覃麗坤 宋宏偉

(大連民族學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，遼寧大連 116600)

1 概述

我國北方寒冷地區(qū)的混凝土建筑物和構(gòu)筑物，在冬季都遭受不同程度的凍融破壞。目前，對混凝土抗凍性能的研究，國內(nèi)外已開展了一些研究工作，但主要集中在對混凝土抗凍指標方面的研究，而針對凍融循環(huán)對混凝土力學(xué)性能影響的研究不多。

目前，關(guān)于混凝土凍融破壞機理，國內(nèi)外在理論方面還沒有達到共識。從1940年開始，國內(nèi)外學(xué)者相繼對混凝土凍融破壞機理展開了研究。有美國的鮑爾斯提出的靜水壓假說和滲透壓假說;前蘇聯(lián)學(xué)者基于力學(xué)概念，提出的現(xiàn)象學(xué)觀點等，這些研究基本都是經(jīng)假設(shè)和推導(dǎo)而得出結(jié)論，從純物理的模型出發(fā)的。

由于混凝土凍融循環(huán)的試驗方法和條件不同，試驗數(shù)據(jù)具有一定的離散性。目前，關(guān)于凍融循環(huán)對混凝土力學(xué)性能影響的研究，只有少量文獻對凍融循環(huán)后的普通混凝土進行了多軸應(yīng)力狀態(tài)的試驗研究［9，10］，大多數(shù)研究還是針對混凝土在單軸應(yīng)力狀態(tài)下進行的。因此，開展凍融循環(huán)后混凝土多軸力學(xué)性能研究，對于準確分析處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)的混凝土結(jié)構(gòu)在惡劣環(huán)境因素下的力學(xué)性能尤為重要。

2 影響混凝土抗凍性能的主要因素

1)含氣量和引氣劑的影響。

含氣量對混凝土抗凍性有直接影響。在混凝土中，摻入適當?shù)囊龤鈩?，可使混凝土的抗凍性提?倍～10倍左右;

2)水灰比。

隨著水灰比的增加，混凝土的抗凍性能逐漸降低，因為水灰比直接影響混凝土的孔隙率及孔結(jié)構(gòu);

3)平均氣泡間距的影響。

平均氣泡間距越大，則導(dǎo)致混凝土毛細孔中的靜水壓和滲透壓越大，造成混凝土的抗凍性越低;

4)摻加料。

除引氣劑外，減水劑對混凝抗凍性也有一定影響;

5)飽水狀態(tài)。

混凝土含水量大，則受凍時易于破壞。因為混凝土凍融破壞與其孔隙的飽水程度密切相關(guān);

6)水泥品種。

水泥品種不同，則熟料部分的相對體積和硬化速度有所不同，將直接影響混凝土的抗凍性能。

3 混凝土凍融破壞機理

目前，對混凝土抗凍性能的研究，國內(nèi)外已進行了一些試驗研究工作［1-8］。早期開展研究的有美國的鮑爾斯，他提出的破壞理論是靜水壓假說和滲透壓假說。他通過對水泥凈漿結(jié)構(gòu)的抗凍性能的研究，建立了比較完整的混凝土凍融破壞理論體系，受到國際學(xué)術(shù)界的高度重視。進入20世紀70年代，混凝土抗凍性能的研究又有了一些進展，加拿大和德國的科學(xué)家用熱力學(xué)理論，分析固、液、氣三相共存平衡的條件，根據(jù)自然界的客觀規(guī)律指出事物發(fā)展的必然性，來揭示混凝土凍融破壞機理。前蘇聯(lián)學(xué)者從力學(xué)概念出發(fā)，提出了現(xiàn)象學(xué)觀點?；炷羶鋈谄茐臋C理在很大程度上指導(dǎo)了混凝土材料抗凍性的研究，對提高混凝土抗凍性能起到了重要作用。但迄今為止，國內(nèi)外在凍融破壞理論方面還沒有達成共識。

