近年來我國混凝土凍融破壞研究進展

黃蔚，萬怡江，龐太富，張正

（東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110004）

混凝土的凍融破壞在我國主要發生華北及東北地區，易引起混凝土構件的表層剝落，促使混凝土內部裂隙發育，加快混凝土的碳化速度，降低構件的強度和材料特征參數，是影響混凝土耐久性的重要因素。國內外學者進行了大量混凝土凍融試驗，對凍融破壞的作用規律進行了研究，提出了基于試驗的凍融混凝土材料本構模型。但由于凍融試驗的周期長（包括混凝土試件的養護和凍融循環所需時間），耗費材料多，試驗結果離散性較大，盡管通過快凍法或慢凍法試驗結果能夠建立混凝土凍融破壞的本構模型，但是卻無法了解其細觀破壞機制及破壞過程。采用數值模擬方法不僅可對試驗結果進行比對驗證，而且方便從理論和微觀的角度解釋凍融試驗的現象和結果。本文針對我國目前混凝土凍融研究，分別從凍融破壞機理、凍融損傷本構模型、凍融數值試驗研究方面加以總結和介紹，并提出了混凝土凍融研究在數值試驗研究方面需要加以考慮的因素。

1 凍融破壞機理研究進展

國外對于凍融作用的研究起步較早，提出了一系列凍融破壞機理的假說。1944年Collins[1]提出的離析成層假說認為，混凝土的凍融破壞是由于混凝土構件中不同深度的孔隙水在低溫下結冰，冰的體積較與液態水增大而使得混凝土內部裂隙發展，從而引起混凝土由表層開始層層剝離。1945年Powers[2]提出的靜水壓假說提到，發生凍融時，混凝土孔隙中的液態水結冰體積增大，使得尚未結冰的剩余液態水從結冰區向外遷移。液態水在滲透性較好的水泥漿體結構中移動，為克服粘滯阻力，就會產生靜水壓力，從而形成破壞應力。1953年Powers與Helmuth[3]提出滲透壓假說，認為孔隙溶液中含有K+、Ca+、Na+等離子，在較大孔隙中的部分溶液率先凍結，剩余的溶液離子濃度上升，與之相連通的小孔溶液濃度較低，因此水分會在滲透壓的作用下向未凍結的大孔流動。1973年Litvan[4]提出蒸汽壓力假說，認為混凝土孔隙中的毛細水需經歷重分布后才能結冰，在冰凍條件下孔隙中過冷水的蒸氣壓大于冰的蒸氣壓，促使水向外部遷移，在混凝土表面結冰。1975年Fagerlund[5]提出了臨界水飽和度理論，認為當混凝土的水飽和度小于一個與極限平均氣孔間隔系數相對應的臨界值時，混凝土便不發生凍融破壞，這個臨界值即混凝土臨界水飽和度。1992年Mihta[6]提出混凝土凍融破壞的溫差應力假說，認為骨料與水泥基體間的熱膨脹系數差異較大，發生凍融時二者的應變差值較大，從而產生應力破壞。2001年Setzer[7]從熱力學角度提出了微冰晶模型，用“微冰晶泵”效應從理論上描述了凍融循環過程中，混凝土飽水度不斷增加的現象。2006年Penttala[8]提出超壓理論，認為孔隙中固態冰的化學勢小于溶液的化學勢，使得水分向結冰區遷移，在孔隙內部新凍結的冰由于缺少自由結晶的空間，就會對內壁產生擠壓導致裂縫發展。上述假說從孔隙中水的三相狀態轉換、混凝土內部結構特征、材料性質差異等角度對混凝土凍融破壞的作用機理做出了合理的假設，為凍融試驗的設計和軟件模擬提供了理論指導。

