混凝土由于耐久性不良造成的破坏中，大多数与冻融破坏有关。P.K.Mehta^[1]在总结世界混凝土耐久性破坏状况时认为，影响混凝土耐久性的因素按破坏程度从大到小排列依次为：钢筋锈蚀、冻融破坏、离子侵蚀、碱集料反应等。可见，冻融破坏是混凝土耐久性不良的重要原因之一。我国地域广阔，不仅是三北地区，其他大部分地区冬季也都存在正负温交替的现象，而此时如果有水存在必然就会加速冻融破坏。在这些地方修建混凝土工程，对其抗冻性进行评价，控制好混凝土施工质量就显得非常重要。我国目前评价混凝土抗冻性主要采用快速冻融循环法，以质量损失率、动弹性模量或相对耐久性指数作为评价指标。该方法试验周期长，从制件到对混凝土抗冻性做出评价至少要两个半月以上，而且耗费人力物力。因此，如何快速评价混凝土抗冻性，是寒区混凝土行业发展的重要问题。

冻融破坏是由于渗入混凝土中的水在负温下结冰冻胀引起的，要得到抗冻的混凝土，关键是要提高混凝土的密实程度，即提高混凝土抗渗透性，使水及其他有害离子难以进入混凝土内部，从而提高其抗冻性。大量研究表明^{[2, 3, 4, 5]}，混凝土抗渗透性与其抗冻性之间有着密切联系。抗渗透性高的混凝土，其抗冻性一般来说都是比较好的，因此通常认为抗渗透性是评价混凝土抗冻性的最重要指标^[6]。而电通量法又是评价混凝土抗氯离子渗透性的重要方法，混凝土电通量越低，说明混凝土抗氯离子渗透性越好。该方法操作简便，且试验时间短，可快速评价混凝土抗氯离子渗透性。

本文考虑不同的影响因素，设计了一系列配合比混凝土，采用电通量法测试混凝土抗氯离子渗透性，用快速冻融循环法测试混凝土抗冻性，探讨不同影响因素下电通量指标评价混凝土抗冻性的可行性，并分析了混凝土电通量与相对耐久性指数之间的相关性。

1 试验设计及原材料 1.1 试验设计

影响混凝土抗冻性和抗氯离子渗透性的因素很多，且关系复杂，可以说凡是影响抗氯离子渗透性的因素必然也影响抗冻性，其中水灰比、水泥用量、含气量及掺合料是常见的且影响较大的因素，也是本文所选取的研究因素。本文采取调整单一因素变化的技术路线，在考虑某一因素影响时，固定其他因素不变，在基准配合比的基础上通过调整得到不同的因素水平，并与基准混凝土进行对照，研究不同因素水平下的混凝土抗冻性和抗氯离子渗透性。本文采用的试验方法为电通量法和快速冻融循环法。

(1) 电通量法

该方法参照ASTM C1202—2005^[7]进行，试件尺寸采用直径为(100±1) mm，高度为(50±2) mm的圆柱体试件。试验前进行真空饱水处理，试验时在试件轴向施加60 V的直流电压，试件正、负两极的试验槽内分别加入0.3 mol/L的NaOH溶液和3%的NaCl溶液，通电6 h后记录通过混凝土试件的总电量即为电通量。

(2) 快速冻融循环法

该方法参照JTG E30—2005^[8]《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》进行，冻融介质为清水。试验采用尺寸为100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体试件，每隔25次冻融循环测定一次试件的横向基频和质量，所有试件均冻融循环300次后停止试验，并计算相对耐久性指数K_n作为混凝土抗冻性的评价指标，K_n的计算公式为：

1.2 原材料

水泥：哈尔滨天鹅牌P.O42.5级普通硅酸盐水泥，80 μm筛筛余4.3%，烧失量1.49%，水泥其他物理力学性能见表 1。

粗集料：哈尔滨某石场5~20 mm连续级配花岗岩碎石，压碎值4.7%，通过筛分确定5~10 mm、10~20 mm的掺配比例为4∶6。

细集料：呼兰河中砂，细度模数2.6，Ⅱ区级配，堆积密度为1 523 kg/m³。

粉煤灰(FA)：哈尔滨三电厂的Ⅰ级粉煤灰，比表面积为643 m²/kg，密度为2.43 g/cm³，活性指数为78.6%，烧失量为2.98%，其化学成分见表 2。

硅灰(SF)：挪威埃肯公司产硅灰，平均粒径为0.1 μm，比表面积为1.62×10⁴ m²/kg，密度为2.25 g/cm³，活性指数为92.7%，烧失量为1.41%，其化学成分见表 2。