4 混凝土抗凍性能研究現(xiàn)狀

從國內(nèi)外發(fā)表的相關(guān)文獻看，對混凝土抗凍性能的研究，大多是針對混凝土抗凍安全設(shè)計等級而展開的，沒有考慮混凝土的強度指標。按照我國現(xiàn)行標準，對混凝土抗凍等級的規(guī)定是同時滿足相對動彈模值不小于60%和質(zhì)量損失率不超過5%時的凍融次數(shù)。文獻［2］的試驗發(fā)現(xiàn)，經(jīng)125次凍融循環(huán)后，當相對動彈模值接近60%時，普通混凝土抗壓強度僅為凍融循環(huán)前的39%，強度降低很多。文獻［3］的試驗發(fā)現(xiàn)，經(jīng)300次凍融循環(huán)后，加氣混凝土的相對動彈模值為61%時，抗壓強度僅為凍融循環(huán)前的49.5%。因此，應(yīng)該對凍融循環(huán)后混凝土力學(xué)性能的變化引起足夠的重視。

水工及海工中的混凝土結(jié)構(gòu)大部分處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)。文獻［9］［10］對凍融循環(huán)后混凝土進行了雙軸壓和三軸壓下的力學(xué)性能試驗研究。文獻［9］的試驗研究發(fā)現(xiàn)，在相同凍融循環(huán)次數(shù)后，雙軸壓混凝土的抗壓強度較單軸壓極限強度提高，提高程度取決于應(yīng)力比的大小，在應(yīng)力比為1∶0.5時，極限抗壓強度提高幅度最大，為單軸抗壓強度的1.5倍左右。

文獻［10］的試驗研究發(fā)現(xiàn)，在相同凍融循環(huán)次數(shù)后，三軸壓混凝土的抗壓強度值大大提高，尤其在應(yīng)力比為0.1∶0.5∶1時，極限抗壓強度為單軸抗壓強度的3倍～6倍。因此，設(shè)計中考慮凍融循環(huán)后多軸壓混凝土強度比單軸壓混凝土強度提高的特點，可大大節(jié)省材料。

5 結(jié)語

國內(nèi)外對凍融循環(huán)后混凝土破壞機理和影響因素的研究取得了一些成果，但是在凍融破壞的理論方面還沒有達到共識。關(guān)于凍融循環(huán)對混凝土力學(xué)性能影響的研究，只有少數(shù)科研院所開展了凍融循環(huán)后混凝土的多軸力學(xué)試驗研究，大多數(shù)文獻還是針對混凝土在單軸應(yīng)力狀態(tài)下而進行的。因此，開展凍融循環(huán)后混凝土力學(xué)性能的試驗研究，對豐富混凝土抗凍性能理論具有重要意義。

［1］ Jacobsen S.，Marchand J.，Homain H..SEM observations of the microstructure of frost deteriorated and self-healed concrete［J］.Cement and Concrete Research，1995，25(8):1781-1790.

［2］ 程紅強.凍融對混凝土強度的影響［J］.河南科學(xué)，2003，21 (2):214-216.

［3］ 李金玉.混凝土凍融破壞機理的研究［J］.水利學(xué)報，1999 (1):41-49.

［4］ 施士升.凍融循環(huán)對混凝土力學(xué)性能的影響［J］.土木工程學(xué)報，1997，30(4):35-42.

［5］ 蔡 昊，覃維祖，劉西拉.凍融循環(huán)作用下混凝土力學(xué)性能的損失［J］.工程力學(xué)，1996(sup):29-33.

［6］ G.Verbeck，R.Landgren.Influence of physsical characteristics of aggregates on frost resistance of concrete.Proc ASTM，1960: 1063-1079.

［7］ J.P.Bournazel，M.Moranville.Durability of concrete the crossroad between chemistry and mechanics［J］.Cement and Concrete Research，1997，27(10):1543-1552.

［8］ Y.X.Zhou，M.D.Cohen，L.W.Dolch.Effect of external loads on the frost-resistant properties of mortar with and without silica fume.ACI Mater.J.1994，91(6):595-601.

［9］ 覃麗坤，宋玉普，于長江，等.雙軸壓混凝土在凍融循環(huán)后的力學(xué)性能及其破壞準則［J］.工程力學(xué)，2004，21(2):188-193.

［10］ 姚家偉，覃麗坤，宋玉普.三軸壓的普通混凝土在凍融循環(huán)后的力學(xué)性能［J］.混凝土，2011(3):25-37.