淺談混凝土凍融研究現(xiàn)狀

劉 歡

(西安建筑科技大學(xué) 陜西 西安 710055)

引言

在混凝土耐久性的研究領(lǐng)域中，凍融作為混凝土破壞的主要原因之一，具有舉足輕重的地位，因此從上世紀(jì)40年代起，就備受各國學(xué)者的關(guān)注。各國學(xué)者也逐漸認(rèn)識(shí)到，凍融導(dǎo)致混凝土性能的劣化歸結(jié)到底還是力學(xué)性能的劣化，所以混凝土材料在凍融循環(huán)后力學(xué)性能劣化的研究層出不窮，同時(shí)取得了相當(dāng)可觀的進(jìn)展。遺憾的是，在混凝土凍融耐久性和混凝土構(gòu)件抗震性能交叉領(lǐng)域部分的研究卻鮮有報(bào)道。而僅僅利用混凝土材料凍融損傷后力學(xué)性能的研究成果難以完全準(zhǔn)確預(yù)測結(jié)構(gòu)構(gòu)件凍融損傷后力學(xué)性能的退化，因此有必要進(jìn)行凍融環(huán)境下混凝土構(gòu)件抗震性能的研究。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)因耐久性不足而損傷破壞，給世界各國人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成了重大損失。其中由凍融損傷所導(dǎo)致的混凝土力學(xué)性能退化問題，目前已得到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，亦取得了一定的研究進(jìn)展。

一、凍融對混凝土力學(xué)性能的影響

近年來，不少國內(nèi)學(xué)者致力于研究凍融后混凝土的力學(xué)性能，旨在為混凝土結(jié)構(gòu)的抗凍性研究奠定基礎(chǔ)。在凍融環(huán)境下，混凝土的力學(xué)性能，如抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度以及彈性模量、泊松比、剪切模量等，對混凝土結(jié)構(gòu)的影響起著至關(guān)重要的作用。

商懷帥、宋玉普等[1]研究了規(guī)定凍融循環(huán)次數(shù)的混凝土立方體試塊，如凍融方法，試件制作的過程中有無添加引氣劑等，得到結(jié)論:凍融循環(huán)后，普通混凝土單軸抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度均有明顯下降;凍融循環(huán)次數(shù)增加，普通混凝土單軸壓縮時(shí)峰值應(yīng)力點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)變值也隨之增加，單軸拉伸時(shí)峰值應(yīng)力點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)變值反而減小。

覃麗坤、宋玉普教授[2]研究了凍融循環(huán)次數(shù)不同時(shí)，混凝土在單軸應(yīng)力狀態(tài)和多軸應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度和變形性能試驗(yàn)。結(jié)果表明：隨著凍融次數(shù)的增加，混凝土主壓向的應(yīng)變明顯增加。

于琦[3]在數(shù)值計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上建立凍融環(huán)境下混凝土碳化深度預(yù)測模型。

祝進(jìn)鵬等[4]基于混凝土凍融試驗(yàn)和混凝土細(xì)觀力學(xué)研究了混凝土凍融后的力學(xué)性能變化，建立了混凝土隨凍融循環(huán)次數(shù)變化的強(qiáng)度折減模型和彈性模量折減模型。采用快速凍融方法對混凝土試件以及砂漿試件進(jìn)行100、200、300次的凍融循環(huán)，并檢測了凍融循環(huán)對海水中混凝土抗壓強(qiáng)度、彈性模量及應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的影響；對混凝土試件進(jìn)行了數(shù)值模擬，各組成相的材料性質(zhì)按照Weibull分布來賦值，以考慮各組成相的非均勻性，同時(shí)，砂漿的強(qiáng)度和彈性模量以砂漿凍融試驗(yàn)所得結(jié)果為準(zhǔn)，用來反映凍融對混凝土的影響。

