早期受凍混凝土的服役性能研究概述 *

張翔宇，徐立丹，牛建剛

(內(nèi)蒙古科技大學 土木工程學院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

混凝土早期受凍是負溫混凝土科學研究的重要組成部分，早期凍傷對混凝土結(jié)構(gòu)服役期的可靠性及耐久性造成難以彌補的損害和難以估計的安全隱患，國內(nèi)外學者對此做了大量研究來探索早期受凍對混凝土服役期的各項性能的影響規(guī)律、劣化損傷機理.但由于混凝土早期受凍機理復雜、影響因素較多，目前研究成果有限，早期凍害的損壞機理、損傷規(guī)律、影響因素及其對混凝土結(jié)構(gòu)服役性能的影響尚未形成一致認識，且關(guān)于混凝土材料早期受凍后的性能劣化、早期凍傷混凝土結(jié)構(gòu)的性能評定均缺乏相應的規(guī)范標準，亦缺乏系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持.故早期受凍混凝土的科學研究仍需從宏觀和微細觀等層次出發(fā)，以多項性能指標為研究主題，互相印證，且要緊密結(jié)合實際工程.

1 混凝土早期受凍損傷機理

在混凝土早期凍害研究方面，多年來國內(nèi)外學者取得了一些進展.日本著名混凝土專家洪悅郎教授和我國崔靜忠教授[1]根據(jù)混凝土受凍條件，將混凝土受凍按硬化過程分為3個階段：澆筑混凝土的受凍(即硬化前受凍)，混凝土硬化過程中受凍，硬化混凝土的反復凍融作用.又因為混凝土是一種復雜非均勻的多相復合材料，且早期受凍破壞是一極為復雜的物理變化過程，目前已提出的一些混凝土受凍機理假說在一定程度上指導了科學研究和工程實踐，也提供了強力的理論基礎(chǔ).

1.1 靜水壓理論

1945年，POWERS[2]根據(jù)引氣混凝土或未水飽和混凝土依然常受到受凍破壞的結(jié)果，認為混凝土受凍破壞的主要原因并非結(jié)冰壓應力造成的，進而提出了混凝土受凍破壞經(jīng)典的靜水壓理論.

1.2 滲透壓理論

靜水壓理論仍存在一定的局限性，為此，POWERS和HELMUTH[3]提出了滲透壓理論：混凝土受凍過程中未凍水是向正在結(jié)冰的孔隙運動.

1.3 冰晶生長理論

COLLINS[4]認為混凝土孔溶液中有冰生成時，未凍溶液自由能高于冰晶，且隨溫度降低兩者自由能相差幅度愈大，故未凍溶液中水分向冰晶運動，使得冰晶繼續(xù)生長，從而使系統(tǒng)整體自由能降低，且一直持續(xù)到兩者之間的自由能相等為止，故可將冰晶生長理論用于解釋混凝土路面的凍融破壞機理.

1.4 冰的分離層理論

混凝土受凍是由表及里、由外至內(nèi)進行的，當混凝土外表面之下的某層溫度降低到水的凝點時，水在較大的孔隙中結(jié)冰，又結(jié)冰放熱，使水與冰相接并引出周圍孔隙中的未凍水，從而冰晶繼續(xù)增長，隨溫度繼續(xù)下降，冷鋒面透入.當溫度降低至使新冷鋒面孔隙凍結(jié)的程度時，又形成1個新的受冷薄層.最終導致混凝土形成一連串冷薄層，因為冰晶膨脹，混凝土受損逐漸加重.這一說法適用于抗?jié)B性能差且長期低溫受凍的混凝土，但不適用于比較密實的混凝土，因為受凍時沒有足夠的可凍水可供冰晶增長，從而放出足夠潛熱保持該處恒定溫度，也就未能形成一系列平行的分離層冰面[5].

1.5 溫度應力理論

溫度應力理論主要是針對高性能和高強混凝土凍融破壞而提出的.該理論認為高性能或者高強混凝土的凍融損傷主要是因為膠凝體與集料之間熱膨脹系數(shù)相差比較大，在溫度變化過程中變形相差較大，從而產(chǎn)生溫度疲勞應力使混凝土結(jié)構(gòu)破壞[5].