矿渣微粉(GGBS)：河北唐龙矿渣微粉，密度2.94 g/cm³，比表面积537 m²/kg，活性指数116%，烧失量0.75%，其化学成分见表 2。

引气剂：KMSF-11松香类引气剂。

减水剂：FDN萘系高效减水剂。

1.3 试验配合比

试验用混凝土配合比考虑设计目的，按路面水泥混凝土标准进行，设计弯拉强度标准值取5.0 MPa，坍落度控制在80~100 mm。混凝土基准配合比为：水泥∶水∶砂∶碎石=380∶152∶748∶1220。引气剂的掺量为0.01%，0.02%，0.03%，粉煤灰、硅灰、矿渣微粉均等量取代水泥。

2 试验结果及分析 2.1 不同水灰比条件下电通量指标评价混凝土抗冻性

为研究水灰比对混凝土电通量和相对耐久性指数的影响共设计了4个水灰比因素水平，其配合比参数和试验结果列于表 3，水灰比对混凝土不同龄期电通量和相对耐久性指数的影响见图 1。

图 1 水灰比对混凝土电通量和相对耐久性指数的影响 Fig. 1 Influence of water-cement ratio on electric flux and relative durability index of concrete

图选项

分析表 3和图 1可知，在保证水泥用量不变而改变用水量的条件下，随着水灰比从0.48降低到0.36，混凝土不论是28 d电通量还是56 d电通量都逐渐减小，混凝土抗氯离子渗透性逐渐提高。因为降低水灰比，混凝土中含有的自由水量减少，水泥石的孔隙率降低，混凝土的密实度提高，减少了水泥浆中多余水分蒸发和泌水后留下的毛细管道，从而减少了离子在混凝土内部输运的通道，降低了氯离子在混凝土内的传输速度，有利于混凝土抗氯离子渗透性能的提高^{[9, 10]}，从而提高混凝土抗冻性。不同水灰比的混凝土抗冻性试验也表现出了相同的结果，随着水灰比减小，混凝土相对耐久性指数随之增大，混凝土抗冻性提高，这说明在水灰比变化的条件下，可以用电通量指标评价混凝土抗冻性。对此条件下混凝土电通量和相对耐久性指数进行相关性分析，结果如图 2所示。从图 2可以看出，不同水灰比条件下混凝土电通量与相对耐久性指数之间存在较好的相关性，而56 d龄期下电通量与相对耐久性指数的相关性更好。

图 2 不同水灰比条件下混凝土电通量与相对耐久性指数的相关性 Fig. 2 Correlation between electric flux and relative durability index of concrete with different water-cement

图选项

为了研究水泥用量对混凝土电通量和相对耐久性指数的影响也设计了4个水泥用量因素水平，其配合比参数和试验结果列于表 4，水泥用量对混凝土不同龄期电通量和相对耐久性指数的影响见图 3。

图 3 水泥用量对混凝土电通量和相对耐久性指数的影响 Fig. 3 Influence of cement content on electric flux and relative durability index of concrete

图选项

分析表 4和图 3可知，在固定水灰比不变的前提下，随着水泥用量从350 kg增加到440 kg，混凝土不同龄期电通量都随之增大，混凝土抗氯离子渗透性逐渐地降低。因为水灰比不变，水泥用量增加，相当于增大了用水量，形成了更多的孔通道，影响混凝土的密实程度，降低了混凝土抗氯离子渗透性。

另外，增加单方水泥用量，单位体积的水泥浆量增大，而水泥浆是混凝土中多孔的成分，直接导致混凝土孔隙率增大，骨料的数量减少使其对毛细孔的阻隔作用减小，毛细孔抽吸作用增强，同样降低了混凝土抗氯离子渗透性^{[6, 11]}，混凝土抗冻性降低。不同水泥用量条件下的抗冻性试验也表现出同样结果，随着水泥用量的增加，混凝土抗冻性降低，这说明在不同水泥用量条件下，可以用电通量指标评价混凝土抗冻性。对此条件下的混凝土电通量与相对耐久性指数进行相关分析，结果见图 4。图 4显示，不同水泥用量条件下混凝土电通量与相对耐久性指数之间存在较好的相关性，此条件下28 d龄期的相关性要强于56 d龄期。

图 4 不同水泥用量条件下混凝土电通量与相对耐久性指数的相关性 Fig. 4 Correlation between electric flux and relative durability index of concrete with different cement contents

图选项

目前，对水泥的使用存在一种认识误区，认为水泥宁多勿少，这种认识不仅导致资源浪费，而且对混凝土抗氯离子渗透性和抗冻性都极为不利。因此，在寒区铺筑水泥混凝土路面，要注意水泥的用量。 2.3 不同含气量条件下电通量指标评价混凝土抗冻性

