混凝土冻融损伤机理试验浅议

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摘要：文中列举了几种混凝土冻融循环损伤机理的经典理论假说，对混凝土试块开展冻融循环次数分别为25、50和75次的快速冻融循环试验，并且对每组冻融循环次数下的混凝土试块进行表面裂纹观察，分析推断混凝土试块冻融循环损伤机理。对冻融循环试验条件下的试块开展静力强度试验，对其破坏特征进行探讨研究。结果显示：混凝土试块快速冻融循环试验破坏特征与Powers的静水压假说基本一致。

关键词：混凝土；冻融循环；强度试验；破坏特征；破坏机理

0引言

在我国高海拔地区和北方寒冷地区，混凝土结构经常遭受冻融循环的损伤，部分钢筋混凝土结构出现了混凝土强度降低、混凝土表面开裂和钢筋保护层脱落等一系列病害，使得大量建筑物出现了不同程度的冻融损伤，导致承载力下降，达不到设计使用年限，需要通过结构加固才能够满足继续使用的要求，且用于混凝土结构加固的费用逐年增加，增加了建筑物维护及使用成本。

1国内外研究情况

许多专家学者开展了一系列关于钢筋混凝土结构冻融损伤方面的研究，一致认为：混凝土遭受长年反复冻融后，其抗压强度降低［1］；混凝土受到冻融损伤以后，其抗压强度，混凝土质量，弹性模量和抗折强度等力学性能均会发生一定程度的劣化，劣化最严重的是混凝土的弹性模量［2］。综合作者和其他国内外学者的冻融循环试验，对混凝土冻融循环的破坏机理进行分析总结，并对其寿命预测展开研究［3-4］。由于众多专家学者开展混凝土冻融循环试验的研究方式、研究条件和参考规范文献各不相同，他们所得出的结论也略有差异，但是关于混凝土冻融循环损伤机理的重要结论被大多数人所认可，也为后续科研人员开展混凝土的冻融研究提供了理论依据和方向指导。

1.1静水压假说

静水压假说认为混凝土内部由混凝土固体颗粒、混凝土孔隙、颗粒间隙中充满的水分以及混凝土内部的空气三部分组成，其中混凝土固体颗粒和混凝土内部空气对混凝土的冻融损伤没有明显影响，但是当混凝土处于寒冷环境中，混凝土内部的毛细水和自由水在低温下结冰，其结冰后产生的冻胀力的作用使得混凝土内部产生微裂纹，随着混凝土冻融循环的反复作用，内部裂纹连接贯通发展到混凝土表面，最终导致混凝土强度降低，性能劣化。

1.2渗透压假说

渗透压假说认为当冬季除冰盐洒在混凝土表面时，盐水会随着融化的雪水渗透进入混凝土内部孔隙，当温度再次降低，由于大孔和小孔隙内部的浓度差，溶液会从小孔进入大孔，液体在穿过孔壁的过程中对混凝土产生了渗透压力，这种渗透压力是导致混凝土被冻融破坏的主要原因。

1.3盐结晶假说

盐结晶假说认为混凝土中的盐晶体在低温时，会产生应力作用，这种应力作用会导致混凝土受拉开裂，混凝土具有一定的抗拉强度，但是这种抗拉强度很低，当温度应力稍微增大就会大于混凝土的极限抗拉应力，但由于盐晶体附着在混凝土表面，这种低温产生的应力对混凝土表面不能产生拉应力，所以此理论无法解释混凝土表面受冻开裂的根本原因。