由此可在一定程度上了解到早期受凍對混凝土性能的損傷機理、劣化規(guī)律和探究其影響因素，為早期受凍混凝土的性能評估提供理論支撐.

2 早期受凍混凝土材料性能研究

當混凝土在沒有任何強度時,在低溫環(huán)境下受凍，連續(xù)的水介質(zhì)分布在混凝土內(nèi)部.混凝土將迅速冷卻，水分會迅速凍結(jié)成冰.在水化反應中，水泥處于休眠狀態(tài)，不發(fā)生水分的遷移，混凝土內(nèi)會出現(xiàn)小而均勻的冰晶.這時混凝土由于水凍結(jié)而發(fā)生凍脹變形，并且在正溫養(yǎng)護后原來冰所占體積不能自行收縮，也不能完全被水泥的水化反應所補償.因此，混凝土硬化后結(jié)構(gòu)松散，強度損失可達20%～50%.關(guān)于混凝土材料早期凍傷后的性能劣化，國內(nèi)外學者開展了一定的研究工作.

崔靜忠[1]研究了混凝土受凍前預養(yǎng)時間、凍結(jié)溫度、預養(yǎng)強度、水灰比等因素變化對早期受凍混凝土中可凍水量、含冰量、細孔徑分布、凍脹變形與殘余變形、強度損失的影響作用，試驗表明：早期受凍混凝土隨著預養(yǎng)護時間的增長，可凍水含量逐漸減少，但化學結(jié)合水卻隨之增多；新拌混凝土立即受凍時含冰量與凍結(jié)溫度幾乎無關(guān)，但當混凝土適當預養(yǎng)后含冰量、強度損失就隨預養(yǎng)強度的提高而減少，并隨著凍結(jié)溫度的下降而升高.

巴恒靜和胡曉鵬等[6-10]研發(fā)了測量早凍混凝土凍脹應力的設(shè)備，得出不同配合比早凍混凝土凍脹應力的規(guī)律和不同受凍制度對混凝土抗壓強度及抗折強度的影響規(guī)律.研究表明：早期受凍混凝土后期抗壓強度降低多達30%、抗折強度降低15%～25%，另外從凍脹應力的角度可以很好地解釋早凍混凝土抗壓、抗折強度的變化；引氣劑與防凍劑可以很好的減少混凝土凍脹應力，而粉煤灰以及礦渣產(chǎn)生的作用相反.

楊少偉等[11-15]探討了3種負溫及2種自然變負溫養(yǎng)護條件下后轉(zhuǎn)標準養(yǎng)護混凝土的抗壓強度與動彈性模量的變化規(guī)律.研究表明：動彈性模量隨時間變化規(guī)律可描述在不同負溫下混凝土的受損程度，而不同凍結(jié)模式下負溫混凝土的動彈性模量發(fā)展規(guī)律具有一定差異.

朱衛(wèi)中等[16-19]研究了不同含義下負溫混凝土中凍脹理論在新拌混凝土受凍過程中的影響作用，并提出了廣義抗凍臨界強度的概念和負溫混凝土抗凍臨界強度的數(shù)學模型，同時表達新拌混凝土凍結(jié)時水分在中心質(zhì)界面向冷區(qū)遷移是造成混凝土早期受凍破壞的重要因素.

楊英姿等[20-22]研究了粉煤灰、硅灰和不同種類防凍劑對水泥凈漿、砂漿和混凝土力學性能的作用效果并且通過電鏡、能譜、X 射線、顯微硬度計等測試手段多方面探究了防凍劑混凝土界面過渡區(qū)的微觀結(jié)構(gòu).結(jié)果表明：防凍劑和礦物摻合料的復合使用可以改善負溫混凝土界面的微觀結(jié)構(gòu)；同時筆者亦研究了坍落度、摻與未摻防凍劑混凝土在不同預養(yǎng)時間下的抗壓強度、凍融后混凝土強度損失率和滲透性能，并通過混凝土受凍臨界強度進行分析表明：經(jīng)過預養(yǎng)達到受凍臨界強度的未摻防凍劑混凝土其抗凍、抗?jié)B性能波動范圍仍然較大.

