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摘要：文中列舉了幾種混凝土凍融循環(huán)損傷機(jī)理的經(jīng)典理論假說，對(duì)混凝土試塊開展凍融循環(huán)次數(shù)分別為25、50和75次的快速凍融循環(huán)試驗(yàn)，并且對(duì)每組凍融循環(huán)次數(shù)下的混凝土試塊進(jìn)行表面裂紋觀察，分析推斷混凝土試塊凍融循環(huán)損傷機(jī)理。對(duì)凍融循環(huán)試驗(yàn)條件下的試塊開展靜力強(qiáng)度試驗(yàn)，對(duì)其破壞特征進(jìn)行探討研究。結(jié)果顯示：混凝土試塊快速凍融循環(huán)試驗(yàn)破壞特征與Powers的靜水壓假說基本一致。

關(guān)鍵詞：混凝土；凍融循環(huán)；強(qiáng)度試驗(yàn)；破壞特征；破壞機(jī)理

0引言

在我國高海拔地區(qū)和北方寒冷地區(qū)，混凝土結(jié)構(gòu)經(jīng)常遭受凍融循環(huán)的損傷，部分鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了混凝土強(qiáng)度降低、混凝土表面開裂和鋼筋保護(hù)層脫落等一系列病害，使得大量建筑物出現(xiàn)了不同程度的凍融損傷，導(dǎo)致承載力下降，達(dá)不到設(shè)計(jì)使用年限，需要通過結(jié)構(gòu)加固才能夠滿足繼續(xù)使用的要求，且用于混凝土結(jié)構(gòu)加固的費(fèi)用逐年增加，增加了建筑物維護(hù)及使用成本。

1國內(nèi)外研究情況

許多專家學(xué)者開展了一系列關(guān)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)凍融損傷方面的研究，一致認(rèn)為：混凝土遭受長(zhǎng)年反復(fù)凍融后，其抗壓強(qiáng)度降低［1］；混凝土受到凍融損傷以后，其抗壓強(qiáng)度，混凝土質(zhì)量，彈性模量和抗折強(qiáng)度等力學(xué)性能均會(huì)發(fā)生一定程度的劣化，劣化最嚴(yán)重的是混凝土的彈性模量［2］。綜合作者和其他國內(nèi)外學(xué)者的凍融循環(huán)試驗(yàn)，對(duì)混凝土凍融循環(huán)的破壞機(jī)理進(jìn)行分析總結(jié)，并對(duì)其壽命預(yù)測(cè)展開研究［3-4］。由于眾多專家學(xué)者開展混凝土凍融循環(huán)試驗(yàn)的研究方式、研究條件和參考規(guī)范文獻(xiàn)各不相同，他們所得出的結(jié)論也略有差異，但是關(guān)于混凝土凍融循環(huán)損傷機(jī)理的重要結(jié)論被大多數(shù)人所認(rèn)可，也為后續(xù)科研人員開展混凝土的凍融研究提供了理論依據(jù)和方向指導(dǎo)。

1.1靜水壓假說

靜水壓假說認(rèn)為混凝土內(nèi)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(nèi)部的空氣三部分組成，其中混凝土固體顆粒和混凝土內(nèi)部空氣對(duì)混凝土的凍融損傷沒有明顯影響，但是當(dāng)混凝土處于寒冷環(huán)境中，混凝土內(nèi)部的毛細(xì)水和自由水在低溫下結(jié)冰，其結(jié)冰后產(chǎn)生的凍脹力的作用使得混凝土內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，隨著混凝土凍融循環(huán)的反復(fù)作用，內(nèi)部裂紋連接貫通發(fā)展到混凝土表面，最終導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度降低，性能劣化。

1.2滲透壓假說

滲透壓假說認(rèn)為當(dāng)冬季除冰鹽灑在混凝土表面時(shí)，鹽水會(huì)隨著融化的雪水滲透進(jìn)入混凝土內(nèi)部孔隙，當(dāng)溫度再次降低，由于大孔和小孔隙內(nèi)部的濃度差，溶液會(huì)從小孔進(jìn)入大孔，液體在穿過孔壁的過程中對(duì)混凝土產(chǎn)生了滲透壓力，這種滲透壓力是導(dǎo)致混凝土被凍融破壞的主要原因。

1.3鹽結(jié)晶假說

鹽結(jié)晶假說認(rèn)為混凝土中的鹽晶體在低溫時(shí)，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力作用，這種應(yīng)力作用會(huì)導(dǎo)致混凝土受拉開裂，混凝土具有一定的抗拉強(qiáng)度，但是這種抗拉強(qiáng)度很低，當(dāng)溫度應(yīng)力稍微增大就會(huì)大于混凝土的極限抗拉應(yīng)力，但由于鹽晶體附著在混凝土表面，這種低溫產(chǎn)生的應(yīng)力對(duì)混凝土表面不能產(chǎn)生拉應(yīng)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(rèn)為混凝土受到凍融循環(huán)以后的損傷程度與混凝土內(nèi)部孔隙的含水量有關(guān)，混凝土內(nèi)部的含水量越大，混凝土內(nèi)部結(jié)冰越多，凍脹力越大，混凝土越容易被凍融損傷。

