寒區(qū)水工混凝土凍融損傷及其防控研究進(jìn)展

蘇懷智，謝 威

(1.河海大學(xué)，水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，南京 210098；2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 210098)

0 引 言

在嚴(yán)寒地區(qū)，特別是高寒地區(qū)，周期交替變溫幅度非常大，使得凍融損傷成為混凝土壩、水閘等大體積水工混凝土結(jié)構(gòu)極難避免的問題。早在20世紀(jì)40年代，北歐和北美等寒冷地區(qū)的國家就已經(jīng)開始關(guān)注水工混凝土結(jié)構(gòu)的凍害問題。我國幅員遼闊，領(lǐng)土西至帕米爾高原，南北橫跨緯度近50°，其中部分地區(qū)仍處于高寒、嚴(yán)寒氣候，東北、西北氣溫年較差可達(dá)50 ℃，水工建筑物表面冬、夏最大溫差甚至超過70 ℃。正負(fù)溫循環(huán)荷載和濕度變化所引發(fā)的凍融應(yīng)力將會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)外裂縫，降低混凝土的強度和剛度，損傷混凝土結(jié)構(gòu)整體性、穩(wěn)定性和耐久性，甚至成為引發(fā)基礎(chǔ)貫穿性裂縫的誘因。經(jīng)統(tǒng)計，全國凍融侵蝕總面積達(dá)190.32萬km2，占國土面積19.83%[1-2]。從中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)統(tǒng)計(見表1)可以看出，以秦嶺—淮河一線為界的一月0 ℃等溫線以北，均可能存在凍融損傷，情況比較嚴(yán)重的依次為西藏、青海、黑龍江、新疆、甘肅等地，區(qū)域內(nèi)混凝土結(jié)構(gòu)普遍存在凍融風(fēng)險[3]。西藏日照時數(shù)較多，氣溫年凍融期較長，日較差很大，正負(fù)溫交替頻繁；青海鹽湖地區(qū)的鹽凍侵蝕劇烈；東北嚴(yán)寒地區(qū)氣溫年較差大，且年降水量多，也是極易產(chǎn)生凍融損傷的地區(qū)。

水工混凝土結(jié)構(gòu)的施工、運行過程構(gòu)成了一個與具體環(huán)境耦合的開放系統(tǒng)，其服役環(huán)境是一個超出結(jié)構(gòu)設(shè)計者控制范圍的重要外部因素。涉水混凝土工程在外部正負(fù)溫及力學(xué)荷載作用下，其性能還受到內(nèi)部復(fù)雜的物理化學(xué)過程控制，其損傷演化過程中所涉及到的時間、空間分布會跨越多個尺度量級。本文統(tǒng)計的凍融損傷案例中，極限低溫氣候、干濕循環(huán)條件、引氣劑摻量以及混凝土施工質(zhì)量是影響凍融損傷程度的直觀因素[4-6]。由于其作用的復(fù)雜性，很多學(xué)者嘗試通過數(shù)值模擬來揭示耦合作用下混凝土凍融過程及其損傷機理，并取得了階段性的成果。混凝土凍融數(shù)值模擬的重難點在于凍融本構(gòu)模型的建立、干濕循環(huán)及周期溫度邊界條件的加載，且需大量室內(nèi)及現(xiàn)場試驗支持，同時試驗的可靠性要受到材料水灰比、孔隙結(jié)構(gòu)、外加劑、凍結(jié)溫度及降溫速率以及設(shè)計工況變化等因素影響。

表1 我國典型地區(qū)氣溫及混凝土年凍融次數(shù)

現(xiàn)有關(guān)于寒區(qū)水工混凝土凍融的傳統(tǒng)研究，主要集中在凍融機理、影響因素、防治措施、靜動力特性及動力響應(yīng)等方面。其局限性主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)隨著大體積混凝土工程溫度控制領(lǐng)域發(fā)展，寒潮下混凝土的凍融分析也得到了相應(yīng)重視，但以往的研究多局限在宏觀溫控、結(jié)構(gòu)的整體應(yīng)力場及溫度裂縫分布，對凍融過程中濕-熱-力影響的研究分離。從微觀凍融機理到宏觀凍融損傷，局部壓力如何耦合作用于水泥基材料孔隙結(jié)構(gòu)，相變過程對孔隙結(jié)構(gòu)的影響，復(fù)雜荷載組合下大體積水工混凝土凍融損傷尺度及性能演化等，尚缺乏深入探索[7]。

(2)混凝土材料試驗研究中,研究人員考慮較多的是固定溫度周期、溫降速率及溫度降幅下混凝土構(gòu)件的短期凍融損傷，甚至忽略凍融過程中的回溫破壞階段。試驗方法及損傷評判標(biāo)準(zhǔn)固化，損傷識別技術(shù)所涉及的尺度單一。多數(shù)研究人員未考慮非周期性低溫持續(xù)作用情況下更全面長期細(xì)致的凍融試驗[8]。

(3)由于實驗室條件的限制和混凝土凍融問題的復(fù)雜性，需要對各種影響因素綜合考慮，存在試驗數(shù)據(jù)難以與現(xiàn)場工程實際運用匹配的問題。需利用當(dāng)今日益進(jìn)步的云數(shù)據(jù)采集、高速發(fā)展的計算機科學(xué)以及自動控制和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)實時獲取。

(4)要解釋混凝土材料中的凍融力學(xué)現(xiàn)象，需要建起一座聯(lián)系材料微觀物理化學(xué)變化和結(jié)構(gòu)宏觀可測應(yīng)變或應(yīng)力之間的橋梁，實現(xiàn)跨尺度凍融機理、損傷識別、試驗標(biāo)準(zhǔn)及數(shù)值模擬的統(tǒng)一的體系。因此，需利用好現(xiàn)有的損傷力學(xué)理論、劣化機理及已得到極大發(fā)展的計算能力等成果，在當(dāng)前日新月異的工程科學(xué)發(fā)展趨勢中，對工程在復(fù)雜環(huán)境和氣候條件下的劣化過程進(jìn)行從材料的選用到結(jié)構(gòu)的耐久性與整體性的設(shè)計，使得混凝土材料的凍融變形得以量化并與試驗結(jié)果做比較，從而對混凝土凍融損傷理論進(jìn)行實時更新，找到技術(shù)與工程之間新的結(jié)合和發(fā)展點，是減少基礎(chǔ)設(shè)施老化、降低成本的重要途徑，也是研究者急需面對的課題[9]。

1 水工混凝土凍融損傷典型工程實例

在寒冷地區(qū)，凍融循環(huán)損傷是混凝土壩這類大體積建筑物遇到的常規(guī)問題之一。20世紀(jì)80年代以前，一般工程未采取摻加引氣劑等抗凍措施，抗凍設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)偏低，加上施工質(zhì)量缺陷等原因，由溫度荷載導(dǎo)致的水冰循環(huán)凍融現(xiàn)象及其所引發(fā)的混凝土孔隙結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中與材料劣化問題，會隨著服役期延長不可避免地出現(xiàn)。水工混凝土因凍融過早失效情況較普遍，主要集中在我國東北、西北和華北地區(qū)，以東北地區(qū)最為嚴(yán)重，幾乎所有工程均存在局部或大面積凍融為主導(dǎo)因素的損傷，部分工程實際使用年限僅20～30年，遠(yuǎn)低于設(shè)計壽命，甚至華東地區(qū)的大量水工混凝土結(jié)構(gòu)也存在凍融損傷現(xiàn)象[4]。凍融危害表現(xiàn)為工程局部和整體服役性能衰退，加速裂縫發(fā)展，改變表面沖磨磨損條件，加劇滲漏溶蝕等，甚至發(fā)展為直接威脅到水庫大壩安全服役的病害。

本文研究對象主要是結(jié)構(gòu)中最易遭受凍融損傷的區(qū)域，比如水位變動區(qū)，包括上游正常蓄水位到洪水位、尾水位等，溢流面也是凍融病害發(fā)生的高危部位。表2列出了我國存在典型凍融損傷的混凝土壩。在我國第一次大規(guī)模水工混凝土建筑物病害普查的70余座大中小型工程中，存在凍融損傷問題的占到20%以上，嚴(yán)寒地區(qū)工程中出現(xiàn)凍融損傷比例則更高[10-11]。大量工程實例表明[10]，水工混凝土凍融損傷一般有兩種形式：(1)內(nèi)部開裂損傷主要是由于孔隙水反復(fù)結(jié)冰成核生長，并逐漸發(fā)展到整個孔隙網(wǎng)絡(luò)，對孔隙結(jié)構(gòu)造成的不可恢復(fù)損傷，通常表現(xiàn)為混凝土抗拉、抗壓強度或動彈性模量等重要力學(xué)參數(shù)的驟減；(2)損傷體現(xiàn)在混凝土材料表面，表現(xiàn)為剝蝕現(xiàn)象，一般不影響材料的抗壓強度或者動彈性模量(動彈性模量對混凝土內(nèi)部開裂損傷敏感，是表征凍融損傷的重要參數(shù))。

以調(diào)查中發(fā)現(xiàn)為例：

(1)東北的回龍山、豐滿、水豐、云峰等大壩工程所在地，從當(dāng)年十月份結(jié)冰到次年四月份逐漸解凍，年均冰凍期長達(dá)6個月。云峰重力壩年平均氣溫、最低日平均氣溫和瞬時最低氣溫分別為6.2 ℃、-32.6 ℃和-41 ℃，大壩年凍融循環(huán)次數(shù)為135次。1965年蓄水后壩體普遍滲漏，1974年到1996年期間因受凍脹作用影響，壩頂不可逆上抬8.4 mm，大壩上部整體性受到削弱。同處吉林省的豐滿重力壩在1963年的檢查中發(fā)現(xiàn)，上游迎水面水位變動區(qū)混凝土剝落深度10 cm以上的面積達(dá)到3 300 m2，部分剝落深度高達(dá)80～100 cm，下游面凍融凍脹面積6 600 m2，到1986年增至13 000 m2，幾乎遍及整個下游面，壩頂垂直位移上升40 mm以上，凍融凍脹損傷極其嚴(yán)重。

