2.1 变温冻融对水工混凝土抗冻性的影响
2.1.1 未作抗冻设计水工混凝土的抗冻性
我国水利行业对于水工混凝土的抗冻试验方法主要是参照《水工混凝土试验规程》（SL 352—2006）、《水工混凝土试验规程》（DL/T 5150—2001）进行。《水工混凝土试验规程》（SL 352—2006）规定水工混凝土的冻融试验降温终了时采用的试件中心温度为-17±2℃，一个冻融循环历时2～4h，《水工混凝土试验规程》（DL/T 5150—2001）规定降温和升温终了时，试件中心温度分别控制在-17±2℃和8±2℃，一个冻融循环历时2.5～4.0h，其中降温历时1.5～2.5h、升温历时1.0～1.5h。
对南方地区未考虑抗冻设计的水工混凝土，遭遇-5～-10℃之间的低温冻害的几率较大，设计了降温和升温终了时，试件中心温度分别控制在-5℃和8℃以及-10℃和8℃两种制度，具体情况见表2-1。
表2-1 未作抗冻设计水工混凝土的冻融制度
未作抗冻设计的水工混凝土在-5～8℃（制度1）以及-10～8℃（制度2）两种制度下的质量损失、相对动弹性模量变化情况表2-2所示，并与标准制度下的抗冻性能进行了对比。
表2-2 未考虑抗冻设计水工混凝土的抗冻性能
图2-1 C20F0水工混凝土质量损失率
图2-2 C20F0水工混凝土相对动弹性模量
图2-3 C30F0水工混凝土质量损失率
图2-4 C30F0水工混凝土相对动弹性模量
在未作抗冻设计的水工混凝土的抗冻试验结果中，仍以质量损失5%、相对动弹性模量60%来衡量混凝土能经受冻融循环次数，并结合相关工程经验，则未作抗冻设计水工混凝土关于抗冻中心温度与能经受的冻融耐久性之间有图2-5、图2-6所示的关系。
图2-5 C20F0水工混凝土抗冻试件中心温度与冻融循环次数的关系
图2-6 C30F0水工混凝土抗冻试件中心温度与冻融循环次数的关系
从图上可以分析，以质量损失5%、相对动弹性量60%来衡量混凝土能经受冻融循环次数，则未做抗冻设计的C20水工混凝土在-17℃、-10℃、-5℃三种抗冻试件中心温度条件下能经受的冻融循环次数分别为23次、70次、99次；未做抗冻设计的C30水工混凝土在-17℃、-10℃、-5℃三种抗冻试件中心温度件下能经受的冻融循环次数分别为25次、75次、100次。
2.1.2 中、低抗冻设计水工混凝土的抗冻性
我国部分地区的水工混凝土在服役期间经常遭遇低于现行冻融试验标准中心低温的气候条件，因此，该类混凝土在某种程度上也属于低抗冻性设防等级混凝土。对于这类水工混凝土，设计了降温和升温终了时试件中心温度为-20℃和8℃（制度3）、-30℃和8℃（制度4）的冻融循环制度，见表2-3。在低于抗冻设计考虑中心低温的冻融制度下，按照现行抗冻标准和现行抗冻试验方法定义的F50和F100两种中、低抗冻等级混凝土（基准配合比C20F50、C20F100、C30F50和C30F100）的抗冻性能表2-4、表2-5所示。
表2-3 中、低抗冻设计水工混凝土的冻融制度
表2-4 F50抗冻设计水工混凝土的抗冻性能
表2-5 F100抗冻设计水工混凝土的抗冻性能
图2-7 C20F50水工混凝土的质量损失率
图2-8 C20F50水工混凝土的相对动弹性模量
图2-9 C20F50水工混凝土抗冻试件中心温度与冻融循环次数的关系
图2-10 C20F100水工混凝土的质量损失率
图2-11 C20F100水工混凝土的相对动弹性模量
图2-12 C20F100水工混凝土抗冻试件中心温度与冻融循环次数的关系
图2-13 C30F50水工混凝土的质量损失率
图2-14 C30F50水工混凝土的相对动弹性模量
图2-15 C30F50水工混凝土抗冻试件中心温度与冻融循环次数的关系
图2-16 C30F100水工混凝土的质量损失率
图2-17 C30F100水工混凝土的相对动弹性模量
图2-18 C30F100水工混凝土抗冻试件中心温度与冻融循环次数的关系
从系列性能演变规律图表中的结果可以分析，原先按现行抗冻试验方法确定的抗冻等级满足F50、F100的基准配合比混凝土C20F50、C20F100、C30F50和C30F100在遭受低于-17℃的试件中心温度，按现行抗冻标准评判大部分混凝土试件已无法达到相应的抗冻等级，如C20F100基准混凝土在-20～8℃的冻融制度下，经过100次冻融循环后质量损失率为5.4%（现行规范规定为不大于5%），相对动弹性模量下降为初始值的48%（现行规范规定为不小于初始值的60%）；C30F100基准混凝土在-30～8℃新冻融制度下，经过100次冻融循环后质量损失率为6.1%，相对动弹性模量下降为初始值的45%。由此可见，即使是做了抗冻设计的水工混凝土，当遭受超过设计标准或试验评判标准的低温气候时，该类混凝土的抗冻性能下降较快，可能无法达到预定的抗冻设计要求。
2.1.3 高抗冻设计水工混凝土的抗冻性
我国北方地区的最低气温可达-30℃，甚至更低，而根据我国水利行业规范《水工建筑物抗冰冻设计规范》（SL 211—2006），对于年冻融循环次数≥100的严寒地区，混凝土坝上游面冬季水位变动区、水电站或船闸的尾水渠、引航道的挡墙与护坡等水工结构和构件混凝土的抗冻设计等级应为F300。因此，设计了抗冻等级为F300的水工混凝土，分别采用-17℃、-30℃和-40℃的抗冻试件中心温度（见表2-6）进行抗冻性能研究，其质量损失与相对动弹模变化规律如表2-7所示。
表2-6 高抗冻设计水工混凝土的冻融制度
表2-7 F300抗冻设计水工混凝土的抗冻性能
图2-19 F300水工混凝土的质量损失率
图2-20 F300水工混凝土的相对动弹性模量
图2-21 F300水工混凝土抗冻试件中心温度与冻融循环次数的关系
从图中冻融结果分析，设计的F300高抗冻水工混凝土在现行规范规定标准试验方法下能经受360次冻融循环，而在-30℃、-40℃的中心低温条件进行抗冻试验时，其能经受的冻融循环次数分别为200次和160次，下降幅度分别达到了44.4%及55.6%。试验结果表明，即使是抗冻设计高的水工混凝土，当遇到超过设计考虑的中心低温的温度条件时，其能经受的抗冻循环次数仍会有较大幅度的下降。