洪錦祥[5]采用快凍法研究凍融作用對混凝土力學(xué)性能的影響，將混凝土鹽凍或水凍至不同損傷程度后，測其動(dòng)彈性模量、抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度，并用回歸分析的方法建立抗折強(qiáng)度衰減方程。

張延年[6]在室內(nèi)外自然狀態(tài)兩種情況下，對2d、3d、7d、15d、20d、28d不同齡期的C30混凝土立方體試塊，進(jìn)行了混凝土凍融試驗(yàn)機(jī)和冬季混凝土的研究。研究表明:在室內(nèi)20℃條件下，所有的混凝土立方體試塊均自然融化。

二、凍融對鋼筋與混凝土粘結(jié)性能的影響

冀曉東、宋玉普教授等[7]用中心拔出試驗(yàn)的方法對凍融循環(huán)試件的鋼筋與混凝土粘結(jié)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為劃分鋼筋混凝土粘結(jié)滑移曲線的依據(jù)。得出結(jié)論：凍融循環(huán)是破壞光圓鋼筋與混凝土界面間之間粘結(jié)力的原因，光圓鋼筋與混凝土之間粘結(jié)性能退化的主要原因是鋼筋和混凝土界面間的摩擦系數(shù)變化。

徐港[8]用240mm×150mm×1200mm梁式黏結(jié)試件，通過50次、75次、100次的快速凍融循環(huán)試驗(yàn)得出鹽凍循環(huán)作用對鋼筋混凝土黏結(jié)強(qiáng)度、黏結(jié)剛度，初始滑移值，極限滑移值，破壞形態(tài)等指標(biāo)影響規(guī)律的研究結(jié)果，并采用最小二乘法擬合得到鹽凍循環(huán)作用后的黏結(jié)滑移本構(gòu)方程。

三、多因素作用下抗凍性研究現(xiàn)狀

刁波等[9]通過快速凍融試驗(yàn)，對不同持續(xù)荷載作用在鋼筋混凝土梁、耦合凍融循環(huán)及梁在NaCl和Na2SO4混合侵蝕溶液交替作用下的力學(xué)性能進(jìn)行研究。

幕儒[10]研究了凍融與應(yīng)力共同作用下?lián)p傷，發(fā)現(xiàn)彎曲應(yīng)力會(huì)加速混凝土在凍融循環(huán)中的損傷速度，其對凍融循環(huán)過程中的重量損傷無明顯影響。同時(shí)，研究了凍融循環(huán)、除冰鹽與外部應(yīng)力三因素?fù)p傷。

黃鵬飛等[11]研究了鹽凍循環(huán)、鋼筋銹蝕與彎曲應(yīng)力協(xié)同作用下耐久性的實(shí)驗(yàn)，通過測量在損傷演變過程中鋼筋混凝土的動(dòng)彈性模量、鋼筋應(yīng)變以及混凝土應(yīng)變的變化，可較好地模擬在環(huán)境腐蝕與彎曲荷載協(xié)同作用下，工程實(shí)際中鋼筋混凝土梁構(gòu)件的損傷演變過程。

謝曉鵬等[12]通過快速凍融和碳化試驗(yàn)，測得混凝土凍融和碳化后的基本力學(xué)指標(biāo)，結(jié)果表明：加強(qiáng)了混凝土的密實(shí)性，其混凝土的力學(xué)性能受到抗壓、凍融循環(huán)的損傷，而其碳化劈拉強(qiáng)度，也在一定程度上得到提高。

對己有研究進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外研究有關(guān)凍融作用對混凝土性能影響的主要側(cè)重于靜載性能，很少涉及到動(dòng)載性能。此外，在已有研究中發(fā)現(xiàn)，大多注重研究凍融循環(huán)次數(shù)對混凝土性能的影響。然而，由于含氣量和水灰比的不同，混凝土抗凍性存在很大差異。受相同次數(shù)的凍融循環(huán)作用后，水灰比和含氣量不同的混凝土的損傷程度存在很大差異。