混凝土冻融破坏机理的研究

典型混凝土的冻融破坏

当结构处于冰点以下环境时,部分混凝土内孔隙中的水将结冰,产生体积膨胀,过冷的水发生

迁移,形成各种压力,当压力达到一定程度时,导致混凝土的破坏.混凝土发生冻融破坏的最显著的特征是表面剥落,严重时可以露出石子.

修补措施主要有以下一些方法：表面修补法，灌浆、嵌逢封堵法，混凝土置换法。

1.表面修补法

表面修补法是一种简单、常见的修补方法，它主要适用于防渗层仍大致平整，无较大错位，裂缝较小的情况的处理。通常的处理措施是在裂缝的表面涂抹水泥浆、环氧胶泥或在混凝土表面涂刷油漆、沥青等防腐材料，在防护的同时为了防止混凝土受各种作用的影响继续开裂，通常可以采用在裂缝的表面粘贴玻璃纤维布等措施。

2.灌浆、嵌逢封堵法

灌浆法是利用压力设备将胶结材料压入混凝土的裂缝中，胶结材料硬化后与混凝土形成一个整体，从而起到封堵加固的目的。常用的胶结材料有水泥浆、环氧树脂、甲基丙烯酸酯、聚氨酯等化学材料。

嵌缝法是裂缝封堵中最常用的一种方法，它通常是沿裂缝凿槽，在槽中嵌填塑性或刚性止水材料，以达到封闭裂缝的目的。常用的塑性材料有聚氯乙烯胶泥、塑料油膏、丁基橡胶等等；常用的刚性止水材料为聚合物水泥砂浆。

3.混凝土置换法

混凝土置换法是处理严重损坏混凝土的一种有效方法，此方法是先将损坏的混凝土剔除，然后再置换入新的混凝土或其他材料。常用的置换材料有：普通混凝土或水泥砂浆、聚合物或改性聚合物混凝土或砂浆。

摘要本研究采用混凝土实体，通过快速冻融试验来探索混凝土水饱和状态下，冻融过程中的破坏机理.研究的混凝土品种有普通混凝土、引气混凝土和高强混凝土.冻融破坏过程中性能变化的测试项目包括抗压强度、抗弯强度、抗拉强度、动弹性模量、饱和面干吸水率和孔结构、水化产物的电镜分析以及X衍射分析。试验结果说明，混凝土的冻融破坏，是一个物理破坏过程，不同种类混凝土的破坏机理是不尽相同。

关键词引气，非引气，混凝土，抗冻融，强度，吸水率，孔结构，微观结构。

本文于1997年7月10日收到。

冻融破坏是我国东北、西北和华北地区水工混凝土建筑，在运行过程中产生的主要病害，对于水闸、渡槽等中小型水工混凝土建筑物，冻融破坏的地区范围更为广泛，除三北地区外，华东、华中的长江以北地区以及西南高山寒冷地区，均存在此类病害.较为典型的工程如东北的云峰水电站，大坝建成运行不到10年，溢流坝表面混凝土冻融破坏面积就高达10000m2，占整个溢流坝面的50%左右，混凝土平均冻融剥蚀深度达10cm以上。

混凝土的冻融破坏，是国内外研究较早、较深入的课题.从40年代以后，美国、原苏联、欧洲、日本等均开展过混凝土冻融破坏机理的研究，提出的破坏理论就有5～6种。如美国鲍尔斯(T.C. Powers)提出的冰胀压和渗透压理论等［1，2］，

但大部分是从纯物理的模型出发，经假设和推导而得出的，有些是以水泥净浆或砂浆试件通过部分试验得出的，因此迄今为止，对混凝土的冻融破坏机理，国内外尚未得到统一的认识和结论。

本研究采用混凝土实体试件，在水饱和条件下进行快速冻融试验，通过混凝土在冻融过程中宏观特性和微观结构的测试，较为直接地进行混凝土冻融破坏机理的研究。

1 研究方法

混凝土冻融试验以混凝土实体试件进行，试件尺寸10cm×10cm×40cm，二级配混凝土.混凝土配合比见表1。

表1 混凝土配合比

说明：水泥为普硅525＃；引气混凝土掺SJ引气剂；高强混凝土掺NB高效减水剂；北京砂石料。

试验是以快冻法进行，冻结时混凝土试件的中心温度为-15～-17℃，融化时，试件中心温度为6～8℃，一次冻融循环为3h左右，试件在冻结和融化过程中均处于全浸水状态(亦即饱水状态)，冻融试验机采用日本产ATM全自动混凝土冻融

试验机。试验按水工混凝土试验规程SD105—82有关规定进行。混凝土抗压强度、抗折强度、抗拉强度、动弹性模量的测试也均按水工混凝土试验规程SD105—82进行。

混凝土饱和面干吸水率，是混凝土密实程度的一种间接表示指标。一般情况下，混凝土密实度越差，即孔隙率越大则饱和面干吸水率越高；反之，密实度越高，孔隙率越小，其吸水率也就越低.混凝土的饱和面干吸水率的计算方法如下：将混凝土浸泡水到饱和(一般泡3～4d达饱和，试件重量不再增加)，擦去表面浮水至面干后称重，再行烘干至恒重，饱和面干试件与干试件的重量差与干试件的重量比，即为混凝土试件的饱和面干吸水率。

本次研究混凝土饱和面干吸水率的变化，也是从一个侧面反映混凝土在冻融过程中密实度的变化过程。

混凝土冻融破坏过程中的微孔结构变化，是采用9162A型水银高压测孔仪(上海大隆机器厂生产，其最大压力可达400MPa)来完成的。根据水银在微孔介质中运动的规律，压力与水银进入毛细孔的孔径有如下的关系。

= 750／r (1)

P

1

——压力值(MPa)；r——毛细孔半径(nm)。

式中： P

1

根据式(1)可得出，该测孔仪所能测得的最小孔径为1.875nm.在样品实际测试时，样品最大压力控制在300MPa，因此，实际最小测孔半径为2.5nm.该仪器的工作压力和最小测孔值达到目前国外同类产品的最高水平。

混凝土冻融破坏过程中水化产物的形态和结构是采用扫描电子显微镜来观测的，其放大倍数一般为1000～3000，也可达5000，通过扫描电镜可以相对比较混凝土中水泥水化产物的结构形态，也可相对比较不同样品中某种水化产物的多寡程度.扫描电镜试验是在北京理化分析中心进行的。

混凝土冻融破坏过程中对水化产物成分的影响是通过X射线衍射试验进行的。由于X射线对不同的结晶体有不同的衍射特性，因此通过衍射峰值的大小即可相对比较水泥混凝土中水化产物成分的相对含量，X射线衍射试验也是在北京理论分析中心进行的。

2 混凝土冻融破坏过程中宏观特性的研究。

2.1 普通混凝土和引气混凝土冻融过程宏观特性变化见表2，表3。

表2 普通混凝土冻融过程中宏观特性试验结果

说明：W／C =0.65；二级配混凝土；含气量1.5%。

表3 引气混凝土冻融过程中宏观特性试验结果

说明：W／C =0.65，二级配混凝土；含气量6%。

由表2、3可以得出以下结论：

(1) 随着冻融次数的增加，混凝土的强度特性均呈下降趋势，其中反映最敏感的是抗拉强度和抗折强度，即随着冻融次数的增加，混凝土的抗拉强度和抗折强度迅速下降，而抗压强度下降趋势较缓，如以目前抗冻标准中动弹模下降40%作为一个临界值，则普通混凝土抗拉强度只剩51.6%，抗折强度剩30.9%，抗压强度还有84.8%；引气混凝土达抗冻临界值时，抗拉强度只剩28.6%，抗折强度剩35.8%，抗压强度剩49.5%。

(2)失重率也是混凝土抗冻性的一个评价指标，从试验结果可以看出，随着冻融次数的增加，对普通混凝土来讲，动弹模下降40%时，失重率为负值(混凝土尚未产生剥蚀，而吸水率增加之故)，重量并不发生损失，但此时混凝土的抗拉、抗折强度等均发生了明显的变化，因此对于普通混凝土，尤其是结构性混凝土，用重量损失来作为破坏的评估指标，就不一定合适了.而对引气混凝土而言，失重率比普通混凝土较为显著，如动弹模下降40%时，失重率已达3.07%，即表面已发生了明显的剥蚀。因此失重率这一指标对引气混凝土抗冻性的安全评估仍有一定的意义。

