混凝土凍融破壞機(jī)理及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀★

覃麗坤 宋宏偉

(大連民族學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，遼寧大連 116600)

1 概述

我國北方寒冷地區(qū)的混凝土建筑物和構(gòu)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(nèi)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(biāo)方面的研究，而針對凍融循環(huán)對混凝土力學(xué)性能影響的研究不多。

目前，關(guān)于混凝土凍融破壞機(jī)理，國內(nèi)外在理論方面還沒有達(dá)到共識。從1940年開始，國內(nèi)外學(xué)者相繼對混凝土凍融破壞機(jī)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(lián)學(xué)者基于力學(xué)概念，提出的現(xiàn)象學(xué)觀點(diǎn)等，這些研究基本都是經(jīng)假設(shè)和推導(dǎo)而得出結(jié)論，從純物理的模型出發(fā)的。

由于混凝土凍融循環(huán)的試驗(yàn)方法和條件不同，試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有一定的離散性。目前，關(guān)于凍融循環(huán)對混凝土力學(xué)性能影響的研究，只有少量文獻(xiàn)對凍融循環(huán)后的普通混凝土進(jìn)行了多軸應(yīng)力狀態(tài)的試驗(yàn)研究［9，10］，大多數(shù)研究還是針對混凝土在單軸應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)行的。因此，開展凍融循環(huán)后混凝土多軸力學(xué)性能研究，對于準(zhǔn)確分析處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)的混凝土結(jié)構(gòu)在惡劣環(huán)境因素下的力學(xué)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(dāng)?shù)囊龤鈩?，可使混凝土的抗凍性提?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?yàn)樗冶戎苯佑绊懟炷恋目紫堵始翱捉Y(jié)構(gòu);

3)平均氣泡間距的影響。

平均氣泡間距越大，則導(dǎo)致混凝土毛細(xì)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(tài)。

混凝土含水量大，則受凍時(shí)易于破壞。因?yàn)榛炷羶鋈谄茐呐c其孔隙的飽水程度密切相關(guān);

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(jī)理

目前，對混凝土抗凍性能的研究，國內(nèi)外已進(jìn)行了一些試驗(yàn)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(jié)構(gòu)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(xué)術(shù)界的高度重視。進(jìn)入20世紀(jì)70年代，混凝土抗凍性能的研究又有了一些進(jìn)展，加拿大和德國的科學(xué)家用熱力學(xué)理論，分析固、液、氣三相共存平衡的條件，根據(jù)自然界的客觀規(guī)律指出事物發(fā)展的必然性，來揭示混凝土凍融破壞機(jī)理。前蘇聯(lián)學(xué)者從力學(xué)概念出發(fā)，提出了現(xiàn)象學(xué)觀點(diǎn)。混凝土凍融破壞機(jī)理在很大程度上指導(dǎo)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(nèi)外在凍融破壞理論方面還沒有達(dá)成共識。

4 混凝土抗凍性能研究現(xiàn)狀

從國內(nèi)外發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)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(shè)計(jì)等級而展開的，沒有考慮混凝土的強(qiáng)度指標(biāo)。按照我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，對混凝土抗凍等級的規(guī)定是同時(shí)滿足相對動彈模值不小于60%和質(zhì)量損失率不超過5%時(shí)的凍融次數(shù)。文獻(xiàn)［2］的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)125次凍融循環(huán)后，當(dāng)相對動彈模值接近60%時(shí)，普通混凝土抗壓強(qiáng)度僅為凍融循環(huán)前的39%，強(qiáng)度降低很多。文獻(xiàn)［3］的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)300次凍融循環(huán)后，加氣混凝土的相對動彈模值為61%時(shí)，抗壓強(qiáng)度僅為凍融循環(huán)前的49.5%。因此，應(yīng)該對凍融循環(huán)后混凝土力學(xué)性能的變化引起足夠的重視。

水工及海工中的混凝土結(jié)構(gòu)大部分處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)。文獻(xiàn)［9］［10］對凍融循環(huán)后混凝土進(jìn)行了雙軸壓和三軸壓下的力學(xué)性能試驗(yàn)研究。文獻(xiàn)［9］的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在相同凍融循環(huán)次數(shù)后，雙軸壓混凝土的抗壓強(qiáng)度較單軸壓極限強(qiáng)度提高，提高程度取決于應(yīng)力比的大小，在應(yīng)力比為1∶0.5時(shí)，極限抗壓強(qiáng)度提高幅度最大，為單軸抗壓強(qiáng)度的1.5倍左右。

文獻(xiàn)［10］的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在相同凍融循環(huán)次數(shù)后，三軸壓混凝土的抗壓強(qiáng)度值大大提高，尤其在應(yīng)力比為0.1∶0.5∶1時(shí)，極限抗壓強(qiáng)度為單軸抗壓強(qiáng)度的3倍～6倍。因此，設(shè)計(jì)中考慮凍融循環(huán)后多軸壓混凝土強(qiáng)度比單軸壓混凝土強(qiáng)度提高的特點(diǎn)，可大大節(jié)省材料。

5 結(jié)語

國內(nèi)外對凍融循環(huán)后混凝土破壞機(jī)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(dá)到共識。關(guān)于凍融循環(huán)對混凝土力學(xué)性能影響的研究，只有少數(shù)科研院所開展了凍融循環(huán)后混凝土的多軸力學(xué)試驗(yàn)研究，大多數(shù)文獻(xiàn)還是針對混凝土在單軸應(yīng)力狀態(tài)下而進(jìn)行的。因此，開展凍融循環(huán)后混凝土力學(xué)性能的試驗(yàn)研究，對豐富混凝土抗凍性能理論具有重要意義。

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