2 混凝土凍融損傷本構模型研究

依據各類凍融作用機理的假說，國內外學者從數學及力學推導、試驗數據總結、數值模擬實驗等多個角度提出了不同的混凝土凍融損傷本構模型。Baznat[9]模擬水在混凝土內部孔隙中的遷移過程，并計算了結冰時混凝土內部的溫度分布及應力重分布情況，提出了預測混凝土抗凍耐久性的理論數學模型。蔡昊[10]通過修正Loland混凝土單向受拉損傷演化過程，認為凍融造成的內部損傷是均勻的，不會產生主裂紋和局部損傷，以動彈性模量損失為主要指標建立了疲勞損傷模型預測混凝土的抗凍性。王立久[11]通過引入混凝土凍融角以及混凝土極限凍融循環次數N0的概念，并以抗凍因子作為表征和評價混凝土抗凍性的唯一指標，從數學角度給出了混凝土抗凍性的數學預測模型。關虓[12]等基于Weibull強度理論，利用統計學和微觀力學方法，結合單軸壓縮試驗和數值模擬結果提出了混凝土凍融損傷本構方程。龍廣成[13]等研究了C40普通混凝土和自密實混凝土在經受不同凍融循環次數后的應力-應變關系，并由LEMAITRE應變等價性假說提出了混凝土凍融單軸壓縮損傷的本構模型。關虓[14]等探討了損傷閾值對混凝土凍融損傷過程中應力-應變曲線的影響，在傳統的兩參數Weibull分布函數的基礎上引入損傷閾值參數，提出了將塑性變形考慮在內的混凝土凍融損傷本構方程。杜鵬[15]等通過總結學者的試驗數據，作圖分析殘余應變的變化規律，建立了殘余應變變化規律演化方程，并認為雙段變化模式更符合混凝土凍融內部損傷機理。田威[16]等將凍融循環后的試件進行單軸壓縮試驗，對凍融過后的試件斷面進行CT掃描，發現循環120次后沿骨料縫隙間的砂漿發展的裂縫已較為明顯，并從微觀和能量耗散的角度探討了凍融情況下混凝土的力學性能變化和損傷演變規律。唐光普[17]等從強度損傷理論的角度，認為凍融后的破壞面與未經受損傷的破壞面具有相似的特征，最終以“有效應力”概念建立了混凝土凍融破壞面在主應力空間內的發展演化模型。混凝土凍融損傷本構模型的建立較為復雜，依據不同的假說和試驗內容也將推導出不同的模型，這些模型的適用條件也較為嚴苛。