2試驗(yàn)研究及分析

本文凍融循環(huán)試驗(yàn)程序采用“快速凍融循環(huán)試驗(yàn)法”，源于GBJ82-1985《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性試驗(yàn)方法》［5］。采用C50預(yù)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(huán)境中，試驗(yàn)人員制作了放置混凝土試塊的鋼筋骨架，然后在骨架內(nèi)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(huán)試驗(yàn)。在凍融循環(huán)試驗(yàn)的準(zhǔn)備階段，須仔細(xì)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(huán)境中混凝土的凍融循環(huán)情況，試驗(yàn)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(nèi)部孔隙充分濕潤(rùn)。待浸泡完成以后，再將混凝土試件取出，用吸水性較強(qiáng)的抹布擦干混凝土表面水分。由于本試驗(yàn)在夏季進(jìn)行，考慮到自然高溫會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件空隙內(nèi)水分快速蒸發(fā)，所以為了保障試驗(yàn)的準(zhǔn)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(yàn)箱內(nèi)的鋼筋骨架試驗(yàn)盒內(nèi)開始試驗(yàn)，每一個(gè)凍融循環(huán)試驗(yàn)均用時(shí)4h，次數(shù)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(huán)試驗(yàn)結(jié)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(duì)混凝土試塊進(jìn)行仔細(xì)觀察和研究。通過對(duì)各凍融循環(huán)次數(shù)后的混凝土試塊觀察研究發(fā)現(xiàn)：凍融循環(huán)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(fā)現(xiàn)有少許的微小裂紋出現(xiàn)，這些微小裂紋是混凝土澆筑完成后凝結(jié)硬化過程中產(chǎn)生的收縮裂紋。凍融循環(huán)25次的混凝土試塊表面肉眼觀察與和凍融循環(huán)之前對(duì)比沒有明顯變化，但是用放大鏡觀察后發(fā)現(xiàn)，凍融循環(huán)25次的混凝土表面布滿了密密麻麻的毛細(xì)裂紋，這些毛細(xì)裂紋分布錯(cuò)綜復(fù)雜，沒有明顯規(guī)律。凍融循環(huán)50次的混凝土試塊表面有幾條細(xì)小的裂紋，裂紋分布無規(guī)律；用放大鏡觀察后發(fā)現(xiàn)，混凝土表面的裂紋明顯多于凍融循環(huán)25次的混凝土，裂紋的寬度明顯增加，數(shù)量明顯增多，而且裂紋有相互連接貫通的發(fā)展趨勢(shì)。表面細(xì)小裂紋最多的是凍融循環(huán)75次的混凝土試塊，肉眼可見個(gè)別裂紋寬度增加，裂紋相互貫通，而且混凝土表面出現(xiàn)了缺棱掉角的現(xiàn)象。用放大鏡觀察后發(fā)現(xiàn)，混凝土表面裂紋進(jìn)一步增加，裂紋寬度進(jìn)一步增大，裂紋之間相互貫通更為明顯。由此可見，凍融循環(huán)對(duì)混凝土的損傷作用很大。將試驗(yàn)中所有的混凝土試塊用萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，重點(diǎn)觀察試件從開始加載到試件發(fā)生受壓破壞的整個(gè)過程。試驗(yàn)過程中除了明顯地看到混凝土強(qiáng)度隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加呈現(xiàn)降低趨勢(shì)外，各混凝土試塊被壓碎時(shí)的特征也存在一定規(guī)律。凍融循環(huán)次數(shù)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(yù)兆，而且棱角完整，沒有細(xì)小顆粒脫落的情況。但是壓碎破壞時(shí)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(cè)面均被壓碎。凍融循環(huán)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(yù)兆，而且棱角基本完整，但是在壓碎的前一刻會(huì)有混凝土細(xì)小顆粒脫落，壓碎時(shí)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(shù)面混凝土顆粒被壓碎脫落。凍融循環(huán)50次的混凝土試塊在受壓的過程中偶爾發(fā)出“吱吱”的聲音，在接近壓碎破壞的時(shí)候混凝土?xí)霈F(xiàn)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(huán)75次的混凝土試塊在受壓的過程中經(jīng)常會(huì)發(fā)出“吱吱”的聲音，而且裂縫很早出現(xiàn)，隨著壓力的增加，裂縫越來越明顯?；炷猎噳K會(huì)出現(xiàn)缺棱掉角的現(xiàn)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(fā)生被壓碎脫落。通過觀察靜力受壓試驗(yàn)現(xiàn)象可知，混凝土表面裂紋隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而加密，裂紋的數(shù)量逐漸增多，裂紋的寬度逐漸增大?；炷猎噳K在受壓過程中的聲音隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加越來越頻繁，破壞時(shí)候的狀態(tài)越來越趨于平靜。這只能說明混凝土在經(jīng)過凍融循環(huán)以后，隨著凍脹力增大，混凝土孔隙率也增大，呈現(xiàn)的孔隙就越來越多，越來越大，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，內(nèi)部的微裂紋逐漸蔓延，直至發(fā)展到混凝土表面；當(dāng)混凝土承受壓力作用時(shí)，混凝土內(nèi)部的粗細(xì)骨料承擔(dān)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(fā)生錯(cuò)動(dòng)，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部裂縫進(jìn)一步相互貫通，最終受壓破壞，破壞特征較為柔和。

3結(jié)論

通過開展混凝土試塊凍融循環(huán)試驗(yàn)研究，分析研究混凝土凍融損傷機(jī)理，試驗(yàn)特征和現(xiàn)象從宏觀上解釋了Powers的靜水壓假說，故本試驗(yàn)研究的凍融破壞機(jī)理與Powers的靜水壓假說基本一致，凍脹力是導(dǎo)致微裂紋產(chǎn)生的“元兇”，隨著凍融循環(huán)的進(jìn)行，內(nèi)部裂紋連接貫通發(fā)展到混凝土表面，最終混凝土強(qiáng)度降低，性能嚴(yán)重劣化。

作者:陳瑞明 胡云霞 單位:貴陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 貴陽產(chǎn)控產(chǎn)業(yè)園區(qū)投資運(yùn)營有限公司