为研究含气量对混凝土电通量和相对耐久性指数的影响设计了4个含气量因素水平，其配合比参数及试验结果见表 5，含气量对混凝土不同龄期电通量和相对耐久性指数的影响见图 5。

图 5 含气量对混凝土电通量和相对耐久性指数的影响 Fig. 5 Influence of air content on electric flux and relative durability index of concrete

图选项

分析图 5、表 5可知，相同水灰比和水泥用量条件下，随着含气量从2.1%增大到7.2%，混凝土不同龄期电通量都增大，但增长趋势较缓，混凝土抗氯离子渗透性逐渐降低,相对来说含气量对混凝土电通量的影响较小。电通量随含气量的增加而增大有两个原因^[11]：首先，与电通量试验方法有关。电通量试验前要求对试件进行真空饱水处理，这样一来就使得混凝土中引入的气泡充满水分，混凝土中原有气泡占据的空间为电流的通过提供了宽敞通道，因此当含气量增大时，混凝土电通量增大；其次，在水灰比和混凝土单方水泥用量一定的条件下，随着含气量的增加，混凝土中单位体积的骨料含量相应减少，骨料对浆体中毛细孔通道的阻隔作用也随之减小，致使混凝土的电通量增大，抗氯离子渗透性降低，混凝土抗冻性降低。不同含气量条件下的抗冻性试验得出的结果却不太一致，随着含气量增加，混凝土抗冻性先增大再减小。这说明在不同含气量条件下，不能用电通量指标评价混凝土抗冻性。但对此条件下混凝土电通量与相对耐久性指数进行相关分析，结果显示二者呈现较好的相关性，56 d龄期的相关性强于28 d龄期，如图 6 所示。

图 6 不同含气量条件下混凝土电通量与相对耐久性指数的相关性 Fig. 6 Correlation between electric flux and relative durability index of concrete with different air contents

图选项

为研究不同粉煤灰掺量对混凝土电通量和相对耐久性指数的影响，设计了4个粉煤灰掺量因素水平，配合比参数和试验结果见表 6，粉煤灰对混凝土不同龄期电通量和相对耐久性指数的影响如图 7所示。

图 7 粉煤灰对混凝土电通量和相对耐久性指数的影响 Fig. 7 Influence of fly ash content on electric flux and relative durability index of concrete

图选项

分析表 6和图 7可知，保持水胶比不变，粉煤灰等量取代水泥条件下，随着粉煤灰掺量从0%增加到30%，混凝土电通量减小，抗氯离子渗透性提高。粉煤灰提高混凝土抗氯离子渗透性的主要原因在于：首先，粉煤灰的火山灰活性可以产生二次水化作用，使水泥浆体毛细孔隙细化和结构致密化。粉煤灰的 掺入,显著降低了混凝土中的大孔含量及总孔隙率,因此掺粉煤灰能提高混凝土抗氯离子渗透性^[12]；其次，粉煤灰中的铁相有助于降低Cl^-的扩散速度，粉煤灰对Cl^-有很强的吸附能力，减少了自由氯离子含量，从而增强混凝土的抗氯离子渗透性^[6]，提高混凝土抗冻性。不同粉煤灰掺量条件下的抗冻性试验得出的结果与之相反，随着粉煤灰掺量的增加，混凝土抗冻性逐渐降低。这说明在不同粉煤灰掺量条件下，不能用电通量指标评价混凝土抗冻性。对此条件下混凝土电通量与相对耐久性指数进行相关分析，如图 8所示。图 8显示二者的相关性较好，56 d龄期相关性强于28 d龄期。

图 8 不同粉煤灰掺量条件下混凝土电通量与相对耐久性指数的相关性 Fig. 8 Correlation between electric flux and relative durability index of concrete with different fly ash contents

图选项

研究不同硅灰掺量对混凝土电通量和相对耐久性指数的影响，也设计了4个硅灰掺量因素水平，配合比参数和试验结果见表 7，硅灰对混凝土不同龄期电通量和相对耐久性指数的影响如图 9所示。

图 9 硅灰对混凝土电通量和相对耐久性指数的影响 Fig. 9 Influence of silica fume content on electric flux and relative durability index of concrete

