混凝土冻融破坏机理的分析

魏宪发

(黑龙江省交通科学研究所)

1 冻融破坏机理

在北方地区的寒冷季节，混凝土硬化后存留在毛细孔中的自由水遇冷冻结冰会发生体积膨胀，引起混凝土内部结构的破坏，称混凝土冻融破坏。

事实上，一般情况下，毛细孔中的水结冰并不会使混凝土内部结构遭到严重破坏，因为混凝土中除了毛细孔之外，还有一些水泥水化后形成的胶凝孔和其他原因形成的非毛细孔，这些孔隙中常混有空气，当毛细孔中的水结冰膨胀时，这些气孔能起缓冲作用，能将一部分未结冰的水挤入胶凝孔中，从而减小膨胀压力，避免混凝土内部结构破坏。但当混凝土处于饱水状态受冻时，其毛细孔壁同时承受毛细孔冰晶膨胀压和凝胶孔渗透压两种压力，当这两种压力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土就会开裂;在反复冻融循环后，混凝土中的裂缝由表及里相互贯通，其强度逐渐降低，直至完全丧失使用性能。

混凝土的抗冻性与其内部孔结构、水饱和程度、受冻龄期和混凝土的强度等许多因素有关，其中最主要的因素是它的孔结构，而混凝土的孔结构是由混凝土水灰比、添加剂和施工养护方法等因素决定的。一般来说，水灰比较小、内部孔隙少、密实且强度高的混凝土抗冻性较好;添加引气剂使混凝土结硬后内部包含大量分布较为均匀的封闭微气孔，可以大大改善混凝土的抗冻性。

2 冻融破坏对材料参数的影响

(1)削减构件截面尺寸

冻融破坏一般先使构件边角混凝土(应力比较集中的部位)开裂、剥落和松脱，然后从表面开始向内部剥落，使构件截面积削减，可以在现场实测出构件尺寸削弱情况，以实际尺寸带入结构力学计算模型和承载力计算公式。

(2)降低混凝土强度和弹性模量

冻融循环使得混凝土内部结构逐步解离和破坏，材料呈松脆化趋势，强度和弹性模量明显降低。在用慢冻法测混凝土抗冻标号的试验中，当冻融循环次数到达混凝土抗冻标号值时，混凝土强度下降接近25%，可见强度的降低是不可忽视的。但目前对于混凝土抗冻标号、混凝土饱水程度、冻融循环次数、质量损失等因素与混凝土强度降低之间的量化关系，并没有可资引用的研究成果，因而如何确定旧桥结构混凝土经多次冻融循环作用后的剩余强度，是个有待探讨的课题。

通过已有大量混凝土抗冻性试验资料可以看出，混凝土质量损失与冻融循环次数近似呈抛物线关系且同一批混凝土抗冻性表现较为稳定，如图1中三组试件测得曲线所示。图中横坐标为冻融循环次数C(次)，纵坐标为混凝土质量损失百分数L(%)，设两者的数量关系可近似由式(1)表达

式中:L为混凝土经C次冻融循环后的质量损失百分数;C为冻融循环次数;k为待定系数;x为待定指数。

图1 混凝土质量损失与冻融循环次数关系曲线

观察比较图1中各组试件给出的曲线，可知式(1)中待定参数k和x是随混凝土自身抗冻性能变化而变化的。若已知方程(1)的两个边界条件(不包含坐标原点)，就可以确定两个待定参数的取值。一个现成的边界条件就是按现有相关混凝土试验规范规定，当混凝土冻融循环次数达到其抗冻标号N时，其质量损失达到5%;另一个边界条件可以从冻融循环到一定次数时取某组试件L－C曲线上某一稳定的中间点来获得，假定该点坐标为(Cs，Ls)，这样就可以得到关于待定参数k和x的两个方程(2)和(3)

联立方程(2)、(3)可以求解出待定参数k和x的表达式为)得到参数k和x的值以后，函数关系式(1)的形式就确定了。

要通过试验得到混凝土强度损失百分数Lf与冻融循环次数C的关系曲线，工作量、试件消耗和难度都很大，因此难以实现。由于质量损失是混凝土受冻融循环造成内部结构损伤、解离的直观表现，而混凝土内部结构损伤与强度损失也是直接相关的，因此可合理假定混凝土强度损失规律与质量损失规律线性相似，即在(1)式右边乘上某常数e就可得到混凝土强度损失规律。根据现有相关混凝土试验规范规定，当混凝土冻融循环次数达到其抗冻标号N时，其强度损失达到25%，对应的质量损失如前述为5%，由此可推得常数e的值为5，于是混凝土强度损失规律就可以通过改写(1)式得到

式中:Lf为混凝土经C次冻融循环后的强度损失百分数，%;C为冻融循环次数，次;k、x为待定参数，求法同前。

则混凝土经C次冻融循环后的剩余强度为

式中:fcr为混凝土经C次冻融循环后的剩余强度;fpr为混凝土未经冻融循环的强度;kft为冻融循环对混凝土强度折减系数，kft=1－Lf%。

在旧桥现场，应尽量通过实测手段得到混凝土经冻融循环后的剩余强度。在难以实测或实测无效的情况下，可以先查询混凝土设计强度、抗冻标号N和相关施工记录，结合桥梁所处气候和水文环境估算混凝土发生冻融循环的总次数C，再参考现有相同抗冻标号混凝土的抗冻性试验资料，计算得到所需相关参数后代入公式(5)、(6)估算混凝土剩余强度。

［1］孙全胜，李伟林，尚云龙等.旧桥承载力模型与仿真［M］.哈尔滨地图出版社，2007.14～19.

［2］姜海波，车惠民.铁路钢筋混凝土梁和预应力混凝土疲劳抗剪可靠度［J］. 铁道学报，1997，(1).

［3］王济川，王浩.建筑物的损伤诊断与对策［M］.中南工业大学出版社，1993.