混凝土凍融破壞機(jī)理的分析

魏憲發(fā)

(黑龍江省交通科學(xué)研究所)

1 凍融破壞機(jī)理

在北方地區(qū)的寒冷季節(jié)，混凝土硬化后存留在毛細(xì)孔中的自由水遇冷凍結(jié)冰會(huì)發(fā)生體積膨脹，引起混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞，稱混凝土凍融破壞。

事實(shí)上，一般情況下，毛細(xì)孔中的水結(jié)冰并不會(huì)使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞，因?yàn)榛炷林谐嗣?xì)孔之外，還有一些水泥水化后形成的膠凝孔和其他原因形成的非毛細(xì)孔，這些孔隙中常混有空氣，當(dāng)毛細(xì)孔中的水結(jié)冰膨脹時(shí)，這些氣孔能起緩沖作用，能將一部分未結(jié)冰的水?dāng)D入膠凝孔中，從而減小膨脹壓力，避免混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞。但當(dāng)混凝土處于飽水狀態(tài)受凍時(shí)，其毛細(xì)孔壁同時(shí)承受毛細(xì)孔冰晶膨脹壓和凝膠孔滲透壓兩種壓力，當(dāng)這兩種壓力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土就會(huì)開裂;在反復(fù)凍融循環(huán)后，混凝土中的裂縫由表及里相互貫通，其強(qiáng)度逐漸降低，直至完全喪失使用性能。

混凝土的抗凍性與其內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)、水飽和程度、受凍齡期和混凝土的強(qiáng)度等許多因素有關(guān)，其中最主要的因素是它的孔結(jié)構(gòu)，而混凝土的孔結(jié)構(gòu)是由混凝土水灰比、添加劑和施工養(yǎng)護(hù)方法等因素決定的。一般來說，水灰比較小、內(nèi)部孔隙少、密實(shí)且強(qiáng)度高的混凝土抗凍性較好;添加引氣劑使混凝土結(jié)硬后內(nèi)部包含大量分布較為均勻的封閉微氣孔，可以大大改善混凝土的抗凍性。

2 凍融破壞對(duì)材料參數(shù)的影響

(1)削減構(gòu)件截面尺寸

凍融破壞一般先使構(gòu)件邊角混凝土(應(yīng)力比較集中的部位)開裂、剝落和松脫，然后從表面開始向內(nèi)部剝落，使構(gòu)件截面積削減，可以在現(xiàn)場實(shí)測出構(gòu)件尺寸削弱情況，以實(shí)際尺寸帶入結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算模型和承載力計(jì)算公式。

(2)降低混凝土強(qiáng)度和彈性模量

凍融循環(huán)使得混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐步解離和破壞，材料呈松脆化趨勢(shì)，強(qiáng)度和彈性模量明顯降低。在用慢凍法測混凝土抗凍標(biāo)號(hào)的試驗(yàn)中，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)到達(dá)混凝土抗凍標(biāo)號(hào)值時(shí)，混凝土強(qiáng)度下降接近25%，可見強(qiáng)度的降低是不可忽視的。但目前對(duì)于混凝土抗凍標(biāo)號(hào)、混凝土飽水程度、凍融循環(huán)次數(shù)、質(zhì)量損失等因素與混凝土強(qiáng)度降低之間的量化關(guān)系，并沒有可資引用的研究成果，因而如何確定舊橋結(jié)構(gòu)混凝土經(jīng)多次凍融循環(huán)作用后的剩余強(qiáng)度，是個(gè)有待探討的課題。

通過已有大量混凝土抗凍性試驗(yàn)資料可以看出，混凝土質(zhì)量損失與凍融循環(huán)次數(shù)近似呈拋物線關(guān)系且同一批混凝土抗凍性表現(xiàn)較為穩(wěn)定，如圖1中三組試件測得曲線所示。圖中橫坐標(biāo)為凍融循環(huán)次數(shù)C(次)，縱坐標(biāo)為混凝土質(zhì)量損失百分?jǐn)?shù)L(%)，設(shè)兩者的數(shù)量關(guān)系可近似由式(1)表達(dá)

式中:L為混凝土經(jīng)C次凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失百分?jǐn)?shù);C為凍融循環(huán)次數(shù);k為待定系數(shù);x為待定指數(shù)。