3 混凝土凍融數值實驗研究

在進行混凝土凍融循環試驗的同時，以有限元分析軟件進行與試驗條件相同的數值模擬，通過二者的對比找到合理可靠的結論，已經成為研究混凝土凍融損傷破壞的基本理念。周禹辛、周晶[18]利用ABAQUS軟件模擬了不同強度混凝土在不同凍融循環次數和不同加載速率下，峰值應力和應力-應變曲線的變化情況，認為混凝土受凍融時的峰值應力隨混凝土強度等級的升高而增大，但高強度的混凝土在凍融循環次數增加時，應力-應變曲線的下降趨勢更為明顯。蘭薇[19]等以質量損失率和強度損失率為表征，在試驗基礎上模擬了C30、C40、C50混凝土在不同凍融循環次數和水灰比的條件下混凝土抗凍性能的差異，得出減小水灰比可明顯提高混凝土的抗凍性的結論。鄭山鎖[20]等基于蔡昊模型推導出最大靜水壓力的簡化解析計算公式，以動彈性模量的損失量D表征鋼筋混凝土的凍融損傷效果，并認為水灰比是影響混凝土抗凍性的最主要因素。張益多[21]等模擬預應力混凝土受彎構件在凍融與疲勞交替作用下對疲勞性能的影響，其模擬值與試驗值擬合程度較高，反映了彈性模量和強度的衰減規律，以此提出凍融損傷的混凝土疲勞本構模型。馬德群[22]研究了凍融循環作用下混凝土內部的變形規律，并以ANSYS軟件模擬完全飽水混凝土發生凍融時的溫度場與溫度應力，發現凍融循環作用下混凝土內部凍脹應變呈現周期性變化，混凝土在凍融作用下邊角點處受到最大拉應力且超過抗拉強度設計值從而發生破壞。王宏業[23]將混凝土在凍融循環作用下的損傷視為各向同性損傷，以泊松比和動彈性模量為損傷變量，研究二者與凍融循環次數的關系，推導建立了混凝土凍融損傷的演化方程，并開發ADINA軟件子程序，對外荷載作用下混凝土簡支梁經受0次、25次、50次、75次凍融循環時的承載力-撓度關系進行模擬，結果與試驗擬合度較高，驗證了其提出的的凍融損傷破壞準則。李偉民[24]以含氣量為主要研究方向，研究了引氣劑對混凝土凍融后抗壓強度的影響，綜合質量、動彈性模量及抗壓強度三方面因素，找出混凝土凍融循環的最佳含氣量；同時以熱應力耦合為指導運用ANSYS有限元分析軟件對模型進行熱分析、應力分析，以求得的溫度場施加到模型上得到了應力云圖，并綜合實驗及模擬結果認為，加入引氣劑對混凝土抗凍性能的提升具有顯著的效果，引氣劑的加入使得混凝土內部形成許多均勻密閉的細小氣泡，這些氣泡能夠抵消一部分孔隙間的壓力，從而改善混凝土凍融循環條件下的抗凍性。郜旭[25]利用分離式有限元模型和離散裂縫模型將混凝土分為骨料、砂漿、界面過渡區三部分，從混凝土的細觀損傷著手，研究由于凍融循環引起的凍脹變形、微裂縫等因素，對混凝土各部分宏觀力學性能造成的影響，再將已經受凍融循環的各部分組合到一起，進行整體凍融后宏觀力學性能的測定。由模擬結果得出裂縫的擴展將導致混凝土的非線性表現明顯增大的結論。大量試驗表明只要采取與實物試驗相匹配的建模和加載方式，數值模擬結果與實際試驗結果的擬合性較高，模擬結果的準確性可以保證。

4 結論

用數值模擬與試驗相結合的方式研究混凝土的凍融損傷和本構關系的優勢顯而易見，以試驗為基礎，通過數值模擬印證試驗結果，確保了試驗結論的準確性，也更容易從理論角度和微觀視角解釋試驗現象。但目前進行的混凝土凍融相關試驗及模擬大多僅關注凍融的循環次數，考查的參量也基本限于強度、質量或者動彈性模量損失，存在一定的弊病。這可能是由于受各類混凝土抗凍性耐久性試驗規范影響，以《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T 50082-2009）[26]為例，其規定混凝土抗凍等級確定的三個條件：一是相對動彈性模量下降到60%（即≤60%）；二是質量損失率不超過5%；三是凍融循環達到規定的次數。規范考慮的是試驗的實用性、普適性和可行性，在實際工程應用中使用這些標準去衡量混凝土的抗凍性確實已基本滿足要求，但可用于衡量混凝土抗凍性的指標卻不止上述三種，研究者應當從凍融破壞現象的實際出發，拓寬研究視野，如從微觀角度探討混凝土內部結構中氣泡的大小、分布、平均間距等對抗凍性能的影響；從界面力學的角度來研究改善粗骨料與水泥漿體間的過渡帶的力學性質對混凝土抗凍性的提升；或試驗試件尺寸大小對凍融作用的影響，探討凍融作用的影響范圍；或模擬大尺寸混凝土結構構件受凍融時強度衰減和應力的重分布情況；也可研究凍融時混凝土的聲發射和斷裂能特征。

綜上所述，在試驗過程中加入數值模擬的研究方法，為研究混凝土凍融破壞提供了極大的便利，但想進一步弄清混凝土凍融破壞的機理和相應的改善措施，仍需要從理論假說、模型構建到試驗驗證提出新的概念和方法。