(2)西藏那曲地區(qū)的查龍水電站，多年平均氣溫只有0.2 ℃，由于日照時間長，一年之中晝夜溫差在15 ℃上的天數(shù)達(dá)140 d，幾乎全部為正負(fù)溫交替變化。最冷月平均氣溫為-13.8 ℃，極限最低氣溫達(dá)-41.2 ℃，且日溫差大，極限日溫差達(dá)30.6 ℃。年氣溫正負(fù)變化交替次數(shù)達(dá)187次，結(jié)凍厚度約達(dá)到1.0 m。由于受到凍融和高速水流的沖刷，溢洪道泄槽底板表面普遍存在混凝土剝蝕脫落，部分面板鋼筋露出，剝落深度達(dá) 8～15 cm，致使止水帶暴露,局部混凝土有滲水結(jié)冰現(xiàn)象，其中隧洞出口處泄槽左側(cè)邊墻凍融損傷嚴(yán)重。

(3)磨子潭支墩壩和大黑汀水庫地處華北地區(qū)。磨子潭大壩迎水面水位變化區(qū)受凍融損傷嚴(yán)重，混凝土表面大面積露出石子，存在超過20 mm剝蝕深坑，發(fā)電進(jìn)水口閘門支撐柱破壞更為嚴(yán)重，表面混凝土捻之即碎。大黑汀水庫冰凍期為當(dāng)年十二月份到次年三月份，冰凍期多年月平均氣溫-7 ℃，每年凍融循環(huán)次數(shù)可達(dá)80～100次，氣溫變幅屬于日正負(fù)交替狀態(tài)。由于閘門漏水嚴(yán)重、部分溢流壩段橫縫和瀝青井止水失效，使溢流壩面長期處于飽水狀態(tài)。挑流鼻坎最大磨蝕深度達(dá)30 cm，平均磨蝕深度20 cm，磨蝕面積3 524 m2，局部鋼筋全部暴露、銹蝕，混凝土崩塌，粗骨料松散堆積。遭受凍融損傷后，二次水化反應(yīng)生成鈣礬石使得混凝土膨脹進(jìn)一步擴(kuò)展微裂縫，加速混凝土碳化和沖磨破壞。

(4)劉家峽重力壩地處西北高原黃河干流上，壩址區(qū)屬寒冷地區(qū)，春季多雨，年平均凍融循環(huán)次數(shù)約50次，氣溫變化大，冬季月平均最低氣溫為-9.8 ℃，氣溫最大日變幅為30.2 ℃，最大風(fēng)速達(dá)14.3 m/s。為了防止混凝土凍融損傷，大壩上游水位變動區(qū)抗凍設(shè)計標(biāo)號定為F150，下游定為F100。對水泥品種及混凝土澆筑工藝提出了明確要求，以減少施工質(zhì)量導(dǎo)致的初始裂縫，避免惡化凍融損傷初始條件。雖然采用了骨料預(yù)冷，澆筑時間、澆筑層厚度、相鄰塊澆筑高差限制等措施，大壩蓄水運行后，下游面施工縫仍然出現(xiàn)滲水，工程先后采用水泥砂漿和化學(xué)材料灌漿等方法進(jìn)行修補，均未能有效止漏，隨凍融次數(shù)和混凝土飽水度增加，下游面凍融凍脹部位逐漸增多，損傷程度與滲水嚴(yán)重程度密切相關(guān)，存在大面積的表面疏松麻面和砂漿剝落，最大破壞深度達(dá)4 cm。

表2 大壩混凝土凍融情況統(tǒng)計表

截至2019年3月，水利部公布全國大型水庫大壩679座[12]。混凝土壩仍然是高緯度寒冷地區(qū)大、中型水電站的主要壩型，區(qū)域內(nèi)大部分蓄水運行工程，從初次蓄水至2020年，持續(xù)運行時間已達(dá)50～60年，最長已達(dá)80年。不論從老化狀況或工程壽命上來講，都已經(jīng)進(jìn)入了老化階段，其凍融損傷情況、承載能力和運行狀況都必須加以關(guān)注。凍融作為高寒地區(qū)的主要老化損傷問題應(yīng)得到足夠重視。

2 水工混凝土凍融損傷機理及試驗方法

混凝土凍融機理研究始于20世紀(jì)30年代，截至目前，各國學(xué)者對混凝土在凍融過程中的性能退化已經(jīng)有了深刻認(rèn)識，對與混凝土凍融損傷相關(guān)的各種因素(如含氣量、氣孔間距、臨界飽水度、水灰比、凍融速率等)的研究取得了長足進(jìn)展，根據(jù)得到的試驗成果，形成了諸多凍融損傷理論。雖然難以解釋所有現(xiàn)象，但明確顯示出凍融所造成的損傷與冰晶擴(kuò)展及孔隙內(nèi)液態(tài)水轉(zhuǎn)移引起的內(nèi)部壓力有關(guān)。在一定的凍融循環(huán)次數(shù)條件下，水工混凝土凍融損傷嚴(yán)重程度和復(fù)雜性取決于熱力學(xué)邊界條件、材料水飽和度及孔隙結(jié)構(gòu)特征及分布。

2.1 混凝土孔隙拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

自1934年在美國堪薩斯州與紐約州道路工程施工中使用引氣混凝土開始，在混凝土材料中利用引入的有效氣泡提高其抗凍性，至今已接近百年歷史。作為混凝土抗凍性的早期研究者，1949年P(guān)owers和Willis[13]定量地研究了水泥石的抗凍性與氣孔間隔距離關(guān)系。1953年P(guān)owers等[14]根據(jù)達(dá)西定律以及水結(jié)冰導(dǎo)致體積增加的現(xiàn)象提出了靜水壓理論，進(jìn)一步明確提出應(yīng)依據(jù)氣孔間隔系數(shù)來設(shè)計和控制引氣混凝土的抗凍性。20世紀(jì)50年代初建設(shè)天津新港期間，發(fā)現(xiàn)混凝土受到反復(fù)凍融作用后會發(fā)生剝落現(xiàn)象，經(jīng)吳中偉院士團(tuán)隊的介紹和研究，很快開發(fā)出松香熱聚物作為引氣劑，應(yīng)用在天津新港、梅山與佛子嶺水庫等工程中，并在國內(nèi)許多港工和水利工程中獲得日益廣泛的認(rèn)可[15]。

水泥基材料水化后的孔隙結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是影響混凝土抗凍能力的最主要內(nèi)部因素，是水化過程的必然產(chǎn)物，孔隙的尺寸數(shù)量、間距分布和孔形等，會因產(chǎn)生原因和條件不同而變化，主要受到混凝土水灰比、外加劑、養(yǎng)護(hù)條件和施工質(zhì)量的影響，從而導(dǎo)致材料滲透性能及凍融溢出距離不同，其對凍融邊界條件的影響主要表現(xiàn)為凍脹作用和過冷凝結(jié)。

(1)毛細(xì)孔孔隙率越大越易形成連通的毛細(xì)孔體系，產(chǎn)生凍脹壓力和滲透壓力。孔隙水凍結(jié)鋒面處的水結(jié)冰時會釋放熱能，使其周圍的水獲得轉(zhuǎn)移的潛能，加上冰表面的分子鍵遠(yuǎn)遠(yuǎn)強于自由水的分子鍵，使水分向凍結(jié)鋒面遷移，形成滲透壓力。

圖1 水的冰點和沸點隨壓強變化

(2)水在一定過冷度下結(jié)冰，其成核和生長速度非常快，可以導(dǎo)致較大的體積膨脹，當(dāng)溫度降低到-5 ℃時，靜水壓力可達(dá)6.0 MPa，使得孔隙水冰點降低，孔隙中冰量迅速增加。在混凝土凍融循環(huán)試驗及數(shù)值模擬過程中，段安[8]研究發(fā)現(xiàn)，水灰比為0.4的混凝土試件，在降溫速率為10 ℃·h-1時的凍結(jié)過程中，其中心面孔隙水壓力最大可達(dá)到113 MPa。

由此可見，高飽水度混凝土承受一定次數(shù)的凍融循環(huán)時，其毛細(xì)孔壁將同時承受膨脹壓力和滲透壓力。當(dāng)局部應(yīng)力超過混凝土的抗拉強度時，混凝土開裂。混凝土孔隙分布及成因如表3所示[16]。除了因施工帶入的較大氣孔內(nèi)的自由水外，混凝土中還存在冰點在零度以下的其他形式水分。其中毛細(xì)水屬壓力水，凝固有過冷的特點，壓力越大，冰點越低，大概在-3～-4 ℃；膠凝水冰點很低，大概在-80 ℃左右，具有吸附水的性質(zhì)，在自然條件下屬于不可凍水[17-19]。水的相變狀態(tài)主要由溫度與氣壓控制，如圖1所示。

表3 混凝土孔隙分布及成因[16]

孔隙可以作為低溫泵，在形成冰晶體的同時，容納并吸引微孔中的液態(tài)水，以釋放孔隙壓力，起到了增強硬化漿體性能的作用。摻加優(yōu)質(zhì)引氣劑，在制備過程中引入有效氣泡，是目前公認(rèn)的提高混凝土抗凍性能，使其免受凍融循環(huán)破壞的有效措施。但引氣混凝土施工過程中，一般會碰到兩類問題：(1)混凝土材料在不摻引氣劑情況下，本身含有約1.5%的氣泡，混凝土仍不抗凍[20]。這是因為氣泡體積和位置多數(shù)分布不均勻，使得氣泡間距不穩(wěn)定，有效氣泡應(yīng)為一系列分布均勻、細(xì)小、球形或者接近球形的氣泡。(2)試驗中發(fā)現(xiàn)，摻加引氣劑同時會降低混凝土的初始抗壓強度。與半干硬性和塑性混凝土的抗凍性能的顯著提升相比，在干硬性混凝土中加入引氣劑無法引入足夠數(shù)量的有效氣泡。這是由于在一定范圍內(nèi)，引氣劑的效果會隨著坍落度和水灰比提高而增強[21]。