(3)饱和面干吸水率是混凝土毛细孔隙率的一个间接指标，也是混凝土密实程度的一种标志，从试验结果中可看出，混凝土随着冻融破坏的发生，无论普通混凝土或引气混凝土，其吸水率均呈逐步增加的趋势.这一结果从宏观上说明，混凝土在冻融破坏过程中内部孔隙是逐步增加的，而密实度是逐步下降的，这与宏观强度的下降是一致的。

2.2 高强混凝土冻融特性试验结果列表4。

表4 高强混凝土冻融过程中宏观特性试验结果

由表4可以看出：

(1)高强混凝土具有很高的抗冻能力，经600次冻融循环后，其动弹模仍在90%以上，而且混凝土表面不产生脱皮剥落现象，失重率为负值。由此可以得出，除了采用引气混凝土外，采用超低水灰比和高效减水剂而制作的高强混凝土

(R>80MPa)，同样可以具备非常高的抗冻融能力，抗冻标号可达D600以上，这一试验结果，在国内是首次。

(2)高强混凝土由于水灰比很小，因此混凝

土的密实度很高，冻融前混凝土的饱和面干吸水率仅0.79%，比普通混凝土(5.56%)和引气混凝土(4.85%)要低5～7倍.正由于高强混凝土具有超常的密实度，因此也就具备了超常的抗冻性。

(3)高强混凝土在冻融过程中，其宏观力学特性也随着冻融循环的增加，而产生逐步的降低。试验结果表明，经600次冻融循环后，混凝土抗压强度下降了14.4%，抗折强度下降了25.9%，抗折强度下降的百分率明显的大于抗压强度.这一结果与普通混凝土和引气混凝土冻融过程中强度特性的变化规律是相似的。

图1 冻结温度与混凝土冻融破坏

的关系

2.3 冻结温度和冻融速率对混凝土冻融破坏的影响冻结温度和冻融速率对混凝土冻融破坏过程的影响试验，都是采用普通混凝土进行的.混凝土中心的冻结温度分3个等级即-5℃、-10℃和-17℃，融化温度均为+5℃。3个冻结温度下混凝土冻融试验的结果列表5和图1。

由表5的结果可以看出，冻结温度对混凝土的冻融破坏有明显的影响，当冻结温度-17℃时，普通混凝土只能承受7个冻融循环，当冻结温度提高到-10℃时冻融循环增加到12个，而当冻结温度提高到-5℃时，混凝土承受的冻融循环数将大幅度提高，即提高到了133次，由图1可以进一步看到冻结温度由-5℃降低到-10℃时，混凝土的冻融破坏效果将出现一个突变，也即当混凝土中最低冻结温度达-10℃时，冻融破坏的力量将明显加大。因此对于混凝土冻结温度有可能到达-10℃或更低温度的建筑物，必须设计较高的抗冻标号。

冻结速率的影响试验分两个等级，一个从+5～-17℃每个循环为3h，相应的冻结速率为0.2 ℃／min，另一个等级是从+5～-17℃每一循环为4h，相应的冻

结速率为0.17℃／min。两种冻结速率对混凝土破坏的影响结果列表3—6。

表5 冻结温度对混凝土冻融破坏的影响表6 不同冻结速度对混凝土抗冻性的

影响

由表中结果可以看出，冻结速率对混凝土的冻融破坏有一定的影响，冻结速率提高，冻融破坏力加大，混凝土容易破坏。

3 混凝土冻融过程中微观结构的研究

3.1 混凝土冻融破坏过程中微孔特性的变化规律用高压水银测孔仪对普通混凝土和引气混凝土试样冻融前后微孔结构进行了测试，结果列于表7、8和图2～5所示。高强混凝土冻融前后微孔测试结果列表9和图6～7。

1—冻前；2—冻后(19次)1—冻前；2—冻后(19次)

图2 普通混凝土冻融前后压汞量曲线图3 普通混凝土冻融前后微孔分布曲线

表7 普通混凝土冻融前后微孔结构测试结果

表8 引气混凝土冻融前后微孔结构测试结果

logr

logr 1—冻前；2—冻中(225次)；3—冻后(300次)1—冻前；2—冻中(225次)；3—冻后(300次)

图4 引气混凝土冻融前后压汞量曲线图5 引气混凝土冻融前后微孔分布曲

线

logr

logr

1—冻前；2—冻融600循环1—冻前；2—冻融600循环

图6 高强混凝土冻融前后压汞量曲线图7 高强混凝土冻融前后微孔分布

曲线

表9 高强混凝土冻融前后微孔结构测试结果

经初步分析试验结果，可以看出：

(1)混凝土冻融破坏过程中微孔隙含量在逐步增加，普通混凝土冻前总压汞量为9.30×10-2ml/g，冻融达破坏后总压汞量为11.16×10-2ml/g，总压汞量增加了

20%，亦即混凝土中孔隙含量(体积)增加了20%。引气混凝土冻融前压汞量为8.18×10-2ml/g，冻融225次时(动弹下降近30%)总压汞量为10.90×10-2ml/g，增加33% ，冻融300次时(动弹下降近40%)总压汞量为13.48×10-2ml/g，增加近65%，引气混凝土冻融破坏过程中，孔隙含量的增值又明显多于普通混凝土，无论引气混凝土或普通混凝土，微孔含量增加的范围主要在25～150nm。

(2)无论普通混凝土还是引气混凝土，在冻融前后微孔分布曲线的峰值即最可几孔径，在逐步扩大，普通混凝土由39.8nm增大至72.4nm，引气混凝土由45.7nm 增大至98.6nm。说明混凝土在冻融过程中微孔含量和微孔直径均在增大。

(3)高强混凝土的微孔测试结果说明，高强混凝土内部的微孔总含量很小，总压汞量仅为3.29×10-2ml/g，而普通混凝土的总压汞量为9.30×10-2ml/g，高强混凝土中的微孔含量仅是普通混凝土的35.4%，由此可见高强混凝土具有非常高的密实性。由孔分布的结果可以看出，高强混凝土内部的微孔主要是2.5～

25nm(25～250A)。国外一些研究资料，如欧洲混凝土耐久性委员会，对孔结构及其对混凝土性能的影响用图3—8表示。由图中可以看出，高强混凝土内部的微

孔，主要属凝胶孔，这一类孔对混凝土的宏观特性无多大影响，因此也称作为无害孔.而普通混凝土内部的微孔大都属毛细孔，也可称作为有害孔和少害孔。正由于高强混凝土内部微孔含量很少，且又主要属凝胶孔，因此决定了高强混凝土具有很高的抗冻性.本次研究中，高强混凝土经600个冻融循环后，动弹模仍为94.5%，无重量损失，冻融前后的压汞曲线和孔分布曲线基本相似，总压汞量仅增加2%，变化很小，进一步说明了高强混凝土良好的抗冻融性能。

图8 混凝土中微孔类别与耐久性的关系

3.2 混凝土冻融破坏过程中微观结构的电镜分析用扫描电镜对普通混凝土和引气混凝土，冻融前后的试样进行了微观结构的观测和分析，测试结果如图9～13所示。

(1)混凝土在冻融过程中，水化产物的结构状态发生了明显变化，即由冻融前的堆积状密实体(图9)逐步变成疏松状态，且水化产物结构中出现了微裂缝(图10)，这些微裂缝数量和宽度随着冻融过程的增加而增多和加宽。

(2)引气混凝土在冻融破坏前后，除发生了上述现象外，还发现随着冻融过程的增加，混凝土中原来完整封闭的气泡，气泡壁逐步出现了开裂，并且裂缝的数量和宽度也随冻融过程的增加而增加，如图11～13所示。因为引气混凝土中气泡冻融前是密闭的，汞是进不去的，而当气泡壁出现裂缝后，汞液在较高的压力下就可能压进去，这时压汞量必须出现进一步增加的趋势，可以认为这就是引气混凝土冻融破坏过程中，压汞量增加值大于普通混凝土的原因。

图9 普通混凝土冻融前水化产物结构 图10 普通混凝土冻融后水化产物结构

图11 引气混凝土冻融前气泡呈完整的封闭状态 图12 引气混凝土冻融225个循环时(动

弹模下降28%)，气泡壁已出现裂缝 3.3 混凝土冻融破坏过程中水化产物成分的测试分析 如图 14、15. 通过对普通混凝土和引气混凝土在

冻融前后的试样做X 射线衍射的结果进行比较和分析，可以初步得出，各种水化产物晶体的X 射线衍射峰值在冻融前后的试样中基本相似，这表明无论是普通混凝土还是引气混凝土在冻融过程中其水化产物的成分及含量基本保持不变，没有发生明显的化学反应。

