氯盐进行的粉煤灰混凝土冻融循环试验研究，为比较氯离子引入方式及冻融介质对混凝土产生的差异，结合已有研究进行分析。图 5(b)表示本试验结果与已有研究气冻气融^[17]、水冻^[18]产生的趋势差异。由图 5(b)不同冻融方式粉煤灰混凝土质量损失率中可以看出，盐、冻共同作用使得粉煤灰混凝土冻融损伤加剧，其中粉煤灰混凝土内掺盐冻的质量损失率相对于水冻和气冻迅速增加。经水冻50次后，质量损失率才开始缓慢增加；而经气冻气融后，质量反而增加，其原因为冻融次数较少，混凝土试件未出现浆体和骨料剥落，但混凝土内部产生了微裂缝，微裂缝吸水使其质量增加。内掺盐冻相较于气冻和水冻，其质量损失率增长速度快的原因主要为氯盐增大了混凝土保水程度，使其内部可冻水含量增加，加剧了混凝土内部冻融损伤程度。

图 6(a)表示不同粉煤灰掺量混凝土损伤层厚度变化。由图 6(a)可知，随冻融循环作用次数增加，粉煤灰掺量越大其损伤层厚度越大，其结果与质量损失率变化图结果一致，但在经冻融循环0~25次时，各组损伤层厚度增长速率最快。经75次冻融循环作用后PC组损伤层厚度为11.5 mm，FAC-1，FAC-2和FAC-3组损伤层厚度分别为14.2，16.8 mm和19.6 mm。少量的冻融循环次数就对含氯盐粉煤灰混凝土产生了较大的损伤，因此，对于寒冷地区使用含氯盐的粉煤灰混凝土时，需适当增加其保护层厚度，且要严格控制原材料的含氯量。

图 6 不同影响下粉煤灰混凝土损伤层厚度变化 Fig. 6 Changes of damage layer thickness of fly ash concrete under different influences

图选项

图 6(b)表示不同冻融方式粉煤灰混凝土损伤层厚度变化。由图 6(b)可知，外渗盐冻损伤层厚度增加速度要高于内掺盐冻。其原因为外渗盐冻试验使得混凝土试件外部盐溶液浓度要高于内部，冻融作用使其表面部分内外氯离子浓度差增大，混凝土内部自由水会向外部迁移，产生渗透压，加剧了混凝土表层损伤^[19]，这就导致外渗盐冻表层损伤层厚度比内掺盐冻大。

图 7(a)表示不同粉煤灰掺量混凝土相对动弹性模量变化。由图 7(a)可知，在不同冻融循环次数下，FAC-3组混凝土相对动弹性模量始终低于其他组，且FAC-2组低于FAC-1组，PC组最高。经75次冻融循环时FAC-1，FAC-2组相对动弹性模量接近60%，试件即将破坏，而FAC-3组相对动弹性模量值仅只有57.23%，试件已经失效。PC组相对动弹性模量的变化率同样出现先增后减的趋势，经25~50次冻融循环过程中相对动弹性模量由94.34%迅速下降到80.81%。

图 7 不同影响下粉煤灰混凝土相对动弹性模量变化 Fig. 7 Changes of relative dynamic elastic modulus of fly ash concrete under different influences

图选项

混凝土冻融破坏主要是由于混凝土内部结构密实程度降低，内部孔隙、裂缝的增加导致的。粉煤灰的掺入虽然能增强混凝土的密实性，但掺粉煤灰混凝土在开始盐冻直到混凝土破坏的过程中，冻融损伤程度一直高于未掺粉煤灰混凝土，因此粉煤灰的掺入对混凝土抗盐冻性能具有不利影响，且掺入量越大，抗盐冻性能越差，混凝土冻融损伤程度越高。

图 7(b)表示不同冻融方式粉煤灰混凝土相对动弹性模量变化。由图 7(b)可知，内掺氯盐粉煤灰混凝土经冻融作用后，虽然其损伤层厚度的增加速率低于外渗盐冻，但其相对动弹性模量降低的速度要高于外渗盐冻。经冻融循环40次时，FAC-3、FAC-1、外渗盐冻、气冻以及水冻的相对动弹性模量依次为77.27%，81.22%，87.41%，89.92%，97.85%。而相对动弹性模量往往是混凝土内部结构密实程度的评价指标之一，因此内掺盐冻对粉煤灰混凝土内部造成的损伤最大，其原因主要为氯离子内掺使得混凝土内部均匀地含有氯离子，且其氯离子含量在混凝土内部高于外渗盐冻，在混凝土表面区域却低于外渗盐冻，而氯离子的存在会增大了混凝土内部孔隙饱水度，当温度降低时，盐结晶和水冻结产生的膨胀应力对混凝土内部结构产生了不同程度的损伤。

综上所述，结合各评价指标分析可知混凝土的抗冻性能随着粉煤灰掺量的增加有所下降，但其冻融损伤速率均出现先增加后减小的趋势。各评价指标变化曲线大致相同，均能够有效表示出混凝土冻融损伤的规律，其中相对动弹性模量最先达到规定限制混凝土冻融损伤破坏的指标值。

(1) 混凝土的抗冻性能，随着冻融循环次数以及粉煤灰掺量的增加有所下降，但其冻融损伤速率出现先增加后减小的趋势。

(2) 海砂粉煤灰混凝土在经少量的冻融循环次数作用时，就对混凝土产生了较大的损伤，建议适当增加其保护层厚度以及严格控制原材料中氯盐的含量。

(3) 对比其他3种冻融方式可发现，盐-冻双重作用对混凝土损伤程度要远高于水冻和气冻，且外渗盐冻对混凝土表层的损伤要比内掺盐冻大，但内掺盐冻对混凝土内部损伤最大。