董淑慧和江守恒[23,24]采用汞壓法，電子顯微鏡觀測等實驗方法，研究了不同凍結(jié)溫度下早期凍結(jié)混凝土的孔徑分布，微觀結(jié)構(gòu)和抗壓強度隨齡期而變化的狀況.研究了負溫度混凝土的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀力學性能間的內(nèi)在聯(lián)系.結(jié)果表明：預養(yǎng)護溫度越低，混凝土初始結(jié)構(gòu)越松散，小于20 nm的凝膠孔隙含量明顯減少，混凝土的抗壓強度也隨之降低.

胡曉鵬等[25,26]經(jīng)過不同摻合料種類和摻量即不同配合比、不同預養(yǎng)時間的混凝土早期受凍試驗，對比探究了早齡期受凍混凝土表面損傷形態(tài)，研究了預養(yǎng)護時間、摻合料種類和摻量對早凍混凝土服役期承載性能以及耐久性的影響.研究表明：新拌混凝土預養(yǎng)時間對混凝土力學性能的影響程度均表現(xiàn)為2 h>0.5 h≈8 h>1 d>3 d；隨著摻合料摻量的增加，混凝土抗?jié)B性能變差；同時通過對不同起凍時刻早期受凍混凝土服役性能的測試，研究了起凍時刻對混凝土損傷形態(tài)、強度劣化、相對動彈性模量、滲透性能及孔隙結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律及作用機理.

鈕長仁等[27]探討了不同早期凍結(jié)模式下負溫度泵送混凝土強度和動彈性模量的損傷程度.同時，運用傳感器監(jiān)測混凝土的凍融過程.研究表明：摻防凍劑可有效減小混凝土內(nèi)部應變，且混凝土轉(zhuǎn)正溫養(yǎng)護后其應變急劇變化，后趨于穩(wěn)定，且受凍溫度和防凍劑的摻量與混凝土抗壓強度極度相關(guān).

聶治平[28]做了普通混凝土以及粉煤灰、外加劑雙摻混凝土早期凍融循環(huán)前后以及恢復標養(yǎng)后的滲透性能和抗壓強度的變化趨勢.結(jié)果表明：水灰比越大、凍融溫度越低，凍融破壞越嚴重，恢復標養(yǎng)后的愈合幅度越大，凍結(jié)溫度對雙摻混凝土恢復標養(yǎng)后的抗?jié)B性能影響極大.

郝冠軍[29]探究了養(yǎng)護條件對混凝土早期性能、后期耐久性能以及彼此的相關(guān)性.研究結(jié)果表明：水灰比、凍結(jié)溫度、硅灰摻量和粉煤灰摻量對混凝土的受凍臨界強度有著重要影響且其影響力依次減弱，水灰比較大的早凍混凝土恢復標養(yǎng)后性能恢復程度更大，且混凝土早期抗?jié)B透性和后期耐久性有較大的相關(guān)性.

汪青杰和張延年等[30-31]對不同齡期的混凝土試塊，分別在混凝土凍融試驗機和冬季混凝土室內(nèi)外自然環(huán)境狀態(tài)下，對不同預養(yǎng)時間的混凝土進行質(zhì)量損失和抗壓強度損失的試驗研究，得出了齡期與質(zhì)量、抗壓強度的變化規(guī)律，研究表明：齡期越早、凍融時間越長混凝土表面破壞越嚴重，2種受凍條件下凍融時間與質(zhì)量損失率的關(guān)系曲線大致相近，受凍時間越長，抗壓強度越小，質(zhì)量損失和齡期成反比例關(guān)系.

國內(nèi)外學者對早期受凍混凝土的材料性能進行了深入的研究，早期受凍混凝土的損傷是1個由表及里的過程，隨著損傷的加深逐漸形成損傷層，但有關(guān)早期受凍損傷層厚度變化規(guī)律和力學性能退化規(guī)律至今還存在空白，還需要進行深入的研究.

3 早期受凍鋼筋混凝土粘結(jié)及構(gòu)件承載性能研究

早齡期受凍混凝土結(jié)構(gòu)中，早凍損傷亦對鋼筋與混凝土粘結(jié)性能、構(gòu)件承載性能產(chǎn)生極大的影響，對構(gòu)筑物的安全性造成極大威脅，故許多學者進行了相關(guān)方向的研究工作.

黃海達和辜熠[32]通過鋼筋與混凝土的中心拔出試驗，研究了不同溫度，不同強度，相對錨固長度一定但不同鋼筋直徑對變形鋼筋與混凝土粘結(jié)性能的影響規(guī)律.