圖1 混凝土質(zhì)量損失與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線

觀察比較圖1中各組試件給出的曲線，可知式(1)中待定參數(shù)k和x是隨混凝土自身抗凍性能變化而變化的。若已知方程(1)的兩個(gè)邊界條件(不包含坐標(biāo)原點(diǎn))，就可以確定兩個(gè)待定參數(shù)的取值。一個(gè)現(xiàn)成的邊界條件就是按現(xiàn)有相關(guān)混凝土試驗(yàn)規(guī)范規(guī)定，當(dāng)混凝土凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到其抗凍標(biāo)號(hào)N時(shí)，其質(zhì)量損失達(dá)到5%;另一個(gè)邊界條件可以從凍融循環(huán)到一定次數(shù)時(shí)取某組試件L－C曲線上某一穩(wěn)定的中間點(diǎn)來獲得，假定該點(diǎn)坐標(biāo)為(Cs，Ls)，這樣就可以得到關(guān)于待定參數(shù)k和x的兩個(gè)方程(2)和(3)

聯(lián)立方程(2)、(3)可以求解出待定參數(shù)k和x的表達(dá)式為)得到參數(shù)k和x的值以后，函數(shù)關(guān)系式(1)的形式就確定了。

要通過試驗(yàn)得到混凝土強(qiáng)度損失百分?jǐn)?shù)Lf與凍融循環(huán)次數(shù)C的關(guān)系曲線，工作量、試件消耗和難度都很大，因此難以實(shí)現(xiàn)。由于質(zhì)量損失是混凝土受凍融循環(huán)造成內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷、解離的直觀表現(xiàn)，而混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷與強(qiáng)度損失也是直接相關(guān)的，因此可合理假定混凝土強(qiáng)度損失規(guī)律與質(zhì)量損失規(guī)律線性相似，即在(1)式右邊乘上某常數(shù)e就可得到混凝土強(qiáng)度損失規(guī)律。根據(jù)現(xiàn)有相關(guān)混凝土試驗(yàn)規(guī)范規(guī)定，當(dāng)混凝土凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到其抗凍標(biāo)號(hào)N時(shí)，其強(qiáng)度損失達(dá)到25%，對(duì)應(yīng)的質(zhì)量損失如前述為5%，由此可推得常數(shù)e的值為5，于是混凝土強(qiáng)度損失規(guī)律就可以通過改寫(1)式得到

式中:Lf為混凝土經(jīng)C次凍融循環(huán)后的強(qiáng)度損失百分?jǐn)?shù)，%;C為凍融循環(huán)次數(shù)，次;k、x為待定參數(shù)，求法同前。

則混凝土經(jīng)C次凍融循環(huán)后的剩余強(qiáng)度為

式中:fcr為混凝土經(jīng)C次凍融循環(huán)后的剩余強(qiáng)度;fpr為混凝土未經(jīng)凍融循環(huán)的強(qiáng)度;kft為凍融循環(huán)對(duì)混凝土強(qiáng)度折減系數(shù)，kft=1－Lf%。

在舊橋現(xiàn)場，應(yīng)盡量通過實(shí)測手段得到混凝土經(jīng)凍融循環(huán)后的剩余強(qiáng)度。在難以實(shí)測或?qū)崪y無效的情況下，可以先查詢混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度、抗凍標(biāo)號(hào)N和相關(guān)施工記錄，結(jié)合橋梁所處氣候和水文環(huán)境估算混凝土發(fā)生凍融循環(huán)的總次數(shù)C，再參考現(xiàn)有相同抗凍標(biāo)號(hào)混凝土的抗凍性試驗(yàn)資料，計(jì)算得到所需相關(guān)參數(shù)后代入公式(5)、(6)估算混凝土剩余強(qiáng)度。

［1］孫全勝，李偉林，尚云龍等.舊橋承載力模型與仿真［M］.哈爾濱地圖出版社，2007.14～19.

［2］姜海波，車惠民.鐵路鋼筋混凝土梁和預(yù)應(yīng)力混凝土疲勞抗剪可靠度［J］. 鐵道學(xué)報(bào)，1997，(1).

［3］王濟(jì)川，王浩.建筑物的損傷診斷與對(duì)策［M］.中南工業(yè)大學(xué)出版社，1993.