冻融循环下混凝土结构耐久性研究综述

冻融循环下混凝土结构耐久性研究综述

张,敏

(1.重庆交通大学，山区公路水运交通地质减灾重庆市高校市级重点试验室，重庆，400074)

摘要：以往的研究表面，冻融循环对混凝土的破坏在高寒地区是主要的威胁之一，严重影响了我国高寒地区的社会经济的发展。指出了目前国内外混凝土冻融破坏的严重性，并且冻融破坏的类型和原因分析，分析了冻融循环的破坏机理，指出了冻融破坏的主要因素，并且提出了冻融循环下提高混凝土结构耐久性的措施。

关  键  词：混凝土；冻融循环；冻融破坏

混凝土由于其原料丰富、价格低廉、生产工艺简单、抗压强度高，是作为基础建设过程中一个最重要的建筑材料，无论是在房屋的建设，还是在公路、铁路以及水利大把等建设中都是广泛的使用。混凝土材料的性能直接决定了所建工程的使用寿命和工程安全。

冻融作用是作为混凝土耐久性影响的三大因素之一，在我国的北方高寒地区，由于长期的冻融循环作用，混凝土建筑常常破坏较为严重。特别在一些水工建筑物，或者临水建筑物，破坏得更加的严重。而在长期的冻融循环的作用下，混凝土的耐久性也是在急剧下降，直接缩短混凝土的使用寿命，不仅仅带来工程经济损失，更重要的是带来工程安全事故。

1  混凝土冻融破坏的严重性

混凝土材料是一种耐久性的材料，但是它的本质是一种非均匀的多孔材料，它在二氧化碳、水和氧气等自然界的介质所影响下，会加快的耐久性降低，使得工程使用寿命减少。

抗冻性是作为混凝土材料在当下考虑耐久性一个非常重要的问题，在我国的北方地区，抗冻性是最重要的问题。我国由于地理面积广，温度差异大，我们的东北以及北方地区属于寒带，在冬季是常常结冰，然后到了气候回暖时期，冰雪又融化，然后到了冬季，又进入下一个冰雪时期，如此的循环往复，导致我们的建筑物的寿命急剧缩短。而且，我国的大坝建筑物的破坏主要集中在华北、东北等区域。

综上所述，混凝土的冻融循环导致了建筑物加剧破坏的问题在我国是非常严峻的，它严重破坏了建筑物的使用寿命和工程安全，为了保证建筑物的正常使用和延续寿命，我国每年都会花费大量的人力和财力。

2  冻融病害的类型与特点

2.1  一般冻融病害

耐久性冻融裂缝即一般性冻融病害。该病害的外表面特征为：路面板接缝处有密集的新月形丝状裂缝或平行裂缝。在板的拐角处，这些裂纹以弯曲的形式存在，裂纹表面有残留物，导致裂纹及其周围的颜色变暗。根据损伤部位的不同，可分为耐久性裂缝和冻融裂缝。

2.2  盐冻剥蚀裂缝

在严寒地区，在每年路面遇到的冰雪季节，为了迅速清除冰雪，保证运行平稳，通常使用融雪剂和除冰液。这些是盐类化学品，会严重腐蚀路面。长期使用会引起盐冻和剥蚀破坏。

3  出现冻融病害的原因

3.1  一般病害

由于地表水沿混凝土表面的毛细管向下渗透，形成了混凝土的冻融病害。在低温的影响下，水的冻结体积会膨胀。如果长时间以这种方式发展，路面将出现冻融病害。微观结构是冻融病害的形成机制，难以直接监测。虽然许多研究者进行了大量探索，提出了各种假设，但迄今为止，还没有形成一个统一的方案。然而，根据冻融循环对混凝土的各种作用形式，这种破坏一般分为静水压力、渗透压力和膨胀压力等

3.2  盐冻病害

吸水性是含盐材料的主要特性，因此在盐的影响下，路面混凝土不易失水，但容易吸水，这会增加混凝土水饱和的程度和机会，从而增加冻融循环的破坏作用，这是造成盐冻融侵蚀病害的主要原因。

4  冻融循环机理

目前针对冻融循环的机理的研究较多，但是大多数理论的主要立足于提出静水压力理论，该理论揭示了混凝土的冻融循环产生的压力与静水压力之间的关系，许多学者在此基础上进行深入研究后得出了如下所示的有关混凝土冻融循环的理论：静水压力假说、渗透压力假说、结晶压力假说、温度应力假说、充水系数假说、冰的分离层假说。

