等效室内冻融循环次数为混凝土结构耐久性环境区划标准的重要成果

对于相同环境，冻融损坏作用随冻融次数的增加而增加，冻融循环越频繁，混凝土的破坏程度越严重。等效室内冻融循环次数是指与经历若干次现场冻融循环后的混凝土损伤程度一致时，混凝土所要经历的相应室内冻融循环的次数。它以室内快速冻融试验环境为标准条件，具有同一参照基准，可以直接标识各地环境的严酷程度；又与混凝土的抗冻等级直接联系，可以由室内快冻试验结果直接预测混凝土的耐用年限。

基于文献［7-10］和文献［7-14］，用neq表示特征地区的年均等效室内冻融循环次数，有：

式中：S为混凝土的室内外冻融损伤比例系数，K为混凝土在发生冻融循环时的饱含水时间比例系数。

7.2.2.1　室内外冻融损伤比例系数S

室内外冻融损伤比例系数S的物理意义是达到相同损伤时，标准室内冻融一次相当于天然条件下的冻融次数。关于室内外冻融损伤比例系数的研究，一般是通过相同配比混凝土在室内标准快冻试验和某一现场自然冻融循环环境下的试验或实测进行经验性的统计取值［7-11，7-12］。然而，不同地区的环境条件千差万别，对每个地区进行对比试验将会耗费大量的人力物力，并且将是一个非常漫长的过程，非朝夕可成，目前这方面的数据积累也几近空白。

对于饱水状态下的混凝土，可认为其为饱水状态，与室内快冻试验混凝土的饱水条件近似相同。在这种前提下，室内外冻融循环环境的差异主要取决于降温速率、冰冻时长和冰冻最低温度等温度作用的差异。本章在文献［7-13］的理论基础上寻求一种更易于被工程应用的计算室内外冻融循环损伤差别的方法，以现场最冷月的平均降温速率来表征现场冻融循环环境的降温速率，得到S为：

式中：̇为现场发生冻融循环时的年平均降温速率；为实验室标准快冻条件下的降温速率；ζ为与材料有关的参数，可在实验室内测量得到；ΔT和t分别代表相应环境下的降温温差与降温时间间隔。

现场发生冻融循环时的降温速率Ṫ近似按照1月平均温差与降温时间间隔之比来确定，这主要考虑了两个因素：①通过对全国近200个城市近30～50年的历史气象数据的分析发现，各地四季温差变化遵循相同的变化规律，且冬季（12月、1月、2月）日平均温差与1月日平均温差非常相近（图7-5）；②在进行现场冻融破坏研究时，多以1月气温变化作为特征参数或分异标志。自然界气温通常在13：00—14：00时气温达到最高值，凌晨2时左右达到最低值，本章近似取降温时间间隔为12 h，全国1月平均降温速率等值分布图见图7-6。

室内冻融循环降温速率取为室内降温温差与降温时间间隔的比值，根据《水工混凝土试验规程》（SL 352—2006），取12.5℃/h。

图7-5　1月平均温差与冬季平均温差的差值

图7-6　1月平均降温速率

7.2.2.2　饱含水时间比例系数K

混凝土的水饱和程度是影响其冻融破坏的关键参数，而发生冻融循环期内的混凝土饱含水时间比例与混凝土的耐久寿命直接相关。混凝土发生冻融破坏的结构类型具有多样性，如混凝土路桥、机场跑道、热电站冷却塔、给水和水处理结构、海港和码头、工业和民用建筑物等，其所处的环境状况以及与水接触的情况都有很大的不同，并且即使同一环境下的不同构件、构件的不同朝向都存在着很大差别。(www.xing528.com)

混凝土面层附近一定厚度范围内（20～50 mm）的饱和度受外界相对湿度快速变化的影响会出现大幅度的变化［7-14，7-15］，并且相同环境条件下，距混凝土表面越深处，其年冻融循环次数越少［7-16］，加之混凝土发生冻融破坏往往是表层的混凝土先破坏，再逐步向里发展，所以受外界湿度变化影响较大的混凝土表层应是予以考虑的关键部分。

饱含水时间比例系数K是指有冻融循环作用情况时混凝土的饱水情况，定义为混凝土在冻融循环期内处于饱水状态的时间比例。一般大气环境中，混凝土的饱水情况受降水量与降水时长的影响，主要为降水时长［7-17］。由此，可近似采用降水频率来表征不同地区混凝土饱含水时间比例。但是，统计每个城市的降水频率并不容易实现，一是历史数据多有缺失，二是工作量也较为烦琐。考虑利用下式近似估计混凝土的饱含水时间比例系数K：

式中：K0为基准地区的混凝土饱含水时间比例系数，取为冻融循环时间（取12月、1月、2月）内降水量不低于0.1 mm降水日数出现的频率；b为对不同地区饱含水时间比例系数修正系数。

对200个城市的年均相对湿度与年均降水频率进行相关性分析，其统计关系如图7-7所示，两者整体趋势上存在着线性的对应关系。以各地环境相对湿度的差异考虑降水频率的差异，修正系数b可取为：

式中：RH为目标地区冻融循环时间（取12月、1月、2月）内的平均相对湿度，RH0为所选基准地区该时段内的平均相对湿度。

上述内容是对一般大气环境冻融期内含水时间比例系数进行预估的一种思考方法，以此区分不同地区一般大气环境下其冻融破坏程度的强弱，而非精确评估。对于一般大气环境，由于混凝土内的水饱和度一般小于极限水饱和度，混凝土结构的冻融破坏不易发生。

鉴于实际环境的多样性，无法给出普适性的计算公式。即使同一环境下的不同构件、构件的不同朝向都存在着些许差别，应根据所在地区与目标工程的实际情况确定该系数：对于一般大气环境中的混凝土结构，由于混凝土内的水饱和度一般小于其极限水饱和度，混凝土结构的冻融破坏不易发生，但应考虑降雨与降雪情况对暴露面的影响；对于频繁接触水的混凝土结构，K的值可近似考虑为1；对于更多的情况，混凝土在冻融发生期间内的饱含水时间比例系数需要根据所在地区与目标工程的实际情况进行确定。

图7-7　年均相对湿度与年均日降水量＞0.1 mm日数的关系

7.2.2.3　工程实例验证

北京十三陵地区冬季最低温度达-30oC，是典型的受冻区。结合国家“九五”科技攻关项目“重点工程混凝土安全性的研究”，中国水利水电科学研究院［7-13］在北京十三陵抽水蓄能电站建立混凝土抗冻耐久性的现场试验基地，进行了几种具有相同材料配合比与含气量的混凝土在不同冻融时间下的室内外对比试验（其中室内试验采用了标准快速冻融试验方法），分别测量了相同相对动弹性模量损失下的室内外冻融循环次数，得到了冻融混凝土室内外损伤的关系。

利用北京地区近50年的气温资料［7-10］，得到北京地区的平均降温速率为0.867℃/h，室内外冻融损伤比例系数为S＝12.5，现场冻融循环次数为84次/年，等效室内冻融循环次数为6.75次/年。计算中，材料参数ξ取为0.946［7-18］，混凝土考虑为频繁接水，饱含水时间比例系数K取为1。预测曲线与十三陵现场实测数据的比较如图7-8所示，可以看出，预测值与实测值两者符合较好。北京十三陵地区的平均室内外对比关系：实测结果为一次快速冻融循环相当于自然条件下12次冻融循环，与根据式（7-3）对北京整体地区的计算值12.5非常相近。