這意味著在利用引氣劑提升抗凍性能的同時，因為更高的水灰比產(chǎn)生不均勻收縮裂縫的可能性也將增大。因此，工程實踐中應(yīng)嚴(yán)格控制施工流程，保證引氣質(zhì)量。在考慮使用引氣劑增強混凝土抗凍性能時，應(yīng)考慮合理的配合比，降低收縮裂縫的危害性。在保證混凝土強度前提下，綜合考慮寒區(qū)混凝土收縮裂縫和凍融損傷兩個因素，適當(dāng)使用引氣技術(shù)，才能真正滿足工程結(jié)構(gòu)的正常使用，也是解決有抗凍要求的工程結(jié)構(gòu)耐久性問題的前提。

2.2 混凝土凍融損傷理論

水工混凝土的主要老化病害類型中，其損傷機理直接與水、混凝土相互作用有關(guān)的包括：滲漏溶蝕、沖磨破壞、凍融損傷及水質(zhì)侵蝕等。區(qū)別于其他病害，寒區(qū)水工結(jié)構(gòu)的凍融損傷在時空分布上具有更明顯的特征。從材料制備時的水化反應(yīng)開始，正負(fù)溫變化在時間軸上的頻繁反復(fù)作用始終貫穿于大壩施工與運行全過程，表現(xiàn)為水冰相變過程、水泥基材料孔隙結(jié)構(gòu)及各尺度熱-力學(xué)性能之間的相互影響和反饋，是寒區(qū)水工混凝土研究中不可回避的問題。

2.2.1 經(jīng)典凍融損傷理論

幾乎對所有的多孔材料，其凍融損傷都存在一個極限飽水度，也從側(cè)面證實經(jīng)典理論的合理性，成為結(jié)晶壓理論和微冰晶理論的基礎(chǔ)。對水泥基多孔材料，混凝土的極限飽水度，取值在0.7～0.9[22]。凍融過程中，當(dāng)環(huán)境溫度下降時，由于熱傳導(dǎo)原因，混凝土構(gòu)件外部溫度變化相較于內(nèi)部要更加敏感，這種滯后特性引發(fā)材料內(nèi)外溫差，并將對不同線膨脹系數(shù)的骨料、砂漿產(chǎn)生影響，是此階段損傷的主要因素。溫度降低到0 ℃以下，表面大孔隙開始結(jié)冰，由于混凝土飽水程度不同和水冰相變過程中9%體積增長的影響，會在孔隙中產(chǎn)生不同程度的靜水壓力，同時伴隨冰晶體形成產(chǎn)生約2 500 kg/m2的冰脹應(yīng)力。靜水壓力隨著持續(xù)結(jié)冰過程增大，當(dāng)超過混凝土抗拉強度時引發(fā)破壞，此過程由外而內(nèi)，逐步深入混凝土。降溫過程繼續(xù)，毛細(xì)水開始結(jié)冰，部分孔隙冰氫鍵在高壓之下斷裂，使得部分冰在零下低溫環(huán)境融化，冰點降低。與此同時，由于冰的熱膨脹系數(shù)1.59×10-4K-1，遠(yuǎn)大于水泥基材料體積膨脹系數(shù)3×10-5K-1(-10 ℃)[14]，冷縮使得結(jié)冰量繼續(xù)增加，高壓區(qū)冰晶體融化向低壓區(qū)遷移，此時內(nèi)部會產(chǎn)生負(fù)壓破壞；同樣因為膨脹系數(shù)的差異，使得溫升階段內(nèi)部孔隙應(yīng)力更大，融化過程產(chǎn)生的負(fù)壓也使混凝土新?lián)p傷得到充足的水分供給，增加混凝土飽水程度。經(jīng)歷凍融循環(huán)，正負(fù)壓力周期變化并共存于混凝土內(nèi)部，致使水泥基膠凝體系與骨料間過渡界面的粘結(jié)力也逐漸削弱，導(dǎo)致混凝土材料抗壓強度和動彈性模量不同程度的損失，對下一輪凍融循環(huán)產(chǎn)生更不利的影響。經(jīng)過多次凍融循環(huán)后，通常能肉眼觀察到混凝土表面的貫穿大裂紋，材料甚至完全破壞。

混凝土凍融破壞理論隨著隨混凝土的運用和認(rèn)識水平的提高，不斷有新的發(fā)展。經(jīng)典的混凝土凍融理論主要基于兩種原理：熱力學(xué)平衡和達(dá)西定理。

(1)基于達(dá)西定律的凍融理論，以Powers的靜水壓力理論和滲透壓理論最為經(jīng)典[13]。按照靜水壓和滲透壓假說理論，結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷主因是結(jié)冰引發(fā)的體積膨脹和溶質(zhì)析出，導(dǎo)致空間壓縮和水遷移壓力(見圖2(a))。一般認(rèn)為，水灰比大、強度低以及齡期較短、水化程度較小的混凝土，凍融損傷主要來源于靜水壓力；對水灰比較小、強度較高混凝土或處于含鹽水環(huán)境下，凍結(jié)引起的損傷主要來自滲透壓力。

(2)基于熱力學(xué)平衡理論，以Setzer的微冰晶理論[23]和Scherer的結(jié)晶壓理論為代表[24]。Setzer著眼于微冰晶體對熱和水的轉(zhuǎn)換及傳輸作用，認(rèn)為構(gòu)件孔隙中自由水的化學(xué)勢相較冰晶體更高，孔隙水趨向于冰晶體遷移，從而提升孔隙內(nèi)部飽和度，增加凍融風(fēng)險；結(jié)晶壓理論著眼于冰水界面曲率與孔隙界面曲率不同而導(dǎo)致的壓力差，這個壓力差由材料彌補，從而產(chǎn)生材料內(nèi)部應(yīng)力(見圖2(b))。這兩種理論解釋了自然界中常見的部分凍脹損傷及引氣混凝土低溫下持續(xù)收縮現(xiàn)象。

圖2 靜水壓理論及微冰晶理論原理示意圖

2.2.2 高強混凝土凍融損傷機理

高性能混凝土制備中將耐久性納入設(shè)計指標(biāo)，采用現(xiàn)代混凝土技術(shù)，在常規(guī)混凝土中摻入一定量的外加劑，以嚴(yán)格的質(zhì)量控制制備出滿足力學(xué)性能要求，且具有較高耐久性和良好工作性的混凝土。在工程實踐和室內(nèi)試驗中，高強混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，同時保證了低孔隙率和高強度。抗凍性能理應(yīng)較高，但常規(guī)環(huán)境下也被發(fā)現(xiàn)存在凍融損傷，一般將其損傷歸因于以下兩種：

(1)摻料和外加劑對混凝土抗凍性能產(chǎn)生負(fù)面影響。研究表明，粉煤灰和硅粉對氣泡具有吸附作用，其摻量和品質(zhì)會影響混凝土抗凍能力；為彌補單摻粉煤灰引起的混凝土抗凍性降低，需要調(diào)節(jié)混凝土微集料級配以控制內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，提高混凝土致密度和抗凍性能。同樣，適量聚丙烯纖維的摻入可以防止材料凍裂，但過大的摻量會弱化摻料與水泥漿之間過渡界面的強度，影響抗凍性能。

(2)混凝土多項夾雜體之間的不均勻膨脹。在20世紀(jì)90年代初提出的低周疲勞破壞理論[25]，理論認(rèn)為高強混凝土凍融損傷主要因為低周疲勞破壞，且伴隨逐步吸水過程。骨料與膠凝材料之間熱膨脹系數(shù)相差較大，在溫度大幅升降和正負(fù)循環(huán)作用下產(chǎn)生巨大變形而導(dǎo)致疲勞應(yīng)力破壞，并提出臨界飽水度，解釋了凍融損傷的漸進(jìn)演化特征。粘結(jié)剝落理論亦是以線膨脹協(xié)調(diào)性為基礎(chǔ)發(fā)展起來，部分解釋了凍融過程中混凝土表面剝蝕破壞機理。

但在試驗中發(fā)現(xiàn)[26]，C60高強混凝土相對于C80、C100，并沒有顯示足夠高的抗凍性。原因是C60凍融過程中主要是較大毛細(xì)孔破壞，更高強度混凝土中的凍融損傷則分布于小尺寸的毛細(xì)孔和膠凝孔。C80及以上的高強混凝土經(jīng)歷一定次數(shù)的凍融循環(huán)后，與動彈性模量損失及質(zhì)量損失程度相比，抗折強度降幅表現(xiàn)更為敏感。因此，高強混凝土抗凍融損傷控制指標(biāo)應(yīng)增加抗折強度。凍融損傷程度不僅取決于混凝土本身強度，更重要的因素是凍融過程中產(chǎn)生的孔隙應(yīng)力，而微觀機理層面的損傷是低周疲勞破壞理論難以解釋的。