1.4临界水饱和假说

临界水饱和假说认为混凝土受到冻融循环以后的损伤程度与混凝土内部孔隙的含水量有关，混凝土内部的含水量越大，混凝土内部结冰越多，冻胀力越大，混凝土越容易被冻融损伤。

2试验研究及分析

本文冻融循环试验程序采用“快速冻融循环试验法”，源于GBJ82-1985《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法》［5］。采用C50预拌混凝土浇筑混凝土立方体试块。为了使混凝土立方体试件处于恒定温度环境中，试验人员制作了放置混凝土试块的钢筋骨架，然后在骨架内放入薄橡胶，加入防冻液，最后放入混凝土试块开始冻融循环试验。在冻融循环试验的准备阶段，须仔细观察各混凝土试块的表面特征，比如表面光滑度、裂纹和试块棱角的完成程度。为了模拟自然环境中混凝土的冻融循环情况，试验开始前将混凝土试块浸泡于水中2~3d，水面液面完全浸没混凝土表面，使混凝土表面及内部孔隙充分湿润。待浸泡完成以后，再将混凝土试件取出，用吸水性较强的抹布擦干混凝土表面水分。由于本试验在夏季进行，考虑到自然高温会导致构件空隙内水分快速蒸发，所以为了保障试验的准确性，必须立即把擦干后的混凝土试块放置于高低温湿热试验箱内的钢筋骨架试验盒内开始试验，每一个冻融循环试验均用时4h，次数分别为0、25、50和75次，温度变化见图1，混凝土试块配置见表1。每一组冻融循环试验结束后，迅速拿出混凝土试块，擦干其表面水分并清理表面冰渣和颗粒，然后对混凝土试块进行仔细观察和研究。通过对各冻融循环次数后的混凝土试块观察研究发现：冻融循环0次的混凝土试块表面肉眼看上去没有任何明显的特征，放大镜下观察只发现有少许的微小裂纹出现，这些微小裂纹是混凝土浇筑完成后凝结硬化过程中产生的收缩裂纹。冻融循环25次的混凝土试块表面肉眼观察与和冻融循环之前对比没有明显变化，但是用放大镜观察后发现，冻融循环25次的混凝土表面布满了密密麻麻的毛细裂纹，这些毛细裂纹分布错综复杂，没有明显规律。冻融循环50次的混凝土试块表面有几条细小的裂纹，裂纹分布无规律；用放大镜观察后发现，混凝土表面的裂纹明显多于冻融循环25次的混凝土，裂纹的宽度明显增加，数量明显增多，而且裂纹有相互连接贯通的发展趋势。表面细小裂纹最多的是冻融循环75次的混凝土试块，肉眼可见个别裂纹宽度增加，裂纹相互贯通，而且混凝土表面出现了缺棱掉角的现象。用放大镜观察后发现，混凝土表面裂纹进一步增加，裂纹宽度进一步增大，裂纹之间相互贯通更为明显。由此可见，冻融循环对混凝土的损伤作用很大。将试验中所有的混凝土试块用万能试验机进行强度试验，重点观察试件从开始加载到试件发生受压破坏的整个过程。试验过程中除了明显地看到混凝土强度随着冻融循环次数增加呈现降低趋势外，各混凝土试块被压碎时的特征也存在一定规律。冻融循环次数0次的混凝土试块在受压的过程中没有明显的声音，压碎破坏前也没有明显的预兆，而且棱角完整，没有细小颗粒脱落的情况。但是压碎破坏时声音尖锐，在此过程中碎石横飞，破碎颗粒零散，混凝土试块侧面均被压碎。冻融循环25次的混凝土试块在受压的过程中同样没有明显的声音，压碎前没有明显的预兆，而且棱角基本完整，但是在压碎的前一刻会有混凝土细小颗粒脱落，压碎时声音同样响亮而并没有很尖锐，破坏的瞬间石子横飞，混凝土试块只有少数面混凝土颗粒被压碎脱落。冻融循环50次的混凝土试块在受压的过程中偶尔发出“吱吱”的声音，在接近压碎破坏的时候混凝土会出现微小裂缝，并且局部起皮脱落。压碎的瞬间声音明显低沉，石子没有明显的横飞迹象，混凝土表面只有一面被压碎脱落。冻融循环75次的混凝土试块在受压的过程中经常会发出“吱吱”的声音，而且裂缝很早出现，随着压力的增加，裂缝越来越明显。混凝土试块会出现缺棱掉角的现象，破坏的瞬间声音明显低沉，石子没有横飞迹象，只有试块局部位置发生被压碎脱落。通过观察静力受压试验现象可知，混凝土表面裂纹随着冻融循环次数的增加而加密，裂纹的数量逐渐增多，裂纹的宽度逐渐增大。混凝土试块在受压过程中的声音随着冻融循环次数的增加越来越频繁，破坏时候的状态越来越趋于平静。这只能说明混凝土在经过冻融循环以后，随着冻胀力增大，混凝土孔隙率也增大，呈现的孔隙就越来越多，越来越大，随着冻融循环次数的增加，内部的微裂纹逐渐蔓延，直至发展到混凝土表面；当混凝土承受压力作用时，混凝土内部的粗细骨料承担了大部分的压力，混凝土在逐渐增加压力的过程中，骨料间相互挤压发生错动，导致混凝土内部裂缝进一步相互贯通，最终受压破坏，破坏特征较为柔和。

3结论

通过开展混凝土试块冻融循环试验研究，分析研究混凝土冻融损伤机理，试验特征和现象从宏观上解释了Powers的静水压假说，故本试验研究的冻融破坏机理与Powers的静水压假说基本一致，冻胀力是导致微裂纹产生的“元凶”，随着冻融循环的进行，内部裂纹连接贯通发展到混凝土表面，最终混凝土强度降低，性能严重劣化。

作者:陈瑞明 胡云霞 单位:贵阳职业技术学院 贵阳产控产业园区投资运营有限公司