通过压汞试验，扫描电镜和X 射线衍射分析可以看出，混凝土的冻融破坏过程从微观上看，实际上是水化产物结构

由密实状态到疏松状并产生微裂缝和微

图13 引气混凝土冻融300个循环时(动弹模下降40%)气泡壁裂缝进一步发展和增加

裂缝发展的过程，对引气混凝土来说，

原来封闭独立的气泡也随着冻融过程而

出现了裂缝并发展，从而使气泡逐步失

去了应力缓冲作用和渗透缓冲作用，最

终也导致了破坏。同时也表明，混凝土

的冻融破坏过程基本是一个物理变化过

程，在这变化过程中，其水化产物的成

分基本保持不变。

图14 混凝土冻融前X衍射试验结果

图15 混凝土冻融后X衍射试验结果

4 结论

(1)混凝土在冻融破坏过程中，宏观特性呈逐步下降的趋势，主要反映在密实度的降低和强度的下降。其中抗拉强度和抗折强度反映最为敏感，当混凝土动弹模下降40%时，抗拉强度和抗折强度将下降50%～70%，这是一个值得重视的问题。

(2)冻结温度越低和冻结速率越快，混凝土的冻融破坏力越强，冻结温度达-10℃时，是一个临界值，达到或低于这一临界值时要保证混凝土的抗冻耐久性，必须设计较高的抗冻标号.(3)混凝土冻融过程中的微孔测试和分析，是一项全新的探索工作，通过测试发现，混凝土在冻融破坏过程中微孔含量在逐步增加，微孔直径在逐步扩大。冻融破坏前后，普通混凝土微孔含量将增加20%左右，最可几孔径增大82%，而引气混凝土微孔含量将增加60%，最可几孔径增大116%.微孔增加较明显的孔径范围在25～150nm，属毛细孔。(4)高强混凝土冻融性能及微孔结构的研究，也是一次新的探索，经研究发现，高强混凝土具有非常高的密实性，

其内部微孔含量很小，仅为普通混凝土的1/3左右，且孔径范围主要在2.5～25nm 之间，属凝胶孔，因此高强混凝土具有超常的抗冻性，经600次冻融循环后，混凝土外观完好，无重量损失，动弹模下降5%左右，微孔含量只增加2%。(5)混凝土冻融过程中水化产物结构形态和成分的微观分析和测试，也是一项全新的探索，通过扫描电镜测试和X射线衍射分析，有了新的发现和结果.从微观水化产物结构上看，混凝土的冻融破坏过程，实际上是水化产物结构由密实体到松散体的过程，而在这一发展过程中，又伴随着微裂缝的出现和发展，而且微裂缝不仅存在于水化产物结构中，也会使引气混凝土中的气泡壁产生开裂和破坏，这是导致引气混凝土冻融破坏的主要原因。由于混凝土在冻融破坏过程中，水化产物的成分基本保持不变，因此，混凝土的冻融破坏过程可以基本上认为是一个物理变化过程。(6)混凝土冻融破坏过程中微观测试的结果与宏观特性测试结果是互为印证的，由于混凝土微孔结构的增加以及微裂缝的增加和发展，从而导致了混凝土宏观强度的下降和密实度的降低(吸水率增加)。(7)混凝土冻融破坏过程中的微观试验是本次研究的重点，虽然得到了一些新的发现和结果，但仍属初步的探索，还有待于今后进一步研究论证。

参考文献

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2.T C Powers. Freeging Efects in Concret. Durability of Conret. ACI,1975.

冻融对混凝土结构的劣化破坏

混凝土结构冻融破坏研究 桥梁与隧道工程1210 摘要：本文主要介绍了混凝土宏观和微观冻融的机理、混凝土构件冻融影响因素，通过对冻融破坏机理和影响因素分析，提出提高混凝土的抗冻性的对策 绪论 混凝土冻融破坏是由于混凝土中的游离水受冻结冰后体积膨胀，在混凝土内部产生应力，由于反复作用或内应力超过混凝土抵抗强度致使混凝土破坏。建筑材料的冻融行为，贯穿于人类社会的整个时代。也就是说，有了人类社会，就有了材料与结构的冻融行为。这对结构的维护和管理，无疑是一个很大的问题。在工业发展的过程中，对建筑材料的抗冻融抗除冰盐冻融的性能，进行了大量的摸索，建立了快速评价的经济方法。在此基础上又开展了混凝土冻融劣化、除冰盐冻融劣化机理研究。 混凝土冻融的机理 发生了宏观的应力 热膨胀系数不同 构成混凝土的水泥石和集料的热膨胀系数a T是很不同的,其在潮湿状态，水泥石和集料可能有不同点 表1-1 水泥石和集料的热膨胀系数 水泥石 集料 水泥石和冰的热膨胀不同而产生应力，在微小范围内，多次冻融循环进行过程中

有可能适应力进一步增长。水泥石和冰的不同热膨胀系数，清楚的显示出冻害劣化作用。通过扫描电镜检验，也证明了产生的应力使组织结构劣化。 层状的冻结 混凝土结构处于低温下，毛细管中的水分由热端向冷端迁移，也就是由内部向表面迁移。在受冻时混凝土表层先受冻，形成结冰层。在经过多次冻融循环下，混凝土表面发生剥离，又露出新的表面层，进一步剥离。这种部分的很大很深的剥落，是过去海水作用海岸钢筋混凝土结构物特有的一种冻融裂化形式。 温度急降的结果 除冰盐把雪和冰溶解时必须要有一定的热量。在混凝土道路上，在无风干燥的空气下也会有1000倍的蓄热量。故冰雪溶解时所需要的热量，混凝土表层温度急剧下降，从混凝土表面夺取热量，造成混凝土内部发生压应力和拉应力。微观劣化机理 水压 水的密度对温度来说，显示出一种特异的行为，水变成冰时，体积膨胀9%，也就是说，这时就必须排除相同体积的水。但是，在冰生成的周围都是饱和状态，没有适当缓和空间。按照powers的观点，发生了以水压力表征的内部压力。 当水压力超过了混凝土抗拉强度时就发生冻害。，水的压力大小，首先，被排除在周围没有膨胀的空间。因此，powers为了附加膨胀空间而掺入引气剂，而且气泡之间要有一定的距离，也就是气泡间隔系数。 水的压力还与受冻结水的量和冻融时冷却速度有关。在混凝土中有广泛深长的毛细管孔隙率与高的饱和度，冰形成速度高时，认为具有大的压力。但是试件中含水率91%以下时，也会导致劣化。对此powers认为，这是由于孔隙溶液最初在很大的孔隙中受冻的原因。然后冻结进一步进行，在比较小的孔隙中的溶液也开始受冻时，水的排除受到已有大孔隙中冰的阻碍。如果排除的水完全受到阻碍时，理论上认为发生的水压力是200N每平方毫米。 实际上发生的水压力非常小，因为冰的生成不是突然发生的，还有水泥石孔隙的水，并不是一次就完全冻结，而是处于不同温度下不同层次的冻结。即使如此，还必须考虑到特细毛细管受到前面已冻结冰的封堵，孔隙内还有液相存在，会再短的内压力可能达到峰值。