2.2.3 基于孔隙力學(xué)的凍融損傷機理

水工混凝土的凍融損傷一般是在復(fù)雜環(huán)境荷載的耦合作用下，孔隙應(yīng)力高于材料強度而導(dǎo)致的。研究解決凍融過程中各因素產(chǎn)生的耦合應(yīng)力作用于孔隙結(jié)構(gòu)的機理，才是揭示混凝土內(nèi)部凍融損傷本質(zhì)的根本。孔隙結(jié)構(gòu)及其分布是決定水環(huán)境下混凝土凍融耐久性的關(guān)鍵，作為一種微觀層面的非均質(zhì)性材料，水泥漿體由不規(guī)則的摻和劑及各種水化產(chǎn)物和殘余孔隙組成，形成了跨越7個數(shù)量級(1～107nm)分布的混凝土孔隙中微觀尺寸部分。夾雜體與水泥漿體的孔隙結(jié)構(gòu)之間存在明顯差異，且大顆粒夾雜體周邊會形成水膜，導(dǎo)致界面過渡區(qū)的水灰比明顯高于平均值，成為孔隙分布的薄弱環(huán)節(jié)。孔隙介質(zhì)力學(xué)在多孔材料領(lǐng)域已得到普遍運用，是將材料微觀劣化演化機理和宏觀可測變量有效聯(lián)系起來的橋梁[9]。孔隙介質(zhì)力學(xué)在水工混凝土凍融領(lǐng)域的應(yīng)用難點主要體現(xiàn)為以下兩點：

(1)需探索一種獲取可靠簡易的混凝土微觀結(jié)構(gòu)和孔隙結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)表征方法，這包括微觀水化模型夾雜體系的構(gòu)建、跨尺度力學(xué)傳遞原理，以及混凝土結(jié)構(gòu)宏觀力學(xué)性能的一套均勻化理論。為完善凍融等多因素耦合作用下，代表性體積單元(RVE)孔隙結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布及應(yīng)變反饋研究，建立堅實可靠的基礎(chǔ)。

(2)建立一套混凝土凍融過程控制方程，完成凍融過程中孔隙結(jié)構(gòu)內(nèi)孔隙水壓力與結(jié)冰量、液體傳輸和基體變形現(xiàn)象之間的耦合關(guān)系描述，并在凍融過程混凝土結(jié)構(gòu)溫度場的基礎(chǔ)上，分析多孔材料凍結(jié)后體應(yīng)變數(shù)值變化規(guī)律。實踐經(jīng)驗表明，有限單元法可以將溫度、應(yīng)力及滲流場納入一個統(tǒng)一程序進(jìn)行計算，并適應(yīng)復(fù)雜的不規(guī)則邊界條件，比較合適三維結(jié)構(gòu)在耦合場作用下的復(fù)雜工況計算。

具體研究方法可以參考滲流控制方程研究水分的浸入路徑及儲水狀態(tài)，利用熱傳導(dǎo)方程模擬氣溫變化下熱量對孔隙水分的物理作用，分析水相變過程中與孔隙內(nèi)部協(xié)同熱傳遞過程，通過物理力學(xué)方程求解三相孔隙結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。研究孔隙結(jié)構(gòu)對熱力學(xué)邊界的反饋和凍融損傷機理，探討不同孔隙結(jié)構(gòu)下水分運移的巨大差異，可以優(yōu)化不同工況下混凝土配合比設(shè)計，有助于尋找可行的措施來降低混凝土凍融損傷，研發(fā)新型引氣劑和引氣混凝土等。主要凍融模型的優(yōu)缺點列于表4[13，22，27-28]。可以看出，孔隙溶液結(jié)冰過程中所引起壓力來源可能為靜水壓力、結(jié)晶壓力、孔隙水熱膨脹及冰熱膨脹等，靜水壓和滲透壓假說較為成功地解釋了混凝土凍融損傷，但即使是經(jīng)典模型和理論也存在諸多不足，大多專注于由孔隙水結(jié)冰產(chǎn)生的相關(guān)壓力，難以解決這些局部壓力耦合后作用于孔隙結(jié)構(gòu)及孔隙結(jié)構(gòu)對相變過程的反饋問題，因而解釋凍融過程中所有損傷現(xiàn)象不應(yīng)只局限于現(xiàn)有單一的模型或理論。

表4 凍融損傷模型所對應(yīng)的損傷形態(tài)以及優(yōu)缺點[13,22,27-28]

近年來，許多專家和學(xué)者認(rèn)為損傷力學(xué)比較適合于混凝土凍融損傷研究。混凝土中存在的原始孔隙結(jié)構(gòu)可以看作初始損傷，隨著凍融循環(huán)次數(shù)逐漸增加，初始裂紋擴(kuò)展并產(chǎn)生新的裂紋最終裂紋不斷發(fā)展形成宏觀裂縫，正好與損傷發(fā)生發(fā)展累積過程的規(guī)律相吻合，凍融循環(huán)后混凝土細(xì)觀分析也證實了這一點。研究水工混凝土凍融機理的實質(zhì)是研究水-混凝土相互作用，而非僅僅是水結(jié)冰對混凝土的影響，凍融損傷具有的循環(huán)演變特性是有別于其他荷載及老化損傷的。正因為其損傷形式的復(fù)雜性，凍融損傷研究方法本身可以拓展到其他損傷研究領(lǐng)域。通過施工期凍融損傷研究了解混凝土水化反應(yīng)，可以對混凝土作為多孔介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)的特性形成更深入理解，促進(jìn)混凝土本構(gòu)建立和發(fā)展，為其他老化研究做參考；通過對運行期凍融損傷過程的研究，可以為混凝土配合比設(shè)計提供反饋信息，并推導(dǎo)各場耦合作用下混凝土性能演化過程；而對老化期凍融損傷的研究能促進(jìn)混凝土劣化狀態(tài)下二次損傷以及補強加固效果評價研究。

2.3 混凝土凍融試驗方法

對水工混凝土的凍融損傷研究，是了解寒區(qū)水工建筑物的運行狀態(tài)、判斷結(jié)構(gòu)服役壽命的一種重要途徑，其實質(zhì)就是對已建成水工建筑物進(jìn)行凍融試驗、損傷檢測及耐久性評估。混凝土抗凍性能與材料自身的性能息息相關(guān)，試驗研究需考慮到材料的強度、抗?jié)B性能、孔隙致密度、平均氣泡間距、溢出距離、外加劑等，與施工質(zhì)量和運行環(huán)境緊密聯(lián)系的水灰比、臨界飽水度、凍融介質(zhì)、受凍齡期、溫度變化速率、應(yīng)力狀態(tài)等,對混凝土抗凍性能影響較大的因素也應(yīng)納入抗凍性能試驗評價體系。

2.3.1 混凝土凍融試驗現(xiàn)行方法規(guī)范

試驗方法的建立依據(jù)是基于對混凝土凍融損傷過程的不同理解之上，在不同的國家和地區(qū)各有側(cè)重。目前，世界范圍內(nèi)主要存在的凍融試驗方法可以分為兩類：(1)以美國ASTM C666/C666M—2003《混凝土抗急速凍結(jié)溶解性能測試的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》為代表的快速凍融法；(2)以國際材料試驗協(xié)會的RILEM TC 176—IDC—2002《混凝土抗凍性試驗方法》為代表的CDF(毛細(xì)吸鹽及凍融試驗)鹽凍法。相關(guān)資料顯示[29-30]，ASTM C666/C666M—2003快凍法廣泛應(yīng)用于北美洲、亞洲，具有可重復(fù)性好，試驗效率高的特點。鹽凍法主要應(yīng)用于含鹽量較大的寒冷服役環(huán)境，由于氣候、地理位置原因，以及考慮到除冰鹽的廣泛使用，歐洲國家對混凝土結(jié)構(gòu)的使用環(huán)境及抗凍性的分類和要求都更加嚴(yán)格，更多采用鹽凍法進(jìn)行試驗。這對我國北方地區(qū)的海港建筑等遭受到的鹽凍破壞具有啟發(fā)意義。另外，俄羅斯的混凝土凍融試驗是基于材料強度變化的試驗方法，通過測量立方體試件的強度損失來得到混凝土的抗凍性，而其中的快速法是用氯化鈉溶液代替水作為環(huán)境液體。我國凍融試驗方法發(fā)展也經(jīng)歷了兩個時期：

(1)20世紀(jì)50年代，我國引用前蘇聯(lián)混凝土抗凍融試驗和評定方法，并于1985年制定了GBJ 82—1985《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》，規(guī)定了快凍法和慢凍法的試驗標(biāo)準(zhǔn)，以混凝土試件質(zhì)量損失和抗壓強度降低作為抗凍性能評定指標(biāo)，但在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，東北、華北，甚至是東南地區(qū)的水工建筑物中，遭受凍融損傷的比例很大。1985年的水利工程普查中，凍融損傷率在大型水電工程中占到了21.9%，在小型閘壩工程中的比例則更高，達(dá)到了26%。調(diào)查結(jié)果說明[4]，慢凍法高估了寒區(qū)涉水工程混凝土的抗凍性能。

(2)我國現(xiàn)行的混凝土抗凍性試驗方法，借鑒美國ASTM C666/C666M—2003標(biāo)準(zhǔn)，以此修訂了CB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》、DL/T 5150—2001《水工混凝土試驗規(guī)程》、SL 352—2006《水工混凝土試驗規(guī)程》、JTJ 270—98《水運工程混凝土試驗規(guī)程》等凍融標(biāo)準(zhǔn)。以300次凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失和動彈性模量作為抗凍指標(biāo)，出于對試驗條件和我國的氣候條件考慮，SL 352—2006《水工混凝土試驗規(guī)程》中4.23～4.25 節(jié)的試驗方法[30]，在試件尺寸、試件齡期、凍融溫差，以及結(jié)束條件上都與美國標(biāo)準(zhǔn)有所不同。延長了試件初凍時齡期，并加入了相對動彈性模量進(jìn)行考量，對混凝土凍融損傷后的動力特性有了更清晰的認(rèn)識。在CB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》中，對單面凍融法，即鹽凍法，做了補充性規(guī)定，彌補了我國工程混凝土鹽凍破壞研究的不足。

2.3.2 混凝土凍融試驗輔助方法趨勢

從具體工程調(diào)研情況看，按照現(xiàn)有的混凝土試驗規(guī)程，仍不能滿足水工混凝土長期耐久性的要求，究其原因，在于單一的凍融因素不能構(gòu)成完整的水工混凝土服役環(huán)境，單一的評價標(biāo)準(zhǔn)不足以全面描述混凝土凍融損傷，對水工混凝土凍融性能試驗研究及檢測仍以滿足工程需求為目的。其不足主要表現(xiàn)在以下三個方面：