李會杰和謝劍等[33-35]分析了不同溫度、鋼筋直徑、保護層厚度、錨固長度以及鋼筋型號等不同參數(shù)對鋼筋與混凝土粘結(jié)錨固破壞特征和粘結(jié)性能的影響.研究表明：溫度和保護層厚度對低溫和超低溫粘結(jié)強度提高系數(shù)起決定性作用，并且提出了低溫和超低溫極限粘結(jié)強度的計算公式.

徐穎哲[36]對不同強度等級、凍融循環(huán)次數(shù)下反復荷載對鋼筋與混凝土粘結(jié)性能的影響進行了試驗研究，分析了影響規(guī)律并建立了反復荷載作用下凍融損傷鋼筋與混凝土的粘結(jié)-滑移本構(gòu)模型.

劉麗霞和任慧韜等[37-38]主要研究了新拌混凝土立即受凍對鋼筋與混凝土粘結(jié)性能、鋼筋混凝土梁抗彎性能的影響作用，探討不同溫度、不同養(yǎng)護條件和不同混凝土強度的影響作用.試驗表明：養(yǎng)護條件對鋼筋混凝土粘結(jié)試件的破壞形式有較大影響，鋼筋混凝土粘結(jié)性能損失隨混凝土強度等級降低而變大，早齡期受凍鋼筋混凝土梁的承載性能出現(xiàn)退化，且隨混凝土強度損失的增加而更加嚴重.

冀曉東和徐存東等[39-40]研究建立了凍融循環(huán)后混凝土的各力學性能指標與凍融循環(huán)作用次數(shù)的關(guān)系式；對不同外形、直徑、粘結(jié)長度的鋼筋進行與混凝土在凍融破壞后的中心拔出試驗.試驗表明：含有光圓鋼筋的中心拔出試件的鋼筋與混凝土極限粘結(jié)強度較含有加肋鋼筋的試件大幅度降低，且鋼筋與混凝土的極限粘結(jié)強度與鋼筋直徑、鋼筋粘結(jié)長度成反比例關(guān)系，建立了混凝土凍融損傷本構(gòu)模型、全面分析了凍融后鋼筋與混凝土粘結(jié)性能退化機理、以及進行了凍融破壞后混凝土的可靠度分析及剩余壽命預測.

王玨[41]研究了施工期受凍時，不同受凍溫度、不同防凍劑摻量、不同養(yǎng)護條件對混凝土與鋼筋粘結(jié)性能、梁抗彎性能的影響作用.研究表明：低溫條件下，防凍劑摻量不足、養(yǎng)護措施不當會造成鋼筋與混凝土之間粘結(jié)性能退化，施工期受凍后梁的跨中撓度變化較大.

關(guān)虓[42，43]等采用了氣凍氣融試驗方法，試驗研究了在凍融循環(huán)作用下混凝土梁的力學性能變化規(guī)律，探索了鋼筋混凝土梁相對動彈性模量、損傷層厚度與凍融循環(huán)次數(shù)之間的聯(lián)系，并分析了凍融循環(huán)作用下鋼筋混凝土梁承載能力的劣化規(guī)律以及對變形的影響作用，分別建立了全截面等效和基于分層理論的凍融鋼筋混凝土梁承載能力計算模型，且分析表明分層模型與試驗結(jié)果更加吻合.

王國業(yè)等[44]對不同強度等級、受凍時長的鋼筋混凝土梁進行早齡期受凍試驗.結(jié)果表明：早期受凍后梁仍然符合平截面假設(shè)，混凝土強度等級越低、受凍天數(shù)越長，相應混凝土梁的開裂荷載、屈服荷載和極限荷載下降幅度越大，并且通過擬合得出鋼筋混凝土梁在早期受凍影響下抗彎承載力計算模型，可在一定程度上指導設(shè)計和施工.

胡曉鵬[45]系統(tǒng)研究了早齡期鋼筋混凝土受彎構(gòu)件和偏壓構(gòu)件承載性能的時變規(guī)律，通過拉拔試驗對粉煤灰混凝土的粘結(jié)性能的時變規(guī)律進行分析,并建立相應的本構(gòu)關(guān)系，且均通過有限元方法對相應構(gòu)件進行分析并與相應試驗結(jié)果相對照且吻合較好.

