凍融混凝土研究現(xiàn)狀及展望

聶紅賓　譚平

基金項(xiàng)目：陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院教改課題（2018JG-28）陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研課題（2014-44）。

混凝土凍融損傷研究始于上世紀(jì)三十年代，各國學(xué)者從各方面做了大量的工作，發(fā)展較為完整的基本理論。

Powers 于 1945 年[1]提出靜水壓力假說——混凝土的凍害是由混凝土中的水結(jié)冰時(shí)膨脹產(chǎn)生的靜水壓力引起的，結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。水結(jié)冰時(shí)體積膨脹達(dá)9%，由達(dá)西定律可知：產(chǎn)生的靜水壓力作用于水泥石上，造成凍害。此壓力的大小除了取決于毛細(xì)孔的含水率外，還取決于凍結(jié)速度，水遷移路徑長度以及水泥石滲透性等，表達(dá)式公式（1）。這種方法較好的解釋了非引漿氣體凍融損傷。

式中：Pmax為靜水壓力，s為混凝土空隙含水率，K為混凝土滲透有關(guān)的系數(shù)，η為水的粘結(jié)系數(shù)，u為每降低1℃，水結(jié)冰的速率，R為降溫速率。

1970年，Mayercsik[2]提出了失水縮裂理論。對混凝土進(jìn)行凍融試驗(yàn)，在電子顯微鏡下查看不同溫度混凝土的開裂情況。結(jié)果表明：混凝土在受到凍融后，水分大量蒸發(fā)，混凝土失水率與混凝土開裂程度成成正比，同時(shí)將Powers理論中靜水壓力換成干縮壓力，計(jì)算結(jié)果一致。

1975 年，Bager [3，4]又發(fā)展了滲透壓力理論，發(fā)現(xiàn)非引氣漿體當(dāng)溫度保持不變時(shí)出現(xiàn)的連續(xù)膨脹，引氣漿體在凍結(jié)過程中的收縮等，對于抗凍性應(yīng)考慮水泥漿體和骨料兩個(gè)方面因素。滲透壓力理論認(rèn)為，水泥石體系由硬化水泥凝膠體和大的縫隙、稍小的毛細(xì)孔和更小的凝膠孔組成。

2003年，過鎮(zhèn)海，時(shí)旭東[5]提出了骨料膨脹松動(dòng)理論，經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：混凝土在經(jīng)歷凍融、高溫、鹽類侵蝕等因素發(fā)生破壞之前，體積都會(huì)有一定的膨脹，致使結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生位移而破壞。

2007年，學(xué)者段安[6]認(rèn)為材料三相性理論，他認(rèn)為碳纖維混凝土是一種含粗、細(xì)骨料、水泥、纖維等固體顆粒物質(zhì)，游離水和結(jié)晶水等液體，以及氣孔和縫隙中的氣體等所組成的非勻質(zhì)、非同向的三相混合材料。這種混合材料在受到外界因素破壞后，三相材料平衡性破壞而發(fā)生破壞。

2013年，聶紅賓[7-9]等人通過對混凝土進(jìn)行快速凍融試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水通過混凝土本身存在的空隙進(jìn)行或直接滲入混凝土結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)中的空隙有限，水的密度比冰小，結(jié)冰后體積膨脹，混凝土結(jié)構(gòu)抗拉能力弱，進(jìn)而產(chǎn)生裂紋。

2019年，學(xué)者Nathan P. Mayercsik[10]提出了分子共價(jià)理論，認(rèn)為碳纖維與粗骨料凝結(jié)時(shí)也會(huì)膠結(jié)在一起，形成大小不一的分子球，各個(gè)分子通過類似共價(jià)鍵的形式連接起來，形成碳纖維混凝土內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)。鍵與鍵之間會(huì)形成孔隙通道，孔隙通道有部分水和空氣組成，孔隙之間水很容易通過，鍵與鍵之間的力主要由碳纖維絲拉力、水泥膠結(jié)力、分子水吸力等組成，空隙水結(jié)冰后形成壓力或者干縮后形成拉力，對鍵之間形成破壞力，當(dāng)破壞力大于鍵力結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，產(chǎn)生裂縫，結(jié)構(gòu)示意2所示。

綜上所述，混凝土凍融損傷理論主要包括靜水壓力、失水縮裂、滲透壓力及骨料膨脹松動(dòng)理論。纖維阻裂理論主要包括三相性理論、分子共價(jià)理論及膨脹假說。碳纖維混凝土在受到低溫凍融時(shí)破壞理論基本一致，雖然各個(gè)學(xué)者因研究需要，假設(shè)模型有一定的差異，但混凝土受到凍融因素破壞，內(nèi)部形成拉力造成破壞受到普遍學(xué)者認(rèn)可，同時(shí)本文基于學(xué)者Nathan P 分子共價(jià)理論構(gòu)件碳纖維廢絲混凝土阻裂理論，找到合理纖維摻量。

參考文獻(xiàn)

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

[2] American Society for Test and Material. C457-90. Standardtest method for microscopical determination of parameters of the airvoidsystem in hardened concrete. 1970