(1)對于現(xiàn)場凍融環(huán)境和室內(nèi)凍融環(huán)境間的巨大差異，大量標(biāo)準(zhǔn)凍融試驗數(shù)據(jù)難以直接應(yīng)用于現(xiàn)場混凝土凍融耐久性預(yù)測。李金玉[4]、宋玉普[31]等基于快凍法對混凝土凍融損傷性能展開了深入研究，使得正負(fù)溫變化對混凝土凍融破壞力的估計更接近實際工程損傷情況；劉西拉、唐光普[32]提出現(xiàn)場凍融的等效室內(nèi)凍融循環(huán)次數(shù)公式，雖然在試驗手段、標(biāo)準(zhǔn)上有所不同，預(yù)測精度上有了提升，但依舊沒有改變其利用數(shù)學(xué)方法擬合數(shù)據(jù)，迎合工程實際的本質(zhì)。對此種現(xiàn)象，設(shè)計施工單位需對實驗室數(shù)據(jù)的參考價值加以審視，而研究者應(yīng)加緊推進(jìn)試驗標(biāo)準(zhǔn)的更新進(jìn)程[33-34]。

(2)簡化的試件模型無法體現(xiàn)真實的結(jié)構(gòu)運行工況，使得現(xiàn)行的試驗規(guī)范在評判水工混凝土凍融損傷方面難以持續(xù)推進(jìn)。宏觀性能試驗僅限于混凝土構(gòu)件凍融層面，凍融耐久性試驗多采用室內(nèi)特定邊界條件下的凍融循環(huán)，難以實現(xiàn)混凝土跨尺度全周期凍融耐久性試驗，以水工建筑物整體結(jié)構(gòu)的跨尺度模型為基礎(chǔ)，開展的凍融損傷研究目前還很少。

(3)現(xiàn)行凍融循環(huán)后混凝土性能的試驗研究，大多是以質(zhì)量與動彈性模量損失為標(biāo)準(zhǔn)，針對抗凍安全設(shè)計等級而展開，集中于凍融損傷影響因素分析。實際工程應(yīng)用中，最受關(guān)注的是凍融混凝土劣化及其性能演化過程，這直接關(guān)系到混凝土的服役年限及結(jié)構(gòu)安全。因此根據(jù)基本規(guī)范，建立混凝土凍融耐久性模型，通過試驗途徑研究水泥基材料在正負(fù)溫循環(huán)下的宏觀力學(xué)性能退化規(guī)律，提出混凝土材料性能演化理論或經(jīng)驗公式，指導(dǎo)寒區(qū)水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計及材料配比優(yōu)化設(shè)計，作為評價結(jié)構(gòu)耐久性的參考[35-37]，并預(yù)測其使用壽命。

隨著混凝土凍融耐久性研究的發(fā)展，在混凝土凍融損傷本構(gòu)方程和預(yù)測模型上亦取得了較多成果[38-39]。基于對混凝土凍融損傷機理和凍融循環(huán)下力學(xué)性能退化研究的不斷深入，由于這些研究層面的局限性存在，學(xué)者引進(jìn)了許多新型試驗方法用于凍融損傷機理研究。微細(xì)觀結(jié)構(gòu)重構(gòu)方法，包括掃描電子顯微鏡(SEM)技術(shù)、X射線斷層成像法(CT)、背散射電子成像(BSEI)技術(shù)等,被廣泛運用，更直觀、形象地呈現(xiàn)了混凝土凍融損傷演化過程[40-42]。對實驗室研究復(fù)雜耦合環(huán)境下邊界條件限制的問題，在細(xì)化試驗條件的同時，嘗試建立數(shù)字實驗室，使用數(shù)值模擬來輔助現(xiàn)場試驗和室內(nèi)試驗并完善其不足之處。利用當(dāng)今日益進(jìn)步的云數(shù)據(jù)采集、高速發(fā)展的計算機科學(xué)以及自動控制和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，適時推進(jìn)水工混凝土凍融多尺度數(shù)值模擬平臺，早日將數(shù)字實驗室模擬結(jié)果與室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗進(jìn)行合理融合，納入水工混凝土試驗規(guī)范參考標(biāo)準(zhǔn)。

3 水工混凝土凍融損傷識別

混凝土的凍融損傷是研究變溫場下孔隙結(jié)構(gòu)的水、熱耦合現(xiàn)象，需要足夠的儲水空間、較好的孔隙連通性以及足夠的水分參與。這些孔隙結(jié)構(gòu)將承受孔隙溶液凍融產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力反復(fù)作用，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部產(chǎn)生不可逆的微裂紋損傷，在持續(xù)的正負(fù)溫邊界作用下微裂紋損傷將不斷累積、擴(kuò)展到各尺度層面，應(yīng)力集中部位通常會表現(xiàn)出該尺度典型的局部化損傷特征，并造成相應(yīng)的性能退化，故應(yīng)對凍融過程中各尺度的損傷識別方法及損傷力學(xué)機制開展研究[43]。

3.1 混凝土損傷常規(guī)識別方法

寒區(qū)水工混凝土因其孔隙結(jié)構(gòu)及服役環(huán)境易受到凍融損傷，現(xiàn)階段我國針對混凝土壩老化病害檢測，編制了DB34/T 2290—2015《水利工程質(zhì)量檢測技術(shù)規(guī)程》、DL/T 5251—2010《水工混凝土建筑物病害檢測和評估技術(shù)規(guī)程》等各類技術(shù)規(guī)范，以指導(dǎo)與規(guī)范大壩安全檢測工作[44]。由于水工建筑混凝土一般存在斷面尺寸龐大，結(jié)構(gòu)設(shè)計較為復(fù)雜，以往水工混凝土建筑物的凍融損傷檢測主要以巡視檢查、原位監(jiān)測與現(xiàn)場檢測等手段為主，對所得的表面剝蝕、凍脹抬升量及凍融深度等數(shù)據(jù)資料進(jìn)行整理分析，評價混凝土凍融損傷程度并確定修補加固方案。僅憑現(xiàn)階段的評價標(biāo)準(zhǔn)并不能從機理層面對凍融損傷進(jìn)行針對性的預(yù)防措施制定，而損傷檢測往往需要借用其他行業(yè)或工程的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)實施水工混凝土安全檢測工作，針對性、適用性和檢測成果質(zhì)量也難以保證，無法為后期補強加固處理提供設(shè)計依據(jù)，這使得發(fā)展凍融損傷檢測新技術(shù)變得更為迫切[45]。

3.2 混凝土損傷多尺度識別方法

站在對混凝土建筑物系統(tǒng)認(rèn)知的角度，水工混凝土凍融損傷需重點關(guān)注不同空間尺度下力學(xué)特征、識別方法、凍融損傷評價等問題，以及損傷演化特征及發(fā)展規(guī)律的研究。近年來，損傷理論的研究熱點也逐漸由宏觀“連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)”向“細(xì)觀損傷力學(xué)”過渡。隨著損傷理論及識別方法和技術(shù)的發(fā)展，混凝土凍融檢測新方法、新技術(shù)設(shè)備的研發(fā)取得了快速發(fā)展，部分檢測新技術(shù)的應(yīng)用已初顯優(yōu)勢[46-47]。各個尺度下凍融損傷應(yīng)采用不同的識別方法和手段，各類多元、多層級損傷識別手段都存在各自識別能力的優(yōu)勢領(lǐng)域。損傷多尺度識別方法及表征如表5所示[48-49]。根據(jù)使用特點和不同尺度，識別方法主要包括以下三類：

(1)微觀層面的凍融損傷多采用SEM進(jìn)行識別，分析凍融過程中微結(jié)構(gòu)分布及初始損傷生成機理，為凍融損傷宏觀特征對比提供參照[50]；SEM技術(shù)應(yīng)用于細(xì)、微觀損傷的探測，具有顯著的優(yōu)勢，分辨率可達(dá)納米級別，可以對同一位置的損傷演化狀態(tài)從細(xì)觀尺度到微觀尺度進(jìn)行連續(xù)觀測。現(xiàn)階段SEM技術(shù)只是被運用到對特定微觀結(jié)構(gòu)凍融后表面損傷的定性描述，即：根據(jù)SEM照片對微裂紋(微孔隙)形態(tài)、組合形式、擴(kuò)展方向、擴(kuò)展過程、斷口形態(tài)及類別等信息進(jìn)行描述。

(2)局部細(xì)觀的凍融損傷采用以CT技術(shù)為主搭配核磁共振技術(shù)(NMR)，其實質(zhì)是利用反饋參數(shù)對孔隙流體賦存與運移過程進(jìn)行監(jiān)測，實現(xiàn)混凝土孔隙結(jié)構(gòu)與飽水狀態(tài)的雙重識別，明確損傷演化規(guī)律；CT技術(shù)和NMR技術(shù)廣泛用于細(xì)觀損傷特性及擴(kuò)展過程的識別，可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)任意斷面處細(xì)觀尺度至宏觀損傷的快速無損識別，在構(gòu)件無損情況下可實現(xiàn)同步掃描，定量獲取多參數(shù)結(jié)果。掃描設(shè)備與環(huán)境加載系統(tǒng)配套使用，可以避免試件在卸載后的裂縫閉合現(xiàn)象及多次測量中的定位偏差問題。

(3)宏觀的凍融損傷仍應(yīng)以原位測試為主，采用諸如力學(xué)性質(zhì)測試、聲發(fā)射、超聲、電阻率等手段對損傷進(jìn)行識別，進(jìn)行損傷定位及判斷凍融損傷程度，實現(xiàn)凍融損傷反饋控制。通過數(shù)字化分析技術(shù)和壓汞法測定混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，表明好的引氣劑可以極大提高混凝土抗凍耐久性。

表5 損傷多尺度識別方法及表征[48-49]