國內(nèi)外已經(jīng)開展了許多關(guān)于早齡期受凍鋼筋混凝土構(gòu)件的試驗研究，主要都是研究梁抗彎受力性能和粘結(jié)性能，并推導出了各影響因素下的承載力計算公式和粘結(jié)-滑移本構(gòu)模型.但試驗環(huán)境基本出自實驗室恒溫負溫環(huán)境，與真實環(huán)境的多次凍融有一定區(qū)別，研究真實環(huán)境下的早期受凍混凝土更有現(xiàn)實意義，在施工溫度、外加劑摻量、養(yǎng)護條件等多因素影響下的早期混凝土構(gòu)件和粘結(jié)性能的研究能為冬季防凍害提供更為現(xiàn)實的意義.

4 結(jié)論與展望

通過總結(jié)國內(nèi)外學者相關(guān)研究工作，可以了解到對早齡期受凍混凝土損傷機理、性能評定、影響因素的分析取得一定的成果：

(1)提出水分遷移使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生應力是混凝土早齡期破壞的主要原因，其他受凍損傷機理假說雖可在一定程度上解釋相關(guān)現(xiàn)象但不夠全面；

(2)對早期受凍混凝土材料性能影響因素如預養(yǎng)護時間、預養(yǎng)強度、凍結(jié)溫度、水灰比、礦物摻合料、引氣劑、防凍劑等的影響作用做了深入探討，采用了汞壓、硬化混凝土孔結(jié)構(gòu)分析儀、電鏡、能譜、X射線、顯微硬度儀等試驗手段測試早凍混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，并動態(tài)監(jiān)測混凝土的凍融過程，同時結(jié)合混凝土的宏觀特征如抗壓抗折強度、凍脹應力、動彈性模量、受凍臨界強度等來相互印證并分析各影響因素的作用效果，并建立了一定的計算模型；

(3)關(guān)于早期受凍鋼筋與混凝土粘結(jié)性能通過對不同溫度、混凝土強度、鋼筋規(guī)格型號、錨固長度、保護層厚度、凍融循環(huán)次數(shù)、防凍劑、摻合料條件下的試驗研究，分析各影響因素的作用規(guī)律和影響機理，建立各水平下的計算公式和本構(gòu)模型；

(4)對早期受凍鋼筋混凝土構(gòu)件承載性能的試驗研究集中在不同養(yǎng)護條件、混凝土強度、防凍劑摻量下構(gòu)件承載性能的劣化規(guī)律，并基于各理論研究方法建立了承載能力計算模型，對工程設(shè)計與施工起到了一定的指導意義.

通過對相關(guān)早齡期受凍混凝土試驗研究進行的概述，認為存在下列問題需要進行進一步研究：

(1)早期受凍混凝土材料的損傷機理任需進一步深化探討，繼續(xù)開展相應的動態(tài)監(jiān)測，同時基于電子顯微鏡、光學掃描聚焦顯微鏡、核磁共振等技術(shù)對早齡期混凝土隨受凍過程分析混凝土材料內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)、骨料與凝膠體界面分形特征、不飽和含水孔隙分布、微裂縫產(chǎn)生及發(fā)展等微細觀指標變化特點，再進一步結(jié)合宏觀層次上復雜的變形力學研究來闡述混凝土材料早齡期的受凍破壞機理.

(2)由于混凝土材料本身的離散性且試驗條件與操作方法難以標準統(tǒng)一，因而產(chǎn)生的誤差與隨機性較大，從而造成難以預測和評估早期受凍混凝土材料和鋼筋混凝土構(gòu)件的各項性能，可著眼于混凝土材料的細觀力學模型進行仿真技術(shù)分析，或者數(shù)值模擬深入研究鋼筋混凝土材料在復雜環(huán)境條件下、荷載條件下的變形、損傷甚至破壞具有重要意義.

(3)混凝土早期受凍損傷是一個系統(tǒng)性的研究工作，關(guān)鍵在于對不同條件下混凝土受凍對于早期的定義，詳細劃分新拌混凝土即刻受凍、初凝前受凍、初凝后終凝前受凍、終凝后受凍或者是抗凍臨界強度前后受凍，再詳細探討隨受凍進行中各性能指標的過程變化規(guī)律對指導實際工程具有重要的參考作用.