5  提高冻融循环下混凝土结构抗冻性能对策研究

混凝土建筑的安全和使用寿命通常由混凝土的结构的性能所提供。对于混凝土的使用寿命的提高通常可以通过提高混凝土的结构的耐久性来实现。通过许多的研究发现，只有从混凝土的内部因素着手，包括混凝土的质量、结构等，结合实际工程，通过一些外部因素的保护，才能有效的提高混凝土的抗冻性能。

5.1  降低混凝土水灰比

混凝土越密实，水越难进入混凝土，这可以减少混凝土的冻融破坏。与混凝土密实度相关的因素是混凝土中的孔隙率，孔隙率直接影响压实度。降低水灰比可以在一定程度上降低结构的孔隙率，进而提高混凝土的抗冻性。李锦平认为，水泥品种和水灰比是影响混凝土耐久性的因素，水泥中熟料成分越多，说明水泥水化产物越多，水化产物可以提高混凝土的抗冻性。脆弱，易受病虫害和恶劣天气影响，不利于长期护坡。

5.2 选取合适混凝土品种

根据文献，含有天然河骨料的混凝土具有更高的抗压强度、更大的体积密度和更好的抗冻性。李锦平[7]认为，从提高结构耐久性的角度出发，应选择低需水量普通硅酸盐水泥或掺有高细粉煤灰和高活性水泥的高性能水泥；根据最小孔隙率原则，骨料应选择合理的连续级配，并严格控制含泥量。李锦平

[7]指出，与试验相比，在实际工程中，并不是混凝土标号越高，抗冻性越强。例如，高强度混凝土在早期和后期容易开裂，更容易导致冻害和侵蚀。

5.3 掺入矿物或者其他物质

段桂珍提出了如果在混凝土中加气得到的加气混凝土的抗冻性是大于普通混凝土的抗冻性，因为在混凝土中加气的过程中，使得混凝土中会增加很多的封闭的气泡。这些气泡在混凝土受到冻融循环破坏的时候，它是可以起到缓解由于冻融循环产生的压力。所以混凝土中的含气量会大大的影响混凝土的抗冻性，换句话说，混凝土中含气量可以有效的提高混凝土的耐久性。在这里，气泡的平均间距系数是被认为可以用来影响混凝土耐久性的一个重要因素]。曾力等人还通过做相关的试验得到过结论，如果在混凝土加入了矿物材料，将会大大提高混凝土的耐久性。

5.4 适当控制预应力结构的应力比

刘容桂等人基于损伤理论来研究预应力混凝土的冻融损伤，根据试验的研究发现，混凝土的应变抗力的变化是会随着应力水平的变化而变化，呈现正相关关系。并且混凝土的抗冻性也与应力水平呈现正相关的关系。但是，它虽然得到了这个正相关的关系，他却没有详细说明应力与抗冻耐久性之间的关系，只是说明应力变化影响抗冻性，而且只是说明了在一定的范围内对其的影响。通过相关的试验研究发现，当存在压应力比为0.01-050的时候，压应力与混凝土的冻融循环带来的使用寿命呈现正相关关系；当压应力比达到0.75的时候，冻融循环对于混凝土带来的影响相当于无应力状态。

6  结  语

目前，随着我们国家的基础工程的建设，混凝土的使用量越来越大，所以针对混凝土的一些特性研究也是越来越重视。针对冻融循环对于混凝土的耐久性的影响研究在诸多研究者也是得出了很多的经验和理论。诸多的经验和结论对于混凝土耐久性是具有很高的指导意义的。

参考文献(References)：

[1] Lee  B  J,  Zhou Y,  Lee  J  S,  et  al.  Discrimination  and  prediction  of  the  origin  of  Chinese  and  Korean soybeans using Fourier transform infrared spectrometry (FT-IR) with multivariate statistical analysis.[J]. Plos One, 2018, 13(4):e0196315.

[2] 张二锋,杨更社,刘慧.冻融循环作用下砂岩细观损伤演化规律试验研究[J].煤炭工程,  2018,  50(10): 50-55.

[3] 魏毅萌,柴军瑞,覃源,等.冻融循环下再生混凝土孔隙分布变化及其对抗冻性能的影响[J].硅酸盐通报,2018,37(03):825-830.

[4] Powers T C. A Working hypothesis for further studies of the frost resistance of concrete. ACI Journal, Proceedings, 1945, 16(4): 245-272.

[5] Powers T C. Freezing Effects in Concrete. [J]. Durability of Concrete. ACI, 1975, SP-47: 1-12.

[6] 陆建飞，杜应吉. 混凝土快冻法试验条件和现场环境的差异分析. [J]. 人民黄河. 2011, 33(5).