根據(jù)已有研究[51]，通過CT技術(shù)和NMR技術(shù)可以發(fā)現(xiàn)，對于孔隙率小、連通性差的多孔介質(zhì)，溫度變化速率對于材料的損傷程度影響較大；溫度變化幅度和凍融循環(huán)次數(shù)主要會對連通性較好的材料產(chǎn)生較大影響。凍融深度主要取決于環(huán)境溫度作用范圍。根據(jù)圖像處理結(jié)果，液態(tài)水凍結(jié)位置，即：損傷部位受孔隙結(jié)構(gòu)的尺寸和分布控制，造成了凍融損傷空間上的隨機性和局部化特征。

隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，計算機運算能力大幅提高，實時探測技術(shù)、圖像處理技術(shù)及代表性損傷單元(RVE)理論的快速發(fā)展。可以從以下三點對凍融損傷識別數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘：

(1)基于SEM照片得到微觀損傷特征，以孔隙率為媒介建立凍融微觀損傷與宏觀損傷的跨尺度聯(lián)系，促使定性分析結(jié)果逐漸向定量分析發(fā)展。

(2)基于NMR技術(shù)和CT技術(shù)，精準(zhǔn)識別混凝土凍融損傷過程中，多孔介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)水的相變和遷移現(xiàn)象，運用圖像處理技術(shù)(灰度直方圖技術(shù)、偽彩色增強、三值分割技術(shù)、邊緣檢測技術(shù)等)，對識別獲得的斷面損傷特征(CT數(shù)損傷指標(biāo)、力學(xué)參數(shù)、超聲信號、聲發(fā)射數(shù)等數(shù)據(jù))及數(shù)字圖像(電鏡掃描、CT掃描、核磁共振圖像等)，進(jìn)行各尺度損傷演化的定量分析，將掃描二維圖像進(jìn)行三維重構(gòu)，獲得混凝土孔隙結(jié)構(gòu)，提高損傷識別的精度。

(3)利用深度學(xué)習(xí)中深度信念網(wǎng)絡(luò)(deep belief networks)、卷積網(wǎng)絡(luò)(convolutional neural networks)等技術(shù)對損傷試驗圖像的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行自動化識別、提取和再處理。綜合運用多物理量、多尺度損傷定量識別方法，對獲得數(shù)據(jù)圖像進(jìn)行重構(gòu)處理，以實現(xiàn)水工結(jié)構(gòu)凍融過程損傷狀態(tài)的實時識別[50，52]。

隨著多尺度概念及方法引入，混凝土跨尺度凍融損傷評價方面的研究也逐漸成為熱點，在各尺度初始缺陷基礎(chǔ)上，利用微、細(xì)觀試驗觀測途徑對凍融混凝土進(jìn)行損傷識別，通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，直觀展示損傷的擴(kuò)展過程、確定損傷指標(biāo)定義，探索各尺度損傷對環(huán)境荷載及混凝土本身孔隙結(jié)構(gòu)的敏感性，并將細(xì)觀損傷變量表征形式引入宏觀力學(xué)損傷模型，建立宏-細(xì)觀損傷模型之間的聯(lián)系。總體而言，研究各空間尺度下混凝土凍融損傷識別，對混凝土凍融損傷力學(xué)特性多尺度展開分析，對全面了解凍融疲勞損傷將具有重要價值。

4 水工混凝土凍融過程數(shù)值模擬

現(xiàn)階段水工混凝土抗凍性能研究工作還存在諸多難以回避的問題。對宏觀性能退化的試驗研究，僅限于混凝土構(gòu)件凍融層面，室內(nèi)凍融耐久性試驗也難以實現(xiàn)水工結(jié)構(gòu)全尺度全周期的性能表現(xiàn)。有限單元法作為一種強大的數(shù)值計算方法，在工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，基于合適的數(shù)學(xué)模型和模擬方法，有望克服現(xiàn)場試驗的缺陷，實現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)整體性能在凍融條件下的演變過程模擬[53-54]。基于現(xiàn)有的數(shù)值計算能力，研究高寒地區(qū)混凝土壩凍融狀態(tài)下溫度場、應(yīng)力場的時空分布，利用對混凝土凍融過程的數(shù)值模擬來揭示凍融損傷機理，進(jìn)一步分析混凝土壩的裂縫成因和主要影響因素，從而提出有效的防裂措施，是十分必要的。

4.1 混凝土凍融數(shù)值模擬常規(guī)方法

凍融損傷的數(shù)值計算始于20世紀(jì)80年代，是基于熱力學(xué)原理和達(dá)西定律，建立在均勻性假設(shè)之上發(fā)展起來的概化計算方法。Olsen[55]為模擬水飽和狀態(tài)下混凝土的凍融過程，設(shè)計了考慮濕度、溫度以及孔隙壓力等因素影響的二維有限元模型；Bazant[56]、Penttala[57]等以多孔隙體系的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為基礎(chǔ)，考慮孔隙壓力與含水量關(guān)系，對混凝土試件中心及表面的相對濕度與溫度進(jìn)行試驗測定，并引入孔隙壓力與應(yīng)變和等效應(yīng)力關(guān)系，以及相變潛熱和水分?jǐn)U散等，但計算中所需參數(shù)多，與實際測量值相差大，并未在實際工程得到推廣，還需要進(jìn)一步地完善試驗和假設(shè)條件。Coussy等[58]將熱力學(xué)觀點引入了彈性孔隙理論中，提出了多孔材料的孔隙壓力、應(yīng)力應(yīng)變與溫度之間的關(guān)系表達(dá)式。從熱力學(xué)和彈性力學(xué)的角度，建立了用來計算混凝土凍融循環(huán)下應(yīng)力應(yīng)變理論值的數(shù)學(xué)模型。李守巨[59]、宋恩來[60]等在混凝土凍融損傷數(shù)值仿真方面做了必要的探索性工作。段安[8]以孔隙彈性力學(xué)和熱力學(xué)為基礎(chǔ)，考慮水結(jié)冰過程中相變潛熱，建立了模擬混凝土凍融過程的溫度-滲流-應(yīng)力三場耦合控制方程，利用Comsol Multiphysics有限元軟件，對幾個實例模型進(jìn)行降溫環(huán)境下凍結(jié)數(shù)值模擬分析，預(yù)測的受凍過程中飽和砂漿試件的溫度分布、孔隙壓力和變形模擬規(guī)律符合試驗結(jié)果。

混凝土材料本身具有不均勻性，絕對的連續(xù)材料只存在于宏觀尺度范圍內(nèi)假定的理想模型。這種不均勻性不僅表現(xiàn)在骨料和水泥砂漿兩種不同物質(zhì)之間的性能差異，從細(xì)觀角度來說，砂漿及更微觀層面的水化產(chǎn)物也呈現(xiàn)出一定程度的非均勻性。目前對于混凝土非均勻性的表征方法，往往都是基于宏觀層面探討混凝土構(gòu)件的平均性能，簡化考慮骨料和水泥砂漿材料之間的各向異性。根據(jù)組成材料的配比、空間形狀和排列規(guī)律，計算得到近似的宏觀平均性能，但是對混合夾雜材料的各向異性計算仍然較為困難[61]。后續(xù)發(fā)展的混凝土三維結(jié)構(gòu)重構(gòu)方法大概可以分為三類：

(1)物理試驗方法。物理試驗方法借助于SEM、CT、NMR等高分辨率儀器，獲取混凝土的切片或整體圖像，然后利用圖像處理技術(shù)得到三維多孔介質(zhì)模型。Du等[62]通過CT技術(shù)重建了具有內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)及各組分的三維細(xì)觀模型。

(2)圖像重構(gòu)方法。基于少量切片處理的二維圖像，采用數(shù)學(xué)方法重構(gòu)三維多孔介質(zhì)模型。基于統(tǒng)計意義上的連通性和各向異性，延伸出了包括高斯場法、模擬退火法、順序指示模擬法、過程模擬法、多點統(tǒng)計法等多種重構(gòu)方法[63]。

(3)數(shù)值投放方法。根據(jù)混凝土級配理論、實際組分、體積率等，建立粗骨料幾何模型，模擬骨料形狀，并用適當(dāng)?shù)耐斗潘惴ā?shù)值投放方法具有隨機性好，效率高，能更好地揭示混凝土內(nèi)損傷發(fā)展過程，并為細(xì)觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供建議和指導(dǎo)。經(jīng)過快速發(fā)展，數(shù)值投放方法由二維圓形骨料發(fā)展到三維隨機骨料模擬，為深入開展跨尺度模擬奠定了良好基礎(chǔ)，劉光廷[64]、馬懷發(fā)[65]等在混凝土三維細(xì)觀模型構(gòu)建方面做了最初的探索性工作。

從細(xì)觀非均勻性的層面來分析混凝土構(gòu)件通常會更加復(fù)雜，其中如何用數(shù)學(xué)語言對它的幾何形狀進(jìn)行描述，如何在細(xì)觀尺寸的范圍內(nèi)建立簡潔有效的混凝土構(gòu)件數(shù)值模型，如何處理界面過渡區(qū)的材料由于邊壁效應(yīng)導(dǎo)致的弱化及尺度間的力學(xué)參數(shù)傳遞問題等，都是目前亟待解決的課題[66]。

4.2 混凝土凍融數(shù)值模擬多尺度方法

目前國際上的多尺度分析技術(shù)和研究重點大都集中在高性能材料領(lǐng)域，應(yīng)用于復(fù)合材料性能的模擬上，涉及尺度量級從原子層次(10-9m)到結(jié)構(gòu)宏觀(103m)。水工混凝土凍融損傷過程同樣存在時間、空間層面同樣存在多尺度量級問題，但與此研究相關(guān)的參考文獻(xiàn)十分少見。現(xiàn)有的分析手段基本上還停留在單一場單一尺度下的理論分析，室內(nèi)及現(xiàn)場試驗研究上，忽略了不同時空尺度下結(jié)構(gòu)的物理響應(yīng)特征。具體研究內(nèi)容包括：微觀尺度下基于SEM、NMR技術(shù)的混凝土微結(jié)構(gòu)凍融損傷演化及評價；細(xì)觀尺度下基于孔隙水相變的凍脹損傷模型、熱力學(xué)平衡理論及水熱遷移模型；宏觀尺度下的凍融裂隙等效模型及凍融局部化損傷模型等。現(xiàn)階段所應(yīng)用的單一尺度獨立方法還沒有形成系統(tǒng)理論，仍存在一些需深入探討的難題:

