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摘要：文中列舉了幾種混凝土凍融循環損傷機理的經典理論假說，對混凝土試塊開展凍融循環次數分別為25、50和75次的快速凍融循環試驗，并且對每組凍融循環次數下的混凝土試塊進行表面裂紋觀察，分析推斷混凝土試塊凍融循環損傷機理。對凍融循環試驗條件下的試塊開展靜力強度試驗，對其破壞特征進行探討研究。結果顯示：混凝土試塊快速凍融循環試驗破壞特征與Powers的靜水壓假說基本一致。

關鍵詞：混凝土；凍融循環；強度試驗；破壞特征；破壞機理

0引言

在我國高海拔地區和北方寒冷地區，混凝土結構經常遭受凍融循環的損傷，部分鋼筋混凝土結構出現了混凝土強度降低、混凝土表面開裂和鋼筋保護層脫落等一系列病害，使得大量建筑物出現了不同程度的凍融損傷，導致承載力下降，達不到設計使用年限，需要通過結構加固才能夠滿足繼續使用的要求，且用于混凝土結構加固的費用逐年增加，增加了建筑物維護及使用成本。

1國內外研究情況

許多專家學者開展了一系列關于鋼筋混凝土結構凍融損傷方面的研究，一致認為：混凝土遭受長年反復凍融后，其抗壓強度降低［1］；混凝土受到凍融損傷以后，其抗壓強度，混凝土質量，彈性模量和抗折強度等力學性能均會發生一定程度的劣化，劣化最嚴重的是混凝土的彈性模量［2］。綜合作者和其他國內外學者的凍融循環試驗，對混凝土凍融循環的破壞機理進行分析總結，并對其壽命預測展開研究［3-4］。由于眾多專家學者開展混凝土凍融循環試驗的研究方式、研究條件和參考規范文獻各不相同，他們所得出的結論也略有差異，但是關于混凝土凍融循環損傷機理的重要結論被大多數人所認可，也為后續科研人員開展混凝土的凍融研究提供了理論依據和方向指導。

1.1靜水壓假說

靜水壓假說認為混凝土內部由混凝土固體顆粒、混凝土孔隙、顆粒間隙中充滿的水分以及混凝土內部的空氣三部分組成，其中混凝土固體顆粒和混凝土內部空氣對混凝土的凍融損傷沒有明顯影響，但是當混凝土處于寒冷環境中，混凝土內部的毛細水和自由水在低溫下結冰，其結冰后產生的凍脹力的作用使得混凝土內部產生微裂紋，隨著混凝土凍融循環的反復作用，內部裂紋連接貫通發展到混凝土表面，最終導致混凝土強度降低，性能劣化。

1.2滲透壓假說

滲透壓假說認為當冬季除冰鹽灑在混凝土表面時，鹽水會隨著融化的雪水滲透進入混凝土內部孔隙，當溫度再次降低，由于大孔和小孔隙內部的濃度差，溶液會從小孔進入大孔，液體在穿過孔壁的過程中對混凝土產生了滲透壓力，這種滲透壓力是導致混凝土被凍融破壞的主要原因。

1.3鹽結晶假說

鹽結晶假說認為混凝土中的鹽晶體在低溫時，會產生應力作用，這種應力作用會導致混凝土受拉開裂，混凝土具有一定的抗拉強度，但是這種抗拉強度很低，當溫度應力稍微增大就會大于混凝土的極限抗拉應力，但由于鹽晶體附著在混凝土表面，這種低溫產生的應力對混凝土表面不能產生拉應力，所以此理論無法解釋混凝土表面受凍開裂的根本原因。