混凝土损伤的研究现状

混凝土结构损伤的研究现状 一、混凝土结构的损伤机制及分类 混凝土是由粗骨料、细骨料和水泥浆组成的非均质混合物，其表现出来的力学性能并不仅仅是这几种材料性能的简单叠加，而是与其内部的组成结构紧密相关。这一特点决定了混凝土材料的非均质性和物理性态的复杂性。这使得混凝土在承受外载之前，由于干缩、泌水等原因，已存在大量的微孔隙和界面裂缝，且这些缺陷的分布完全是随机的。当混凝土受到外界作用以后，弥散在材料内部的微裂缝开始逐渐长大，并随着荷载的变化，在部分区域出现贯通，直至形成宏观大裂缝。混凝土的破坏是结合缝的产生、成核、扩展、分叉、和失稳的过程。 混凝土具有微观、细观、宏观等不同的层次结构，以往对于混凝土的研究大多基于宏观层次，把混凝土均匀化为宏观均质连续材料，不考虑混凝土内部的细观结构及其演化。这种均匀化的处理方法对于研究混凝土结构的宏观力学性能无疑是行之有效的，但是要想深入研究混凝土的工作机理还应从混凝土的细观组成结构入手，抓住材料非均质性的特点，揭示混凝土结构宏观表现的内在机制。现在通常先在细观层次建立了混凝土的数值模型，分析混凝土损伤破坏机理，并以此为基础在宏观层次提出了混凝土损伤断裂理论分析模型，通过宏、细观两个层次的相互联系与补充对混凝的破坏行为进行研究。 从细观角度看，混凝土材料的力学特性是由其内部的细观结构及其变化决定的。作为一种典型的非均质材料，混凝土在多种尺度下都表现出了非均质性。根据复合材料的观点，将混凝土结构分为三级。第一级，即混凝土。可将砂浆视为基相，骨料视为分散相。骨料和砂浆的结合面为薄弱面，该处常因各种原因产生结合缝。混凝土的破坏首先从这里开始。第二级，即砂浆」将水泥视为基相，砂视为分散相。砂和水泥的结合面也是薄弱面，也产生结合缝，但其尺寸笔砂浆和骨料之间的结合缝至少小一个量级。第三级，即硬_ 化水泥浆。硬化水泥浆也不是匀质材料，其中包裹着一些未被水化的水泥颗粒及孔隙，他- 们就是缺陷。因此可将硬化水泥浆胶体视为基相，将这些缺陷视为分散相。水泥浆体的破坏可能从这些缺陷开始，裂纹由于克服硬化水泥浆分子间的引力而扩展。未被水化的水泥颗粒尺寸通常比砂和水泥浆的结合缝至少小几个量级。 从损伤力学的观点来看，如果混凝土体受到外界因素的作用，则混凝土体中原有损伤将会有所发展并会导致出现新的损伤，当损伤积累到一定程度时，混凝土体中将会出现宏观裂缝，而宏观裂缝的端部又将会发生新的损伤及产生新的损伤区，再经积累而引起裂缝的扩展，直至混凝土体的破坏，由上可见，混凝土的破坏过程实际上是损伤、损伤积累、宏观裂纹出现、宏观裂纹扩展交织发生的过程。 二、混凝土结构的破坏机理 在上述损伤机制下，混凝土的裂纹扩展存在四个阶段： （1）预存微裂纹阶段。即在混凝土成形过程中，由于水泥浆硬化干缩，水分蒸发留下裂隙等原因，使构件中预存原始微裂纹。它们大都为界面裂纹，极少量为砂浆裂纹，这些裂纹是稳定的。这些裂纹的存在是混凝土具有初始损伤的原因之一。 （2）裂纹的起裂和稳定扩展阶段。在较低的工作应力下，构件内部的某些点会产生拉应力集中，致使相应的预存微裂纹延伸或扩展，应力集中则随之缓解，如果荷载不再增加，

混凝土破坏准则1

混凝土破坏准则 三轴受力下的混凝土强度准则-------古典 1.混凝土破坏准则的定义：混凝土在空间坐标破坏曲面的规律。 2.混凝土破坏面一般可以用破坏面与偏平面相交的断面和破坏曲面的子午线来表现。 （偏平面是与静水压力轴垂直的平面，破坏曲面的子午线即静水压力轴和与破坏曲面成某一角度θ的一条线形成的平面） (b) （1）最大拉应力强度准则（rankine强度准则）古典模型 按照这个强度准则，混凝土材料中任一点的强度达到单轴抗拉强度ft时，混凝土即达到破坏。 σ1=ft，σ2=ft, σ3= ft. 将上面的条件代入三个主应力公式中得到： 当00≤θ≤600度，且有σ1≥σ2≥σ3时，破坏准则为σ1=ft.即： θ θ σ cos 3 2 3 cos 3 2 2 1 2 J I f J f t m t = - = - 可以得()0 3 3 2 , , 1 2 2 1 = - + =f I J J I t COS fθ θ 因为J I 2 12 , 3 = =ρ ξ所以0 3 cos 2 ) , , (= - + =f t fξ θ ρ θ ξ ρ

在pi 平面上有：0=ξ，所以03 cos 2=-f t θρ，故θρcos 23f t = （2）Tresca 强度准则 Tresca 提出当混凝土材料中一点应力到达最大剪应力的临界值K 时，混凝土材料即达到极限强度： K =---)2 1 ,21,21max( 1 33221σσσσσσ 他的强度准则中的破坏面与静水压力 I 1 ξ的大小没有关系，子午线是与ξ平行的平行 线，在偏平面是为一正六边形，破坏面在空间是与静水压力轴平行的正六边形凌柱体。 （3）von Mises 强度理论 他提出的理论与三个剪应力都有关 取： [] 2)(2)(2)(21 13322 1*-+*-+*-σσσσσσ=K 的形式 用应力不变量来表示为：03)( 22 =-=K f J J 注：von 的强度准则的破坏面在偏平面是为圆形，较tresca 强度准则的正六边形在有限元计算中处理棱角较简单，所以其在有限元中应有很广，但其强度与ξ没有关系，拉压破坏强度相等与混凝土的性能不符。 莫尔-库仑强度理论

不同类型的水对混凝土冻融破坏的影响

龙源期刊网 https://www.wendangku.net/doc/5713946855.html, 不同类型的水对混凝土冻融破坏的影响 作者：杨鹏飞 来源：《科技创新与应用》2013年第20期 摘要：文章论述了混凝土冻融破坏问题的重要性，着重研究影响混凝土冻融破坏因素中 不同类型的水对混凝土冻融破坏的影响，总结对混凝土冻融破坏的认识，为解决实际工程中冻融对混凝土的影响提供相关借鉴。 关键词：混凝土；冻融破坏；耐久性 1 混凝土冻融破坏现状 我国地域辽阔，在寒冷冬季的北方地区，尤其东北三省、内蒙古、以及西北五省等省市 自治区，气温均在零度以下。而混凝土在零度以下的环境中易发生冻融破坏，这些地区的混凝土结构破坏基本上均与冻融相关[1]。 2008年初，我国长江以南大部分地区持续冰冻灾害，由于持续的冰冻天气，混凝土输电 塔出现不同程度的结冰现象，在长江以南地区出现这样的现象让人难以预料。无论是冬季严寒的北方，还是特殊情况下的南方，冻融破坏的现象在全国各地均有存在，并且对混凝土耐久性造成了极大的影响。研究冻融破坏对混凝土的影响，对混凝土耐久性研究具有重要意义。 2 混凝土冻融破坏机理研究状况 混凝土的冻融破坏，是一系列物理变化的结果。从大约二十世纪中叶开始，美国与欧洲等科技较为领先的国家或地区均注重研究混凝土冻融破坏机理，并且提出了多种混凝土冻融破坏理论[2]。在此领域以T.C.Powers为代表的理论成为最基本的混凝土冻融破坏理论。截止目前，混凝土的冻融破坏基本理论[3]有膨胀压、渗透压、水的离析成层等理论，但目前学术界 认可度比较高的，仍然是膨胀压理论和渗透压理论。 2.1 膨胀压力理论 混凝土一般是在集料中掺入适当比例的水与水泥，并且引入适当的外加剂所共同组成的。一方面无论是何种集料，在其内部总会或多或少地存在一定的孔隙；另一方面混凝土在拌合、浇筑、振捣和成型过程中，也会残留一定的孔隙。混凝土的这些孔隙中经常含有水，当温度低于零度时，毛细孔中的水会生成冰。由于水冻结成冰体积会增大约9%，随着外界环境温度的逐渐降低，越来越多的水逐渐变成体积膨胀的冰，未结冰的水持续受压，由于四周密闭而无处流动，使得混凝土毛细孔中逐渐产生越来越大的内应力。此内应力积累到一定程度，便会逐渐平衡混凝土内部所能承受的最大涨裂应力，进而使混凝土因涨裂产生破坏。 2.2 渗透压力理论

混凝土损伤理论的分析研究

SHANGHAI UNIVERSITY 结构非线性分析课程论文 UNDERGRADUATE PROJECT (THESIS) 题 目:钢筋混凝土结构有限元分析及其断裂损伤理 论应用 学 院 土木工程系 专 业 建筑与土木工程 学 号 xxxxxxxx 学生姓名 xxx 指导教师 xx 日 期 2017.12.24

上海大学2017～2018学年冬季学期研究生课程考试 小论文 课程名称：结构非线性分析课程编号：18Z147004 论文题目:钢筋混凝土结构有限元分析及其断裂损伤理论应用 研究生姓名: xxx 学号: xxxxxxxx 论文评语: 成绩: 任课教师: xx 评阅日期:

目录 一混凝土损伤理论的研究背景 (1) 二国内外对混凝土损伤理论的研究现状 (2) 1）国外混凝土损伤理论研究现状 (2) 2）国内混凝土研究现状 (2) 三混凝土损伤理论研究中的问题和研究方法 (3) 1）试验条件相差较大时混凝土的本构关系将发生变化 (3) 2）复杂的多轴应力状态下的损伤理论 (3) 3）试验难度大 (3) 4）研究方法 (3) 四钢筋混凝土非线性损伤理论及有限元法 (4) 1）混凝土非线性本构模型 (4) 2）规范中的混凝土损伤理论 (5) ①混凝土单轴受压时的本构模型及dc的选取 (5) ②混凝土单轴受拉时的损伤理论 (6) 2）ABAQUS算例 (6) ①混凝土塑形损伤模型 (6) ②数值分析 (7) 五研究成果与创新 (8) 1)当今国际的研究成果 (8) 2)理论研究的新进展 (8) 3)在有限元中的应用 (8) 六研究混凝土损伤理论的意义和结论 (9) 1)社会意义 (9) 2)经济效益 (9) 3)结论 (9) 七展望 (9) 八建议 (10)

对混凝土冻融破坏的几点看法

对混凝土冻融破坏的几点看法 发表时间：2009-09-30T08:36:14.000Z 来源：《农民致富之友》2009年第3-4期供稿作者：王敏[导读] 我国幅员辽阔，环境条件复杂 我国幅员辽阔，环境条件复杂，尤其我省冬季漫长,结冰期达200d以上,严寒日达100多天,冻土深度为1·5~3·0m,最冷的1月份个别地区最低气温达-40℃以下,是全国气温最低的省份。在如此高寒气候环境下,混凝土防渗渠道冻害破坏十分普遍。混凝土的冻融破坏严重影响了建筑物的长期使用和安全运行，为使这些工程继续发挥作用和效益，各部门每年都耗费巨额维修费用，而这些费用为建设费用的1～3 倍，不仅影响工程的正常运行和效益的发挥,还造成人力、物力和财力的严重浪费。如何更好的解决这一问题，笔者通过调查做以下分析； 一、混凝土冻融破坏机理分析 混凝土的抗冻性是混凝土受到的物理作用（干湿变化、温度变化、冻融变化等）的一方面，是反映混凝土耐久性的重要指标之一。吸水饱和的混凝土在其冻融的过程中，遭受的破坏应力主要由两部分组成。一是当混凝土中的毛细孔水在某负温下发生物态变化，由水转变成冰，体积膨胀９％，因受毛细孔壁约束形成膨胀压力，从而在孔周围的微观结构中产生拉应力；二是当毛细孔水结成冰时，由凝胶孔中过冷水在混凝土微观结构中的迁移和重分布引起的渗管压。 二、混凝土冻融破坏的影响 它的影响因素为多方面。一是组成混凝土的主要材料性质的影响，如水泥品种、水泥中不同矿物成份对混凝土的耐久性影响较大；二是外加剂的影响，在混凝土施工过程中掺入引气剂或减水剂对改善混凝土的内部结构，改善混凝土的内部孔隙结构可起到缓冲冻胀的作用，提高混凝土的抗冻性；三是施工工艺影响，配合比、混凝土的施工、硬化条件等都与混凝土的耐久性有密切的关系;四是防止受水位变化影响，寒冷季节水位变化会引起混凝土的严重冻融破坏需采取有力措施防止；五是控制施工质量，混凝土施工质量的好坏，将影响它的抗冻性，必须严把质量关，不允许出现蜂窝、麻面，力求密实，表面光滑。 三、混凝土渠道防渗防治冻害的措施 一是避免冻胀。1.尽可能避开粘质土壤，松软土层、淤泥沼泽和高地下水位的地段，选择透水性较强的不易产生冻胀或地下水位埋藏较深的地段，将混凝土渠底冻结层控制在地下毛管水补给高度以上。2. 尽可能采用填方渠道3 .渠线选择在地形较高的脊梁地带。4.有渗水和地面回归水入渠的渠段，尽量有排水设施。 二是削减冻胀。1.换填法。在冻结深度内将混凝土板下的冻胀性土换成非冻胀性材料如碎石、砂砾等。2.隔热保温。将隔热保温材料布设在混凝土板衬砌体背后，减轻或消除寒冷，并可减少换填垫层深度，隔断下层土的水分补给，从而减轻或消除渠床的冻深和冻胀。(作者单位：152013 黑龙江省绥化市北林区永安满族镇农业服务中心）

混凝土冻融循环破坏研究进展

第26卷 第6期Vo l 126 No 16材 料 科 学 与 工 程 学 报Jo urnal o f Mater ials Science &Eng ineer ing 总第116期Dec.2008 文章编号:1673-2812(2008)06-0990-05 混凝土冻融循环破坏研究进展 张士萍,邓 敏,唐明述 (南京工业大学材料科学与工程学院,江苏南京 210016) =摘 要> 本文对目前混凝土冻融破坏研究新进展进行了全面综述,介绍了已有的关于冻融破坏机理的几种 假说,并且对静水压理论和渗透压理论的适用条件以及合理性提出了质疑。同时论述了孔结构、饱水度、含气量和环境条件对冻融破坏的影响,国内外冻融循环试验方法和判据以及预防冻融破坏的措施。 =关键词> 混凝土;冻融循环;机理 中图分类号:T U 528 文献标识码:A Advance in Research on Damagement of Concrete Due to Freeze -thaw Cycles ZHANG Sh -i ping,DENG Min,TANG Ming -shu (College of Materials Science and Engineering,Nanjing University of Technology,Nanjing 210009,C hina) =Abstract > T he advance in research on damag ement o f co ncr ete caused by freeze -thaw cycles is reviewed.T he ex isting hy po theses fo r deter io ratio n of concrete due to fr eeze -thaw cycles is discussed,and ther e is do ubt on the applicability and ratio nalit y of hydraulic pressur e and osmo tic pressur e.T he effect o f pore st ruct ur e,w ater satur ation,air -entr aining and env iro nmental co nditions o n f reeze -thaw damag ement,the testing methods and cr iteria fo r fr eeze -thaw cycles and prev entiv e measures ar e also present ed. =Key words > concrete;f reeze -thaw cycles;mechanism 收稿日期:2007-11-14;修订日期:2008-03-03 作者简介:张士萍(1982-),女,江苏南京人,博士研究生,从事水泥混凝土耐久性方面的研究。E -m ail :zhang shipi ng1982@126.co m. 1 引 言 混凝土用于工程建设迄今已有150年左右的历史。人们对混凝土性能的改善和提高随着工程实践的增多和科学技术的发展而不断完善。随着时间的推移,人们认识到已建工程并非都是耐久的,远低于设计寿命、过早破坏的事例层出不穷。这些过早/衰老0的工程不仅需要耗用庞大的重建与维修费用,还会造成间接经济损失和安全隐患,专家们把这种现象称为/混凝土耐久性危机0,发达国家已经为此付出了巨大代价。 抗冻性是混凝土耐久性的最重要的指标之一。因此,工程界对提高混凝土抗冻性非常关心。混凝土的抗冻耐久性引起国内外众多学者的兴趣,不仅因为它是影响混凝土使用寿命与性能的一个非常重要的因素,同时也因为混凝土的冻害发生的范围极其广泛。我国地域辽阔,有相当大的地区处于严寒地带,不少水工建筑物出现了冻融破坏现象。寒冷地区的水工、港工、道路和桥梁等工程中的混凝土 结构物或构筑物在冻融循环作用下的冻融破坏是运行过程 中的主要病害[1]。但是,目前关于混凝土冻融破坏机理众说纷纭,高性能混凝土抗冻性试验结果也不一致。这使得在工程实践中对如何提高混凝土抗冻性,以及对掺粉煤灰混凝土在一些重要工程部位的应用是否适当等问题存在不同看法。 2 冻融破坏机理 混凝土的冻融破坏过程是比较复杂的物理变化过程。 一般认为,冻融破坏主要是因为在某一冻结温度下,水结冰产生体积膨胀,过冷水发生迁移,引起各种压力,当压力超过混凝土能承受的应力时,混凝土内部孔隙及微裂缝逐渐增大,扩展并互相连通,强度逐渐降低,造成混凝土破坏[2]。 目前提出的冻融破坏理论主要有静水压经典理论、渗透压理论、冰棱镜理论、基于过冷液体的静水压修正理论、饱水度理论等等[3-7]。但目前公认程度较高的,仍是由美国学者T.C.Po wer s 提出的膨胀压理论和渗透压理论,他认为