(1)跨尺度之間幾乎不存在連續(xù)性。混凝土凍融損傷研究必然涉及材料結(jié)構(gòu)的跨尺度多物理場耦合問題，其中不同尺度中不同過程演化速率存在競爭關(guān)系。需尋求一種可靠方法，在獲取較大尺度信息的同時，盡可能保存較小尺度相關(guān)信息，使得各尺度物理性能參數(shù)統(tǒng)一于水工混凝土多尺度劣化演化模型，并能遞進(jìn)反映混凝土宏觀性能的變化，實現(xiàn)工程中對損傷到災(zāi)變的預(yù)測。

(2)各尺度模型模擬和預(yù)測的準(zhǔn)確性還需要進(jìn)一步驗證。實際工程中，建立在工程材料連續(xù)、各項同性等假設(shè)的基礎(chǔ)上，已存在一些針對性較強的多尺度模擬解決方案，但缺乏準(zhǔn)確性和普適性。由于微觀層面小尺度損傷演化的不確定性，不同結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的破壞可能呈現(xiàn)出顯著差異，存在隨機破壞的可能。

近年來，國內(nèi)學(xué)者在混凝土多尺度領(lǐng)域方法進(jìn)行了大量研究，2010年在北京召開了全國多尺度力學(xué)研討會，就多尺度力學(xué)模擬、多尺度力學(xué)試驗等問題展開討論，在隨后的2014、2016、2018屆國際多尺度巖土力學(xué)研討會議中，圍繞復(fù)雜物理場下巖土力學(xué)多尺度多場耦合基礎(chǔ)理論、試驗新方法、數(shù)值分析與仿真以及創(chuàng)新性工程應(yīng)用等方面展示了新近科研成果，并對目前面臨的挑戰(zhàn)和困難展開了討論，混凝土材料的宏觀性能與細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系研究也取得了一定進(jìn)展：

(1)混凝土水化模型及三維建構(gòu)。劉琳[50]、胡江[52]等根據(jù)國外學(xué)者提出的CHMHYD3D水化模型和HYMOSTRUC3D水化模型結(jié)合編程軟件，建立了不同理論模型下的混凝土細(xì)觀三維結(jié)構(gòu)，描述混凝土微觀水化過程的材料性能變化。其中考慮到骨料、水泥砂漿和界面等三種材料的單元材料特性截然不同，可以利用數(shù)值計算的方法，來模擬各種狀態(tài)量在混凝土試樣中隨各種條件影響而變化的過程，更為直觀、準(zhǔn)確地反映出混凝土試樣中各個狀態(tài)量之間的相互作用情況。

(2)多因素多場耦合作用下的多尺度模擬發(fā)展。多孔非均質(zhì)材料和跨尺度結(jié)構(gòu)的多尺度模擬和計算，是一個正在迅速發(fā)展的熱點與前沿研究領(lǐng)域。考慮空間和時間的跨尺度與跨層次特征，并將相關(guān)尺度耦合起來，在損傷分析表述過程中，充分兼顧宏觀尺度模型的高效性和微觀尺度模型的精確性，展示復(fù)雜工程項目中涉及的不同空間尺度中同時發(fā)生的各不相同的物理化學(xué)過程，東南大學(xué)孫偉[66]、李兆霞[67]團(tuán)隊在結(jié)構(gòu)多場耦合條件下的耐久性及損傷跨尺度演化方面進(jìn)行了長時間研究，并獲得大量成果。多相多態(tài)介質(zhì)耦合、多物理場耦合以及多尺度耦合分析等，是求解各種復(fù)雜的材料和工程問題的重要方法和技術(shù)。

(3)商業(yè)軟件在多尺度模擬中的運用。水工領(lǐng)域中常用的商業(yè)有限元軟件包括ABAQUS、MARC、ANSYS、ADINA等[68]。大部分軟件都為計算提供了二次開發(fā)接口，利用3D網(wǎng)格自適應(yīng)算法，根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)將網(wǎng)格細(xì)分，并植入耦合損傷有限元模型中，對混凝土構(gòu)件進(jìn)行跨尺度模擬計算，能在一定程度上實現(xiàn)多尺度多場耦合功能。COMSOL Multiphysics是一款以實現(xiàn)任意物理場耦合理念為目的的數(shù)值仿真軟件，區(qū)別于其他有限元軟件間接耦合功能，COMSOL是基于各物理場形成的PDE(偏微分方程組)建模求解非線性問題，可以將邏輯上完全不同的物理場耦合且不受數(shù)量限制，屬于直接耦合；材料屬性、邊界條件、載荷均支持獨立函數(shù)控制，并且具有獨立豐富的計算模型庫，可直接導(dǎo)入類似模型后進(jìn)行材料修改，節(jié)省建模時間[69]。

(4)成果展示平臺。現(xiàn)階段國內(nèi)外尚未建成專業(yè)的凍融損傷數(shù)據(jù)庫，已建數(shù)據(jù)庫多為混凝土耐久性數(shù)據(jù)庫的分支內(nèi)容，無法形成對凍融損傷全過程的完整咨詢服務(wù)。如美國NIST研發(fā)的混凝土耐久性數(shù)據(jù)庫、重慶大學(xué)研發(fā)的混凝土耐久性數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、中國建筑材料科學(xué)研究總院開發(fā)的高摻量輔助膠凝材料應(yīng)用優(yōu)化系統(tǒng)性能數(shù)據(jù)庫等。馬明軍等[70]開發(fā)的混凝土結(jié)構(gòu)凍融損傷數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫從混凝土組成、骨料信息、礦物摻合料信息、凍融環(huán)境作用、材料損傷、數(shù)據(jù)來源等六個方面，對凍融損傷進(jìn)行了統(tǒng)計和影響因素分析。熊勃勃[71]通過研發(fā)的質(zhì)點平衡方法，實現(xiàn)了初步自主產(chǎn)權(quán)的二維混凝土各尺度自動化建模與凍融損傷計算分析的可視化設(shè)計，提供了一種可行性辦法。

(5)數(shù)值模擬理論體系。目前對于材料細(xì)觀層面損傷對宏觀力學(xué)行為的影響研究，是工程優(yōu)化設(shè)計面對的實際問題。要抓住不同時空條件下材料或者系統(tǒng)的物理響應(yīng)特征，過濾出有用的微觀信息，并預(yù)測其性能或者使用壽命。這包含各個尺度從幾何建模到力學(xué)機理的理論貫通，各尺度得到結(jié)果的數(shù)據(jù)分析，掌握較小尺度的結(jié)構(gòu)與性能對材料或者系統(tǒng)宏觀行為的影響。

總體而言，凍融損傷數(shù)值模擬要深入到混凝土材料的微細(xì)觀層面，并擴(kuò)展到損傷演化的整個過程，其研究在很大程度上決定了混凝土凍融耐久性技術(shù)的應(yīng)用，影響進(jìn)一步理論研究的開展。因此以提高細(xì)觀有限元模擬效率為出發(fā)點，開發(fā)一套參數(shù)完整、計算精確、理論連續(xù)的水工混凝土凍融數(shù)值模擬技術(shù)具有重要意義。

5 水工混凝土凍融病害抑制與修復(fù)

水工建筑物混凝土的凍融損傷進(jìn)程一般比較緩慢，其服役性能應(yīng)充分考慮材料配合比設(shè)計、凍融環(huán)境影響、混凝土壽命預(yù)測、損傷狀態(tài)監(jiān)控、可修復(fù)性能和修復(fù)方法備案等[72]。由于同樣的邊界條件對不同建筑材料凍融損傷深度和危害范圍的差別非常大，故混凝土抗凍性能設(shè)計和可修復(fù)性能設(shè)計都應(yīng)根據(jù)水工建筑物的種類和凍融結(jié)構(gòu)部位的不同而做出適當(dāng)調(diào)整。

5.1 混凝土凍融損傷抑制方法

寒區(qū)水工混凝土建筑承受凍融循環(huán)次數(shù)多，尤其是水位變化區(qū)的混凝土易受凍融、凍脹損傷。抗凍設(shè)計是指在可預(yù)定服役環(huán)境及配合比形成的材料結(jié)構(gòu)的共同作用下，在設(shè)計服役年限內(nèi)抵抗氣候溫度急劇變化，而不喪失其安全性和適用性。在施工設(shè)計層面主要通過配合比設(shè)計，控制材料力學(xué)性能，提升抗凍耐久性等技術(shù)指標(biāo)，改善水工混凝土服役環(huán)境來實現(xiàn)。

(1)提升混凝土材料抗凍性能。混凝土制備過程中要控制水泥種類、水灰比、摻合料、骨料、外加劑種類、塑化劑、減水劑等，設(shè)計適當(dāng)配合比并使之滿足實際工程需求。對抗凍要求較高的部位，如嚴(yán)寒地區(qū)冬季水位變化區(qū)、溢流面、下游尾水墩等，提高混凝土抗凍標(biāo)號強化混凝土設(shè)計性能。加強超高抗凍性能混凝土研發(fā)，Magureanu[73]、An[74]、鞠彥忠[75]等對活性粉末混凝土(RPC)(立方體抗壓強度123～142 MPa)進(jìn)行凍融耐久性試驗研究發(fā)現(xiàn)，RPC在300 次凍融循環(huán)下，試件的抗壓強度和靜動彈性模量在經(jīng)歷凍融循環(huán)后都略微提高，其在凍融循環(huán)下的性能表現(xiàn)與常規(guī)混凝土試件完全不同。