1.4臨界水飽和假說

臨界水飽和假說認為混凝土受到凍融循環以后的損傷程度與混凝土內部孔隙的含水量有關，混凝土內部的含水量越大，混凝土內部結冰越多，凍脹力越大，混凝土越容易被凍融損傷。

2試驗研究及分析

本文凍融循環試驗程序采用“快速凍融循環試驗法”，源于GBJ82-1985《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法》［5］。采用C50預拌混凝土澆筑混凝土立方體試塊。為了使混凝土立方體試件處于恒定溫度環境中，試驗人員制作了放置混凝土試塊的鋼筋骨架，然后在骨架內放入薄橡膠，加入防凍液，最后放入混凝土試塊開始凍融循環試驗。在凍融循環試驗的準備階段，須仔細觀察各混凝土試塊的表面特征，比如表面光滑度、裂紋和試塊棱角的完成程度。為了模擬自然環境中混凝土的凍融循環情況，試驗開始前將混凝土試塊浸泡于水中2~3d，水面液面完全浸沒混凝土表面，使混凝土表面及內部孔隙充分濕潤。待浸泡完成以后，再將混凝土試件取出，用吸水性較強的抹布擦干混凝土表面水分。由于本試驗在夏季進行，考慮到自然高溫會導致構件空隙內水分快速蒸發，所以為了保障試驗的準確性，必須立即把擦干后的混凝土試塊放置于高低溫濕熱試驗箱內的鋼筋骨架試驗盒內開始試驗，每一個凍融循環試驗均用時4h，次數分別為0、25、50和75次，溫度變化見圖1，混凝土試塊配置見表1。每一組凍融循環試驗結束后，迅速拿出混凝土試塊，擦干其表面水分并清理表面冰渣和顆粒，然后對混凝土試塊進行仔細觀察和研究。通過對各凍融循環次數后的混凝土試塊觀察研究發現：凍融循環0次的混凝土試塊表面肉眼看上去沒有任何明顯的特征，放大鏡下觀察只發現有少許的微小裂紋出現，這些微小裂紋是混凝土澆筑完成后凝結硬化過程中產生的收縮裂紋。凍融循環25次的混凝土試塊表面肉眼觀察與和凍融循環之前對比沒有明顯變化，但是用放大鏡觀察后發現，凍融循環25次的混凝土表面布滿了密密麻麻的毛細裂紋，這些毛細裂紋分布錯綜復雜，沒有明顯規律。凍融循環50次的混凝土試塊表面有幾條細小的裂紋，裂紋分布無規律；用放大鏡觀察后發現，混凝土表面的裂紋明顯多于凍融循環25次的混凝土，裂紋的寬度明顯增加，數量明顯增多，而且裂紋有相互連接貫通的發展趨勢。表面細小裂紋最多的是凍融循環75次的混凝土試塊，肉眼可見個別裂紋寬度增加，裂紋相互貫通，而且混凝土表面出現了缺棱掉角的現象。用放大鏡觀察后發現，混凝土表面裂紋進一步增加，裂紋寬度進一步增大，裂紋之間相互貫通更為明顯。由此可見，凍融循環對混凝土的損傷作用很大。將試驗中所有的混凝土試塊用萬能試驗機進行強度試驗，重點觀察試件從開始加載到試件發生受壓破壞的整個過程。試驗過程中除了明顯地看到混凝土強度隨著凍融循環次數增加呈現降低趨勢外，各混凝土試塊被壓碎時的特征也存在一定規律。凍融循環次數0次的混凝土試塊在受壓的過程中沒有明顯的聲音，壓碎破壞前也沒有明顯的預兆，而且棱角完整，沒有細小顆粒脫落的情況。但是壓碎破壞時聲音尖銳，在此過程中碎石橫飛，破碎顆粒零散，混凝土試塊側面均被壓碎。凍融循環25次的混凝土試塊在受壓的過程中同樣沒有明顯的聲音，壓碎前沒有明顯的預兆，而且棱角基本完整，但是在壓碎的前一刻會有混凝土細小顆粒脫落，壓碎時聲音同樣響亮而并沒有很尖銳，破壞的瞬間石子橫飛，混凝土試塊只有少數面混凝土顆粒被壓碎脫落。凍融循環50次的混凝土試塊在受壓的過程中偶爾發出“吱吱”的聲音，在接近壓碎破壞的時候混凝土會出現微小裂縫，并且局部起皮脫落。壓碎的瞬間聲音明顯低沉，石子沒有明顯的橫飛跡象，混凝土表面只有一面被壓碎脫落。凍融循環75次的混凝土試塊在受壓的過程中經常會發出“吱吱”的聲音，而且裂縫很早出現，隨著壓力的增加，裂縫越來越明顯。混凝土試塊會出現缺棱掉角的現象，破壞的瞬間聲音明顯低沉，石子沒有橫飛跡象，只有試塊局部位置發生被壓碎脫落。通過觀察靜力受壓試驗現象可知，混凝土表面裂紋隨著凍融循環次數的增加而加密，裂紋的數量逐漸增多，裂紋的寬度逐漸增大。混凝土試塊在受壓過程中的聲音隨著凍融循環次數的增加越來越頻繁，破壞時候的狀態越來越趨于平靜。這只能說明混凝土在經過凍融循環以后，隨著凍脹力增大，混凝土孔隙率也增大，呈現的孔隙就越來越多，越來越大，隨著凍融循環次數的增加，內部的微裂紋逐漸蔓延，直至發展到混凝土表面；當混凝土承受壓力作用時，混凝土內部的粗細骨料承擔了大部分的壓力，混凝土在逐漸增加壓力的過程中，骨料間相互擠壓發生錯動，導致混凝土內部裂縫進一步相互貫通，最終受壓破壞，破壞特征較為柔和。

3結論

通過開展混凝土試塊凍融循環試驗研究，分析研究混凝土凍融損傷機理，試驗特征和現象從宏觀上解釋了Powers的靜水壓假說，故本試驗研究的凍融破壞機理與Powers的靜水壓假說基本一致，凍脹力是導致微裂紋產生的“元兇”，隨著凍融循環的進行，內部裂紋連接貫通發展到混凝土表面，最終混凝土強度降低，性能嚴重劣化。

作者:陳瑞明 胡云霞 單位:貴陽職業技術學院 貴陽產控產業園區投資運營有限公司