混凝土凍融破壞機理及國內外研究現狀★

覃麗坤 宋宏偉

(大連民族學院土木建筑工程學院，遼寧大連 116600)

1 概述

我國北方寒冷地區的混凝土建筑物和構筑物，在冬季都遭受不同程度的凍融破壞。目前，對混凝土抗凍性能的研究，國內外已開展了一些研究工作，但主要集中在對混凝土抗凍指標方面的研究，而針對凍融循環對混凝土力學性能影響的研究不多。

目前，關于混凝土凍融破壞機理，國內外在理論方面還沒有達到共識。從1940年開始，國內外學者相繼對混凝土凍融破壞機理展開了研究。有美國的鮑爾斯提出的靜水壓假說和滲透壓假說;前蘇聯學者基于力學概念，提出的現象學觀點等，這些研究基本都是經假設和推導而得出結論，從純物理的模型出發的。

由于混凝土凍融循環的試驗方法和條件不同，試驗數據具有一定的離散性。目前，關于凍融循環對混凝土力學性能影響的研究，只有少量文獻對凍融循環后的普通混凝土進行了多軸應力狀態的試驗研究［9，10］，大多數研究還是針對混凝土在單軸應力狀態下進行的。因此，開展凍融循環后混凝土多軸力學性能研究，對于準確分析處于復雜應力狀態的混凝土結構在惡劣環境因素下的力學性能尤為重要。

2 影響混凝土抗凍性能的主要因素

1)含氣量和引氣劑的影響。

含氣量對混凝土抗凍性有直接影響。在混凝土中，摻入適當的引氣劑，可使混凝土的抗凍性提高8倍～10倍左右;

2)水灰比。

隨著水灰比的增加，混凝土的抗凍性能逐漸降低，因為水灰比直接影響混凝土的孔隙率及孔結構;

3)平均氣泡間距的影響。

平均氣泡間距越大，則導致混凝土毛細孔中的靜水壓和滲透壓越大，造成混凝土的抗凍性越低;

4)摻加料。

除引氣劑外，減水劑對混凝抗凍性也有一定影響;

5)飽水狀態。

混凝土含水量大，則受凍時易于破壞。因為混凝土凍融破壞與其孔隙的飽水程度密切相關;

6)水泥品種。

水泥品種不同，則熟料部分的相對體積和硬化速度有所不同，將直接影響混凝土的抗凍性能。

3 混凝土凍融破壞機理

目前，對混凝土抗凍性能的研究，國內外已進行了一些試驗研究工作［1-8］。早期開展研究的有美國的鮑爾斯，他提出的破壞理論是靜水壓假說和滲透壓假說。他通過對水泥凈漿結構的抗凍性能的研究，建立了比較完整的混凝土凍融破壞理論體系，受到國際學術界的高度重視。進入20世紀70年代，混凝土抗凍性能的研究又有了一些進展，加拿大和德國的科學家用熱力學理論，分析固、液、氣三相共存平衡的條件，根據自然界的客觀規律指出事物發展的必然性，來揭示混凝土凍融破壞機理。前蘇聯學者從力學概念出發，提出了現象學觀點。混凝土凍融破壞機理在很大程度上指導了混凝土材料抗凍性的研究，對提高混凝土抗凍性能起到了重要作用。但迄今為止，國內外在凍融破壞理論方面還沒有達成共識。

4 混凝土抗凍性能研究現狀

從國內外發表的相關文獻看，對混凝土抗凍性能的研究，大多是針對混凝土抗凍安全設計等級而展開的，沒有考慮混凝土的強度指標。按照我國現行標準，對混凝土抗凍等級的規定是同時滿足相對動彈模值不小于60%和質量損失率不超過5%時的凍融次數。文獻［2］的試驗發現，經125次凍融循環后，當相對動彈模值接近60%時，普通混凝土抗壓強度僅為凍融循環前的39%，強度降低很多。文獻［3］的試驗發現，經300次凍融循環后，加氣混凝土的相對動彈模值為61%時，抗壓強度僅為凍融循環前的49.5%。因此，應該對凍融循環后混凝土力學性能的變化引起足夠的重視。

水工及海工中的混凝土結構大部分處于復雜應力狀態。文獻［9］［10］對凍融循環后混凝土進行了雙軸壓和三軸壓下的力學性能試驗研究。文獻［9］的試驗研究發現，在相同凍融循環次數后，雙軸壓混凝土的抗壓強度較單軸壓極限強度提高，提高程度取決于應力比的大小，在應力比為1∶0.5時，極限抗壓強度提高幅度最大，為單軸抗壓強度的1.5倍左右。

文獻［10］的試驗研究發現，在相同凍融循環次數后，三軸壓混凝土的抗壓強度值大大提高，尤其在應力比為0.1∶0.5∶1時，極限抗壓強度為單軸抗壓強度的3倍～6倍。因此，設計中考慮凍融循環后多軸壓混凝土強度比單軸壓混凝土強度提高的特點，可大大節省材料。

5 結語

國內外對凍融循環后混凝土破壞機理和影響因素的研究取得了一些成果，但是在凍融破壞的理論方面還沒有達到共識。關于凍融循環對混凝土力學性能影響的研究，只有少數科研院所開展了凍融循環后混凝土的多軸力學試驗研究，大多數文獻還是針對混凝土在單軸應力狀態下而進行的。因此，開展凍融循環后混凝土力學性能的試驗研究，對豐富混凝土抗凍性能理論具有重要意義。

［1］ Jacobsen S.，Marchand J.，Homain H..SEM observations of the microstructure of frost deteriorated and self-healed concrete［J］.Cement and Concrete Research，1995，25(8):1781-1790.

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［10］ 姚家偉，覃麗坤，宋玉普.三軸壓的普通混凝土在凍融循環后的力學性能［J］.混凝土，2011(3):25-37.