图选项

分析表 7和图 9可知，固定水胶比，以硅灰等量取代水泥的条件下，随着硅灰掺量从0%增到10%，混凝土电通量明显减小，抗氯离子渗透性显著提高。因为在硬化混凝土中硅灰起到很好的填充作用，使其有效地填充水泥颗粒间空隙，从而使胶凝材料颗粒堆积更紧密、分布更均匀；掺有硅灰的混凝土能使骨料周围充满致密的无定形的C-S-H相，粗集料与水泥石之间的界面过渡区得到明显改善，进一步改善混凝土密实性能^{[12, 13]}。有研究^[14]表明，硅灰降低混凝土电通量的主要原因是硅灰掺入后较好地改善混凝土的孔结构，降低孔隙率，特别是混凝土中大孔比例的降低，从而提高混凝土抗氯离子渗透性，提高混凝土抗冻性。不同硅灰掺量条件下的混凝土抗冻性试验得出的结果与之相同，随着硅灰掺量的增加，相对耐久性指数逐渐增大，混凝土抗冻性提高。这说明在不同硅灰掺量条件下，可以用电通量指标评价混凝土抗冻性。对此条件下的混凝土电通量与相对耐久性指数进行相关分析，结果见图 10。从图 10中可以看出，不同硅灰掺量条件下的混凝土电通量与相对耐久性指数之间具有较好的相关性，56 d龄期的相关性强于28 d龄期。

图 10 不同硅灰掺量条件下混凝土电通量与相对耐久性指数的相关性 Fig. 10 Correlation between electric flux and relative durability index of concrete with different silica fume contents

图选项

研究不同矿渣微粉掺量对混凝土电通量和相对耐久性指数的影响同样设计了4个矿渣微粉掺量因素水平，配合比参数和试验结果见表 8，矿渣微粉对混凝土不同龄期电通量和相对耐久性指数的影响见图 11。

图 11 矿渣微粉对混凝土电通量和相对耐久性指数的影响 Fig. 11 Influence of slag powder content on electric flux and relative durability index of concrete

图选项

分析表 8和图 11可知，水胶比不变，矿渣微粉等量取代水泥条件下，随着矿渣微粉从0%增加到30%，混凝土不同龄期电通量都减小，混凝土抗氯离子渗透性增强。原因是矿渣微粉的填充效应和火山灰效应，增强了混凝土内部水泥石与骨料的界面，改善混凝土孔结构，使总孔隙率降低，孔径变小，抗氯离子渗透性提高^[15]；矿渣微粉掺入之后发生水化反应能够在表层生成较多的Friedel盐^[16]，对Cl^-有一定的固化作用，从而提高混凝土抗氯离子渗透性和抗冻性。掺矿渣微粉混凝土的抗冻性试验却得出相反的结果，随着矿渣微粉掺量的增加，混凝土抗冻性逐渐降低。这说明在不同矿渣微粉掺量条件下，不能用电通量指标评价混凝土抗冻性。对此条件下的混凝土电通量与相对耐久性指数进行相关分析，如图 12所示。由图 12可知，二者也表现出较好的相关性，56 d龄期的相关性强于28 d龄期。

图 12 不同矿渣微粉条件下混凝土电通量与相对耐久性指数的相关性 Fig. 12 Correlation between electric flux and relative durability index of concrete with different slag

图选项

如前所述，尽管在某些单一因素变化条件下并不能用电通量指标评价混凝土抗冻性，但在单一因素变化条件下的混凝土电通量与相对耐久性指数之间均存在较好的相关性，除不同水泥用量条件之外，56 d龄期的相关性都要强于28 d龄期。综合考虑不同因素变化条件下混凝土电通量与相对耐久性指数，对二者进行相关分析，结果如图 13所示。从图 13可以看到，即使是混凝土电通量相同，其抗冻性依然有着很大的差别。因此，不同因素条件下混凝土电通量与相对耐久性指数之间并无相关性。

图 13 不同因素条件下混凝土电通量与相对耐久性指数的关系 Fig. 13 Relationship between electric flux and relative durability index of concrete in different factors

图选项

(1)水灰比、水泥用量及硅灰掺量变化条件下，可以用电通量指标评价混凝土抗冻性；含气量、粉煤灰掺量及矿渣微粉掺量变化条件下，不能用电通量指标评价混凝土抗冻性。

(2)单一因素变化时混凝土电通量与相对耐久性指数之间均存在较好的相关性，但不同因素条件下的混凝土电通量与相对耐久性指数之间并无相关性。

(3)建议在水泥用量变化条件下，用28 d龄期电通量指标评价混凝土抗冻性，而在水灰比和硅灰掺量变化条件下，用56 d龄期电通量指标评价混凝土抗冻性。

本文仅探讨了单一因素变化条件下电通量指标评价混凝土抗冻性的可行性，双因素或多因素变化时能否用电通量指标评价混凝土抗冻性还有待于进一步的研究。