钢筋混凝土梁受弯破坏机理尺寸效应试验研究

文章编号: 1005- 0930( 2012) 06-1051-012 d o i : 10． 3969 / j ． i ss n ． 1005-0930． 2012． 06． 011 中图分类号: T U 375． 1 文献标识码: A 钢筋混凝土梁受弯破坏机理 尺寸效应试验研究 周宏宇， 李振宝， 杜修力， 郭二伟 ( 北京工业大学建筑工程学院，北京 100124) 摘要: 针对尺寸效应特性对梁构件受弯破坏的影响机理，对不同截面尺寸简支梁 相似试件开展单调加载试验，测试构件在不同加载阶段的承载力、挠度和截面应 变等试验数据． 按不同加载阶段分析其力学性能的影响因素，并阐述其破坏机理 的尺寸效应． 试验分析表明，混凝土材料抗压特性在受弯构件力学性能中表现为 负面尺寸效应，这种负面尺寸效应对构件整体力学行为的影响并不显著． 相比之 下，内力臂和钢筋等因素对试件承载力和延性均产生显著的正面影响． 随截面尺 寸增大，受弯承载力和延性均呈增长趋势． 根据试件在不同尺度上表现出的显著 破坏特征和实测数据，推导相关计算参数随试件尺寸的关系，建立考虑尺寸效应 的极限承载力计算方程． 同时也验证了现有极限承载力计算理论的安全性． 关键 词:钢筋混凝土梁;抗弯性能;尺寸效应;试验研究;破坏机理 现阶段对钢筋混凝土结构的设计依据主要基于小尺寸构件试验结果，这与工程实际 使用的大构件存在差异． 目前，在实验室开展大体积的钢筋混凝土结构试验依然比较困 难，相关试验对加载设备性能、边界条件模拟等都不同于常规试验． 就钢筋混凝土梁正截 面承载性能而言，虽然部分结论认为梁受弯破坏由受拉纵筋屈服引起，尺寸效应对钢筋混 凝土梁受弯承载性能影响不显著［1-5］． 但相关结论大部分基于小尺寸试件试验结果，对大 尺 寸受弯构件承载性能尺寸效应的细致分析资料更为欠缺． 此外，受弯构件正截面承载性 能还受到构件层次尺寸效应的影响． 就尺寸效应而言，无论是混凝土材料的影响还是构件 因素发挥作用，在构件受力过程中，如何评价其影响程度，均需开展细致研究工作才能解 决． 因此，有必要开展对受弯构件正截面破坏机理尺寸效应的分析研究． 试验概况 依据钢筋混凝土结构设计原理［6-13］，试验试件采用简支梁，如图 1 所示，纯弯段 l 是 1 m 试验观察的主要区段，该区段只有弯矩 M 作用． 结合相似关系，共设计 5 组不同尺寸的简 收稿日期:2011- 08-01;修订日期:2011-12-05 基金项目:国家自然科学基金重点项目( 50838001) ; 北京工业大学青年科学研究创新平台项目( X1004012201001) ; 北

混凝土破坏准则 william-warnke模型

Constitutive model for the triaxial behaviour of concrete Author(en):William, K.J. / Warnke, E.P. Objekttyp:Article Zeitschrift:IABSE reports of the working commissions = Rapports des commissions de travail AIPC = IVBH Berichte der Arbeitskommissionen Band(Jahr):19(1974) Persistenter Link:https://www.wendangku.net/doc/5713946855.html,/10.5169/seals-17526 Erstellt am:22.08.2011 Nutzungsbedingungen Mit dem Zugriff auf den vorliegenden Inhalt gelten die Nutzungsbedingungen als akzeptiert. Die angebotenen Dokumente stehen für nicht-kommerzielle Zwecke in Lehre, Forschung und für die private Nutzung frei zur Verfügung. Einzelne Dateien oder Ausdrucke aus diesem Angebot k?nnen zusammen mit diesen Nutzungsbedingungen und unter deren Einhaltung weitergegeben werden. Die Speicherung von Teilen des elektronischen Angebots auf anderen Servern ist nur mit vorheriger schriftlicher Genehmigung des Konsortiums der Schweizer Hochschulbibliotheken m?glich. Die Rechte für diese und andere Nutzungsarten der Inhalte liegen beim Herausgeber bzw. beim Verlag. SEALS Ein Dienst des Konsortiums der Schweizer Hochschulbibliotheken c/o ETH-Bibliothek, R?mistrasse 101, 8092 Zürich, Schweiz retro@seals.ch http://retro.seals.ch

浅析混凝土冻融破坏及治理措施

描述：本文分析了混凝土的冻融破坏及影响混凝土抗冻性能的因素，并介绍唐河灌区在实践中处理混凝土的冻融破坏的方法。 摘要：本文分析了混凝土的冻融破坏及影响混凝土抗冻性能的因素，并介绍唐河灌区在实践中处理混凝土的冻融破坏的方法。 一、引言 混凝土是当代最主要的土木工程材料之一。由于其良好的抗渗性、耐久性及原材料来源广且生产工艺简单、能耗低的特点被广泛应用于渠道衬砌及渠系建筑物的改造中。 唐河灌区在续建配套与节水改造工程中就大量的使用了混凝土及钢筋混凝土。起到了很好的防渗及抗冲效果，使全灌区渠道轮灌周期减少了5～7天。已实施的灌区节水工程衬砌段渠道水利用系数平均提高0.156，全灌区渠道水利用系数由0.42提高到0.443，减少了水量的损失。但是我们也应该看到由于混凝土结构的工作环境比较恶劣，必然受到水流、气温、风砂等的影响。当野外温度较低时，混凝土会因为冻融循环而发生破坏，由此需要很大的代价来维修和重建，这已成为灌区反复投入大量的人力、物力而未能根本解决的问题之一，造成极大的浪费。 二、混凝土的冻融破坏 （一）冻融破坏的特征 表面剥落是混凝土发生冻融破坏的显著特征，严重时可能露出石子。在混凝土受冻过程中，冰冻应力使混凝土产生裂纹。冰冻所产生的裂纹一般多而细小，因此，在单纯冻融破坏的场合，一般不会看到较粗大的裂缝。但是，在冻融反复交替的情况下，这些细小的裂纹会不断地扩展，相互贯通，使得表层的砂浆或净浆脱落。冻融破坏不仅引起混凝土表面剥落，而且导致混凝土力学性能的显著降低。大量试验研究表明：随着冻融次数的增加，混凝土的强度特性均呈下降趋势，其中反映最敏感的是抗拉强度和抗折强度，即随着冻融次数的增加，混凝土的抗拉强度和抗折强度迅速下降，而抗压强度下降趋势较缓。 （二）影响混凝土抗冻性的因素 混凝土的抗冻性是指混凝土在含水饱和状态下能经受多次冻融循环而不破坏，同时强度不严重降低的性能而且其质量也不显著减小的性质。影响混凝土抗冻性能的因素有以下几个方面的：一是水泥的品种；二是骨料的性质；三是混凝土的密实度；四是混凝土的强度等级；五是混凝土的孔隙构造和数量以及孔隙的

水工建筑物混凝土的冻融破坏及防治

水工建筑物混凝土的冻融破坏及防治 【摘要】通过对混凝土的冻融破坏机理及影响因素分析，提出了水工建筑物混凝土冻融破坏的防治措施，原则上应为防重于治，以达到或延长工程的使用寿命。 【关键词】防治；混凝土；冻融破坏；水工建筑物 The jelly of water work building concrete melt to break and prevention and cure Yao Hong (Tulufan Xinjiang Marine hydraulic engineering quality direct station Tulufan Xinjiang 841000) 【Abstract】Pass to freeze concrete to melt to break mechanism and impact factor analysis, put forward the concrete jelly of the water work building to melt break of prevention and cure measure, in principle should for defend heavy in cure to attain or extension engineering of service life. 【Key words】Prevention and cure;Concrete;The jelly melt to break;Water work building 1. 前言 水工建筑物多以混凝土结构组成，而这些混凝土结构多处在气候恶劣的环境中，受泥沙、水流、物理、化学、气温等影响因素颇多。混凝土的破坏以、冻融破坏为常见，致使许多水工建筑物的运行寿命大为缩短，造成极大浪费。如某灌区混凝土渠某些地段也发生严重冻融破坏等等，所以有必要进一步探讨水工建筑物混凝土的冻融破坏机理及防治措施。 2. 混凝土冻融破坏机理分析 混凝土的抗冻性是混凝土受到的物理作用（干湿变化、温度变化、冻融变化等）的一方面，是反映混凝土耐久性的重要指标之一。对混凝土的抗冻性不能单纯理解为抵抗冻融的性质，不仅在严寒地区混凝土建筑物有抗冻的要求，温热地区混凝土建筑物同样会遭到干、湿、冷、热交替的破坏作用，经历时间长久会发生表层削落，结构疏松等破坏现象，都发生过不同程度的冻融破坏。所以对混凝土的冻融破坏的研究显得尤为重要。对混凝土冻融破坏的机理，目前的认识尚不完全一致，按照公认程度较高的，由美国学者T．C．Powerse提出的膨胀压和渗透压理论，吸水饱和的混凝土在其冻融的过程中，遭受的破坏应力主要由两部