(2)降低結(jié)構(gòu)整體飽水度。由于水工建筑物工作環(huán)境，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，孔隙中產(chǎn)生的結(jié)晶壓和水冰非平衡態(tài)導(dǎo)致水趨向材料內(nèi)部遷移，結(jié)構(gòu)整體飽水度提升。在實際工程中，要做好混凝土建筑周圍及內(nèi)部排水設(shè)施，增加壩頂和壩體排水系統(tǒng)通暢度，利用壩體不同高度位置的排水廊道、排水孔及時將滲水排出，降低混凝土材料飽水度，并采取適當(dāng)保溫措施保證伸縮縫、止水排水孔在低溫環(huán)境下處于正溫狀態(tài)，防止?jié)B水漏水凍結(jié)[76]。

(3)提升施工作業(yè)質(zhì)量。溢流面真空作業(yè)、表面防護(hù)保溫都是抑制混凝土材料凍融損傷的有效手段[72]。采用真空混凝土作業(yè)技術(shù)，壓實混凝土表面，降低表層含水量和氣泡率，提高混凝土密實性、抗凍性。

(4)加強工程運行中的管理、檢查觀測。凍融損傷發(fā)生后，明確損傷發(fā)生、發(fā)展的主要因素，分清其中的可消除因素，借助凍融損傷預(yù)測模型估算凍融損傷規(guī)模和發(fā)展速度，評估次生損傷對建筑物的適用性影響及危害程度。根據(jù)可修復(fù)性能設(shè)計和修復(fù)備案，選擇并制定修補方案，按照損傷的嚴(yán)重程度及必要性，對損傷部位采取相應(yīng)的整治和加固防護(hù)措施。

從理論試驗層面，主要通過理論或經(jīng)驗計算模型分析預(yù)測混凝土凍融損傷與溫度應(yīng)力隨溫度荷載變化的規(guī)律，對混凝土的抗凍設(shè)計進(jìn)行有效反饋。基于混凝土全壽命周期及損傷分階段設(shè)計理論[76]，根據(jù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的凍融損傷進(jìn)行可修復(fù)性能設(shè)計，在設(shè)計階段應(yīng)該考慮材料的可修復(fù)等級劃分，使結(jié)構(gòu)具備可修復(fù)性，從而優(yōu)化施工方案，在保證混凝土施工質(zhì)量和工程正常服役年限的前提下，考慮易損傷部件可替換性，降低維修量及維修費用，是對混凝土承載能力的一種儲備設(shè)計。選擇合適的工程原材料，降低工程成本，不斷開發(fā)出水工建筑和補修加固新材料、新技術(shù)，是水工混凝土試驗領(lǐng)域需長期重視的問題。金偉良[77]、武海榮[78]等對混凝土結(jié)構(gòu)中耐久性區(qū)域劃分進(jìn)行研究，基于氣候環(huán)境的影響程度對不同部位的水工混凝土進(jìn)行等級劃分，建立了混凝土在不同工況下相應(yīng)分區(qū)等級的抗凍性設(shè)計方案。

5.2 混凝土凍融損傷修復(fù)

由水利部修訂的SL 230—2005《混凝土壩養(yǎng)護(hù)修理規(guī)程》中8.4節(jié)凍融剝蝕修理方法，及附錄E中的水下修補技術(shù)可知，水工結(jié)構(gòu)所處環(huán)境復(fù)雜，損傷修復(fù)難度大，且維修期間的間接損失及修復(fù)代價巨大。修復(fù)施工工藝和修復(fù)材料的選擇應(yīng)提升標(biāo)準(zhǔn)，避免部分受凍融混凝土經(jīng)常面臨修復(fù)后仍然在短時間內(nèi)再次出現(xiàn)損傷的情況。損傷形式主要表現(xiàn)為：修復(fù)區(qū)材料開裂，新老混凝土膠結(jié)面粘結(jié)不牢、重新脫開。工程實踐修復(fù)案例中[80]，水工混凝土凍融損傷修復(fù)要經(jīng)歷鑿除、結(jié)合面處理、回填修補、養(yǎng)護(hù)等流程，對于已有凍融損傷混凝土，采用“鑿舊補新”原則進(jìn)行修補。

水工建筑凍融損傷修復(fù)材料需滿足一定的強度、凝結(jié)時間、粘結(jié)強度、低收縮、高耐久性的特點，根據(jù)修補材料類型、損傷修補效果，一般修復(fù)材料可分為三類：

(1)以水泥砂漿為基礎(chǔ)，加入各類外加劑提升混凝土抗凍性能，如硫鋁酸鹽水泥、磷酸鎂水泥、預(yù)縮水泥砂漿等，具有修補快、成本低、易施工等優(yōu)點，但性能提升有限，易發(fā)生二次損傷和新舊混凝土界面粘合問題，形成新的滲透路徑，加劇凍融過程，后期維護(hù)成本高。

(2)以有機材料為母材，采用工業(yè)合成方式生成的新型有機物材料，主要以環(huán)氧樹脂砂漿、丙乳硅粉砂漿、改性瀝青為主，具有粘結(jié)力強、耐久性與抗?jié)B性良好等優(yōu)點，常用于水工混凝土水下?lián)p傷修復(fù)，但材料昂貴，易老化。

(3)選擇水泥基滲透結(jié)晶型材料作為界面增強劑，能使新老混凝土界面中生成枝蔓狀結(jié)晶，加強界面的粘結(jié)力。研究表明，4 h內(nèi)界面增強劑的粘結(jié)強度可達(dá)2.8 MPa，3 d的抗折強度可達(dá)7.3 MPa，收縮量小，具有良好的耐磨性和抗凍性能[79]。

學(xué)者利用新型技術(shù)和理論改良修補材料，研制出了鋼纖維混凝土、聚丙烯纖維摻料等，能夠極大程度增加修補后的強度、抗?jié)B性和耐久性。研究發(fā)現(xiàn)，在修復(fù)混凝土中加入一定量均勻分布的纖維或水泥基結(jié)晶材料后，混凝土抗拉強度和抗凍能力得到顯著提升，這可能是由于纖維的加強筋作用，或是混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)變化的原因。為了有效避免凍害發(fā)生，應(yīng)根據(jù)凍融損傷程度和修補材料，謹(jǐn)慎選擇施工時間及作業(yè)方法，確保養(yǎng)護(hù)條件，充分發(fā)揮修補加固材料性能，避免使用親水性修復(fù)材料。

6 發(fā)展趨勢和亟待解決的問題

目前，國內(nèi)外研究學(xué)者在混凝土凍融損傷機理及工程凍害分析方面已經(jīng)取得了諸多成果，但尚有較多研究課題還有待深入探索和完善。凍融損傷研究集損傷機理、損傷識別技術(shù)、跨尺度表征方法、全周期數(shù)值模擬、實時監(jiān)測與補強加固方法等于一體，屬于各部分之間相輔相成的系統(tǒng)性研究，也對未來的研究工作提出了全新挑戰(zhàn)。

(1)根據(jù)高寒地區(qū)水工混凝土實際服役狀態(tài)可知，凍融損傷發(fā)生在多因素耦合影響下的正負(fù)溫度周期荷載工況，超高孔隙應(yīng)力是材料損傷的真實原因。混凝土凍融損傷機理研究，是在對損傷及其多尺度演化過程進(jìn)行有效識別基礎(chǔ)上，研究混凝土材料對復(fù)雜服役環(huán)境下的多場耦合(溫度場、滲流場、應(yīng)力場、化學(xué)場)作用的反饋問題，故需建立一套基于孔隙力學(xué)，考慮溫度、滲流、裂縫中凍脹應(yīng)力、沖磨狀態(tài)等多因素的耦合模型，用以準(zhǔn)確分析各因素在高寒地區(qū)水工混凝土凍融損傷中所產(chǎn)生的影響。

(2)混凝土孔隙結(jié)構(gòu)是影響其抗凍性能的關(guān)鍵因素。即使在材料科學(xué)領(lǐng)域，多孔材料孔隙結(jié)構(gòu)及夾雜組分的數(shù)學(xué)表征仍然是一個沒有完全解決的問題。探求一種全面、可靠且簡單的跨尺度混凝土材料表征方法，是利用孔隙介質(zhì)力學(xué)進(jìn)行跨尺度研究、得到合理模擬效果的基礎(chǔ)與前提。

(3)現(xiàn)階段我國對于凍融循環(huán)作用下混凝土本構(gòu)關(guān)系的試驗研究尚顯不足。需要通過更全面長期細(xì)致的凍融試驗，測定凍融混凝土初始損傷應(yīng)力-應(yīng)變演化曲線，以期能夠找到一個更符合、更能體現(xiàn)混凝土跨尺度特性的彈塑性損傷模型，對高寒地區(qū)混凝土大壩凍融損傷過程進(jìn)行更加真實有效的數(shù)值模擬。

(4)由于混凝土凍融問題的復(fù)雜性和實驗室條件的限制，要對各種影響因素綜合考慮，需利用當(dāng)今日益進(jìn)步的云數(shù)據(jù)采集、高速發(fā)展的計算機科學(xué)以及自動控制和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。逐漸嘗試以數(shù)值模擬方法來輔助實現(xiàn)耦合環(huán)境下的凍融損傷研究，建立混凝土凍融損傷系統(tǒng)化的損傷數(shù)據(jù)庫及完善水工混凝土性能智能評估，早日將數(shù)字實驗室模擬結(jié)果納入水工混凝土試驗參考規(guī)范。建立合理的凍融損傷數(shù)值模擬尚處于探索階段，要實現(xiàn)混凝土凍融過程的三維全尺度全壽命模擬，并進(jìn)一步深入了解凍融對混凝土損傷的作用，還需做大量的工作。