混凝土冻融损伤过程研究

广东建材2018年第9期 混凝土冻融损伤过程研究 马开志 （中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司） 【摘要】总结了混凝土冻融损伤机理的理论；结合相关学者的冻融损伤实验，分析了冻融循环过程中混凝土材料内部水分的状态转换及含量变化过程；探讨了在温度变化情况下，冰的热胀冷缩性质对混凝土冻融损伤的影响；论述了混凝土材料冻融损伤的过程。 【关键词】混凝土；冻融循环；损伤过程 1引言 混凝土的抗冻性是混凝土耐久性最重要的指标之一[1]。在寒冷地区，当建筑物环境温度和湿度变化较大时，混凝土材料必须具有足够的抗冻性。长期以来，通过对实践经验的总结和混凝土材料性能的研究，工程界已经基本掌握了提高混凝土的抗冻性能，控制混凝土结构的冻害程度的技术，例如在混凝土配合比设计时控制水灰比、引入含气剂等。但是，目前学术界对混凝土的冻融损伤过程仍不十分清楚，在混凝土冻融损伤机理方面的研究进展缓慢，国内外很多学者虽然提出了各种假说，但还没能形成共识。 2混凝土冻融破坏理论 最早开始混凝土冻融损伤机理研究的是美国学者T.C.powers，他在1945年提出了混凝土材料冻融损伤的静水压理论[2,3]，认为在水分冻结过程中，混凝土内部的水分由气泡向外部空隙移动，激发巨大的静水压力导致混凝土的破坏。在提出了静水压力理论后，Powers 在试验中发现，水泥浆体中的水在冻结时并不是向外排出，而是向着冰冻区移动，基于这一现象，Powers和Helmuth于1953年提出了混凝土的冻融损伤机理的渗透压理论[4]。 在19世纪70年代，瑞典学者Fagerlund提出了临界饱和湿度的概念。认为对空隙材料存在一个临界的饱和湿度，当气泡中的湿度超过这个临界饱和湿度时，即使冻融一次，也会导致材料退化甚至产生裂缝。临界饱和湿度的概念是基于静水压理论提出来的，由于它的一般性，使其对所有的冻融损伤理论都适用[5,6]。同时代的G.G.Litvan根据等温吸附理论和实验研究指出，在多孔材料中，气泡中吸附的水分不能在原位冻结。由于气泡内未冻液和气泡外的蒸汽压的差别，会发生解吸附过程，使水分向气泡外迁移。因此，水分不能在气泡中结冻，而是在气泡外部附近发生冻结。但当温度低于-20℃时，周围小空隙的中的水分将会向大气泡中流动并在其中冻结[7,8]。 M.J.Setzer根据空隙中的未冻水、蒸汽和冰在冰点以下的三相稳定平衡原理，提出了冻融破坏的微观冰棱镜理论[9]。认为在冻融循环过程中，温度变化会产生活塞效应，在温度降低时将凝胶孔中的水分挤出至微冰晶部分冻结，而升温时吸入周围环境中的水分。微观冰晶则像一个阀门一样，阻碍水分的流动。活塞效应使混凝土湿度不断增大，最终冰的膨胀造成混凝土的破坏。 Bernard Erlin和Bryant Mather考虑了冰的体积随温度变化的特点，综合静水压力和渗透压力理论，分析了混凝土冻融破坏过程[10]。认为在冻融循环的降温过程中，冰的体积收缩所产生的新的空间使周围的水分向冻结区流动，这构成了渗透压的主要组成部分。 虽然静水压理论和渗透压理论本身还有很多缺陷，例如它们不能解释混凝土在冻结体积不发生变化液体中的冻融破坏，并且两者在水分流动方向上有本质的矛盾，但它们是混凝土抗冻破坏中的经典理论，一般认为，水胶比大、强度较低以及龄期较短、水化程度较低的混凝土，静水压力破坏是主要的；而对水胶比较小、强度较高及含盐量大的环境下冻融的混凝土,渗透压起主要作用[1]。其他的一些理论目前仍在发展中，在学术界还没有取得共识。 3混凝土冻融损伤过程的宏观表象 一般认为，混凝土的循环冻融损伤过程是一个物理 材料研究与应用 15 --

冻融破坏

一、混凝土冻融破坏机理分析 混凝土的抗冻性是混凝土受到的物理作用（干湿变化、温度变化、冻融变化等）的一方面，是反映混凝土耐久性的重要指标之一。吸水饱和的混凝土在其冻融的过程中，遭受的破坏应力主要由两部分组成。其一是当混凝土中的毛细孔水在某负温下发生物态变化，由水转变成冰，体积膨胀９％，因受毛细孔壁约束形成膨胀压力，从而在孔周围的微观结构中产生拉应力；其二是当毛细孔水结成冰时，由凝胶孔中过冷水在混凝土微观结构中的迁移和重分布引起的渗管压。由于表面张力的作用，混凝土毛细孔隙中水的冰点随着孔径的减小而降低。凝胶孔水形成冰核的温度在－78℃以下，因而由冰与过冷水的饱和蒸汽压差和过冷水之间的盐分浓度差引起水分迁移而形成渗透压力。 另外凝胶不断大，形成更大膨胀压力，当混凝土受冻时，这两种压力会损伤混凝土内部微观结构，只有当经过反复多次的冻融循环以后，损伤逐步积累不断扩大，发展成互相连通的裂缝，使混凝土的强度逐步降低，最后甚至完全丧失。从实际中不难看出，处在干燥条件的混凝土显然不存在冻融破坏的问题，所以饱水状态是混凝土发生冻融破坏的必要条件之一，另一必要条件是外界气温正负变化，使混凝土孔隙中的水反复发生冻融循环，这两个必要条件，决定了混凝土冻融破坏是从混凝土表面开始的层层剥蚀破坏。 二、混凝土冻融破坏影响 混凝土冻融破坏的影响因素是多方面的。一是组成混凝土的主要材料性质的影响，如；水泥的品种、水泥中不同矿物成份对混凝土的耐久性影响较大，又如骨料的影响，除了骨料本身的质量对混凝土的抗冻性的影响以外，骨料的渗透性和吸湿性对混凝土的抗冻性也有决定性的作用；二是外加剂的影响，在混凝土施工过程中掺入引气剂或减水剂对改善混凝土的内部结构，改善混凝土的内部孔隙结构可起到缓冲冻胀的作用，大大降低冻胀应力，提高混凝土的抗冻性；三是施工工艺影响，配合比、混凝土的施工、硬化条件等都与混凝土的耐久性有密切的关系，同时混凝土中的单位用水量是影响混凝土抗冻性的一个重要因素；四是防止受水位变化影响，寒冷季节水位变化会引起混凝土的严重冻融破坏需采取有力措施防止；五是严格控制施工质量，混凝土施工质量的好坏，将影响它的抗冻性，因此必须把好质量关，不允许出现蜂窝、麻面，力求密实，表面光滑。 三、混凝土冻融破坏的防治措施 1.预防措施 （1）在混凝土施工中应根据不同情况选择含有不同矿物成份和不同性能的水泥、骨料和外加剂，从材料方面确保混凝土的耐久性； （2）严格混凝土制作配合比，一定要根据结构类型和所处的环境条件，试验确定关键参数，主要是降低混凝土的水灰比，水泥水化所需水分仅为其重量的２５％左右，若水量加，多余的水就游离析出，产出孔隙，饱和后易受冻胀破坏；另外掺入引气型外加剂是提高混凝土抗冻性最有效的途径之一；

混凝土冻融破坏研究现状_李金平

混凝土冻融破坏研究现状＊ 李金平　盛　煜　丑亚玲 (中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室　甘肃兰州　730000) 摘　要　主要从混凝土的冻融破坏机理、影响因素及提高混凝土抗冻性的措施三方面入手,总结和分析了混凝土的冻融破坏研究现状。认为,目前最为主要的冻融破坏理论是膨胀压力理论和渗透压力理论。还总结了当前提高混凝土抗冻性的几项基本措施。 关键词　混凝土　冻融破坏　冻融破坏机制　引气剂 引言 某些混凝土工程的过早破坏,其原因不是由于强度不足,而是由于混凝土耐久性不良,且大多数与混凝土冻融作用有关。低温对混凝土不利,例如在港口工程、铁路、桥涵、混凝土路面工程、城市立交桥工程以及北方严寒地区的工业与民用建筑等混凝土结构中,都存在着不同程度的冻融破坏。较为典型的工程如东北的云峰水电站,大坝建成运行不到10年,溢流坝表面混凝土冻融破坏面积就高达10000m2,占整个溢流坝面积的50%左右,混凝土平均冻融剥蚀深度达10cm以上。 1　混凝土的冻融破坏机理 混凝土的冻结破坏过程是比较复杂的物理变化过程。混凝土是由硬化的水泥浆体和骨料组成的含毛细孔的复合材料,为了获得浇筑混凝土所必须的和易性,其拌和水量总多于水泥水化所需的水量,多余的水就滞留在混凝土中,形成占有一定体积的连通毛细孔。于是常温下硬化混凝土就是由未水化的水泥、水泥水化产物、集料、水、空气共同组成的气—液—固三相平衡体系,当混凝土处于负温时,其内部孔隙中的水分将发生从液相到固相的转变。因此那些连通的毛细孔就是导致混凝土遭受冻害的主要因素。但是目前关于混凝土冻融破坏机理众说纷纭。在这方面T. C.Powers和R.A.Helmuth等人的研究工作为混凝土的冻融破坏机理奠定了理论基础。到目前为止,提出的混凝土冻融破坏理论有很多种。沙际得认为目前提出的混凝土冻融破坏机理有六种,即水的离析层理论、膨胀压理论、渗透压理论、充水系数理论、临界饱水值理论和孔结构理论。而张子明等认为混凝土的冻融破坏理论,按其发展大致有四种:“奶瓶”理论、膨胀压力理论、渗透压力理论、Livtan理论。但目前公认程度较高的,仍是由美国学者T.C.Powers提出的膨胀压理论和渗透压理论,他认为吸水饱和的混凝土在冻融过程中遭受的破坏力主要有以下两部分:膨胀压力和渗透压力。 1.1　膨胀压力理论 在一定负温下混凝土中的毛细孔水发生物态变化,由水变成冰,体积膨胀9%,因受毛细孔壁约束形成膨胀压力,从而在孔周围的微观结构中产生拉应力。这种在负温下因水体积膨胀而产生膨胀压力从而导致的破坏,主要取决于混凝土中水的存在形式及其内部微观孔隙结构和外界正负温度变化等因素。 在混凝土硬化初期混凝土中水存在的形式:①结晶水,这部分水是不可能结冰的;②吸附水,也称凝胶水,存在于各种水化物,因凝胶孔尺寸很小,一般低温不结冰,须在-78℃以下成冰。这部分水可认为在自然条件下是不可能结冰的,也就无冻融破坏作用;③毛细孔水,存在于毛细孔中,这部分水是可冻的,且毛细孔中水蒸气的冰点随毛细孔半径的减小而下降;④游离水,也称自由水,存在于各种固体颗粒间,是可冻水。 由此可见混凝土冻害是由于游离水和孔径较大的毛细水结冰造成的。若硬化混凝土孔隙中的游离水达到饱和,水转化为冰体积约增大9%,则膨胀会在混凝土内部产生内应力,使混凝土结构发生破坏。Powers于1949年提出了计算混凝土中毛细孔水由于结冰膨胀,向邻近的气孔排出多余的水分时,所产生的最大压力的计算公式。 P m ax=η(1.09-1/s)μc(λ/3)κ(1)式中　η为水的粘性系数;s为混凝土中毛细孔的饱水度;μc为水的冻结速率;κ为渗透率;λ为孔隙水到溢出边界的最大距离。 该理论主要说明孔隙饱水程度和含气量(λ随着气泡孔隙的增加而减低)对混凝土冻融破坏的影响,并且注意到与渗透率直接相关的毛细孔隙率的重要性。所以在一定负温下混凝土受冻程度与混凝土孔隙结构及孔隙中饱水程度等有很大的关系。 混凝土孔隙水的存在是混凝土发生冻融破坏的必要条件之一,另一必要条件是外界气温正负变化,使混凝土孔隙中的水反复发生冻融循环,这就验证了混凝土的冻融破坏与混凝土中孔隙水存在的形式、混凝土的内部结构、外界冻结温度等因素有关。这也是膨胀压力理论被一直应用的缘由。 1.2　渗透压力理论 由于仅以水结冰时体积膨胀9%的观点无法解释复杂的混凝土受冻破坏的动力学过程,而且试验也表明水饱和度低于91%时,混凝土也可能受冻破坏。这就迫使人们对混凝土冻融破坏的机理作进一步研究,并由此得出了渗透压力理论。渗透压力是由孔内冰与未冻水两相的自由能之差引起的。在一定的温度 · 1 · 李金平等:混凝土冻融破坏研究现状 ＊中国科学院知识创新工程重大项目(KZCX1-S W-04)。 李金平,男,博士研究生。

24混凝土的冻融破坏

2.4混凝土的冻融破坏 混凝土在饱水状态下因冻融循环产生的破坏作用称为冻融破坏，混凝土的抗冻耐久性（简称抗冻性）即是指饱水混凝土抵抗冻融循环作用的性能。混凝土处于饱水状态和谅融循环交替作用是发生混凝土冻融破坏的必要条件，因此，混凝土的冻融破坏一般发生于寒冷地区经常与水接触的混凝土结构物，如水位变化区的海工、水工混凝土结构物、水池拨电站冷却塔以及与水接触部位的道路、建筑物勒脚、阳台等。在我国东北、华北和西北地区的水利大坝，尤其是东北严寒地区的混凝土结构物，几乎100％的工程局部或大面积地遭受不同程度的冻融破坏，如丰满坝、云峰坝、参窝坝等，有的工程在施工过程中或竣工后不久即发现严重的冻害。经调查发现，混凝土冻融破坏不仅在“三北”地区存在，而且在长江以北黄河以南的中部地区，混凝土结构物的冻融破坏现象也广泛存在。由此可见，混凝土的抗冻性是混凝土耐久性中最重要的问题之一。 混凝土冻融循环产生的破坏作用主要有冻胀开裂和表面剥蚀两个方面。水在混凝土毛细孔中结冰造成的冻胀开裂使混凝土的弹性模量、抗压强度、抗拉强度等力学性能严重下降，危害结构物的安全性。一般混凝土的冻融破坏，在其表面都可看到裂缝和剥落。而当使用除冰盐时，混凝土表面出现鳞片状剥落。一般认为，混凝土的冻融和盐冻破坏是一个物理作用的过程。

国内外学者对混凝土的抗冻性能做了大量理论与试验工作，早在1945年，Powers 提出了混凝土焦融破坏的静水压假说，后又提出了渗透压假说，Fagerlund提出了“临界水饱和度法”。Powers还提出了混凝土抗冻性研究中的重要参数——平均气泡间隔系数的计算方法。我国北京水利水电科学院浦京水利水电科学研究院、原上海建材学院等单位也对水工结构的抗冻性及公路混凝土的抗盐冻性能等开展了卓有成效的研究，对保证重大工程的抗冻耐久性起到了积极的作用。 2.4.1混凝土冻融破坏的机理 1945年，Powers提出了混凝土冻融破坏的静水压假说，此后又 与Helmuth一起提出了渗透压假说。这两个假说合在一起，较为成功地 解释了混凝土冻融破坏的机理，奠定了混凝土抗冻性研究的理论基础。 l）静水压假说 （1）Powers静水压假说 硬化混凝土中的孔隙有凝胶孔、毛细孔、空气泡等。各种孔隙之间的孔径差异很大，凝胶孔的孔径为15～100 A；毛细孔孔径一般在0.01～10um之间，而且往往互相连通；空气泡是混凝土搅拌与振捣时自然吸入或掺加引气剂人为引入的，且一般呈封闭的球状，混凝土在水中时，毛细孔处于饱和状态，而空气泡内壁虽也吸附水分，但在常压下很难达到饱和。 混凝土孔溶液中溶有钾、钠、钙离子等，溶液的饱和蒸气压比普通水低，在不掺盐类的水泥浆体中的自由水的冰点约为－1~－1.5o C。由于孔隙表面张力的作用，不同孔径的孔内水的饱和蒸气压和冰点不同，孔径越小，孔内水的饱和蒸气压越小，冰点越低。当环境温度降低到－1～－1.9 o C时，混凝土孔隙中的水由大孔开始结冰，逐渐扩展到较细的孔。一般认为温度在－12o C时，毛细孔都能结冰，而凝胶孔中的水分子物理吸附于水化水泥浆固体表面，估计在－78 o C 以上不会结冰。因此，凝胶孔水实际上是不可能结冰的，对混凝土抗冻性有害的孔隙只是毛细孔。