混凝土冻融损伤过程研究

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图1混凝土冻融循环试验试件长度变化（左图为常压饱和，右图为真空饱和）变化过程，水泥水化产物的成分和含量基本保持不变[11]，冻融循环过程中主要发生水分的含量的变化和状态的转变。

在冻结过程中，水的流动方向直接关系到混凝土内部压力产生的原因，静水压力假说和渗透压力假说正是通过试验分析混凝土材料内水分流动方向的基础上提出的。

与水的冻结相对应，冰的融化过程是冻融循环的重要部分，在冻融过程中冰的体积变化对混凝土破坏有着重要影响。

3.1水份的冻结与流动混凝土材料是多孔材料，其孔隙组成十分复杂，主要包括凝胶孔、气泡和毛细孔，其孔径单位从nm 到mm，包含了六个数量级。

其中，凝胶孔的直径不超过3.2nm，毛细孔直径在3.2nm 到3000nm 之间，气泡的直径大于3000nm [10]。

常温状态下，混凝土空隙内存在水分和空气。

进行混凝土冻融循环试验时，首先将混凝土试件浸入水中使试件吸水饱和，其饱和程度与混凝土的渗透性有关。

在水灰比较大时，混凝土的渗透系数很小，水分很难渗入：当水灰比W/C=0.45时，混凝土几乎不透水；W/C=0.40时，混凝土基本不透水[16]。

比较混凝土试件在常压和真空吸水两种状态下混凝土相同温度冻融体积变化发现[12]：在常压吸水状态下，当温度降低时，混凝土试件并没有因为其中的水分结冰体积膨胀而出现膨胀的现象，相反体积发生了冷缩；在真空吸水状态下，混凝土试件体积膨胀现象十分明显，由于水结冰所产生的体积膨胀不仅弥补了由于温度降低而产生的时间温缩现象，而且使试件的体积明显增大，如图1所示。

在混凝土吸水饱和的过程中，由于毛细现象，毛细孔中最容易充满水分，其次是气泡，最难充满水分的是凝胶孔。

可以推断，在通常状态下，混凝土渗透现象主要发生在局部，比如表面附近的区域、毛细孔等，吸水饱和不充分。

当温度下降时，混凝土孔隙中的水分会冻结。

混凝土空隙水的冻结温度受多个因素的影响，例如孔隙水中离子的浓度、空径大小等。

一般来讲，离子浓度越高，空隙越小，水的冻结温度越低。

因此，空隙中的水分的冻结是一个随温度变化的过程，在不同的温度范围内，水分的冻结速率、冻结量等往往表现出不同的性质。

Bjorn Johannesson 的实验表明[12]：当温度变化到0℃以下很小范围内时，混凝土试件内冰的含量急剧增加，之后随着温度的降低，混凝土含冰量持续增长，但是增长的速率相对较低。

Marshal 的相关研究也表明，当温度从-20℃降低到-70℃，混凝土试件没有因为温度降低而发生收缩，相反体积发生了膨胀[13]。

可以肯定，在0℃温度附近，混凝土材料中一部分孔隙水快速冻结，之后随着温度的降低，冻结量不断增大；由于通常冻融循环实验温度在-20℃以上，Marshal 的实验表明混凝土的内部还存在大量的未冻水。

Malgorzata 等人通过对多空玻璃材料冻融试验的研究发现只有当孔的直径大于20倍的分子直径时（8nm），空隙中的水分才有可能随着温度下降而结晶[14]。

吴中伟教授[15]认为混凝土材料中孔径小于20nm 的空隙为无害空隙。

因此，在一般冻融循环试验温度范围内，凝胶孔以及部分孔径较小的毛细孔中的水分不会冻结。

当温度的下降到0℃以下时，冻结最先发生在气泡以及孔径较大的毛细孔中。

3.2冰的体积变化在一个标准大气压下，不含气泡的纯结晶冰块相对水的密度是0.91650，其冻结成冰体积约增加9%。

其后，随着温度的降低，冰同样具有冷缩的性质。

当温度在0～-30℃变化时，其相对体积满足公式⑴[10,17]：V it =0.91650[1-10-6t （157.556+0.2779t+0.008854t 2+0.0001778t 3）](式1)t———摄氏温度值，取负值。

根据公式⑴，可以计算出随着温度降低，冰块的相对密度以及相对体积变化，如表1所示。

冻融循环过程中，当温度降低到冰点以下时，部分孔隙中的水分冻结成冰。

在这个过程中，水份的体积会增大9%，这会在孔隙中产生很大的压力。

当压力超过混凝土材料局部的拉应力时，就会造成混凝土材料的损伤。

在水份供给充足的情况下，孔隙会被冰填满。

同时，随着温度的降低，冰的体积会发生收缩，产生新的空间，这促使周围的未冻水继续向冻结区域移动，并在其中冻结，这个过程会一直持续到冻融循环温度的最低点。

在融化过程中，随着温度的增加，冰的体积会膨胀。

与开放空间中冰的膨胀相比，冷缩效应导致的冰的体积的累加，在混凝土内部孔隙中会产生更大的应力。

空隙冰的这种效应是造成混凝土局部破坏的重要原因。

例如，在混凝土表面附近的区域内，随着冻融循环次数的增加，会产生混凝土剥蚀的现象。

其中很大的原因就是由于表面附近水分供给充足，结冻过程中空隙被冰不断填满，而在升温过程中，产生很大的附加应力，最容易发生剥蚀。

4混凝土冻融循环损伤的过程混凝土冻融循环损伤过程十分复杂。

从微观结构看，多孔材料在冻融循环过程中受静水压、渗透压以及冰胀压力的共同作用，使孔隙受拉产生裂缝[11]，造成了混凝土的损伤；从宏观表象看，冻融造成混凝土材料的强度、变形等性能降低，造成混凝土结构表层的剥蚀以及动弹性模量的降低。

从微观结构方面，根据孔隙中水分冻融的变化，可以将一个冻融循环循环过程分为以下四个阶段：⑴初始冻结阶段。

当温度降低到0℃时，水分开始冻结成冰。

在温度低于0℃附近的范围内，水分冻结十分迅速，很多实验表明这一阶段冰锋快速的“刺入”试件，材料内部毛细孔和部分气泡中的水分快速结冻[18]。

当混凝土材料内部湿度较大时，结冻过程中空隙中的多余水分不能有效的扩散，就可能激起很大的静水压力，当局部静水压力超过混凝土的抗拉强度时，就会造成混凝土材料的受拉损伤。

⑵冻结发展阶段。

从快速结冻阶段结束开始，直到达到冻融循环实验的最低温度为冻结继续发展的阶段。

随着温度的降低，试件中的水分还会持续的结冻，但其结冻速率相对降低。

由于渗透压的作用以及冰的冷缩效应的影响，周围的凝胶孔中的水分将向冻结部分移动并继续冻结，混凝土材料内水分发生重分布，冻结气泡和毛细孔中的含冰量不断增多。

⑶升温融化阶段。

升温融化阶段是造成混凝土破坏的另一个重要阶段。

在升温过程中，冰的体积会发生膨胀。

相对于结冻阶段而言，这一阶段产生的体积膨胀无法“逃逸”，并且前一阶段水分的重分布，使得冻结部分含冰量大于初始冻结的含冰量，将产生更大的附加应力，再次挤压混凝土内部空隙壁，造成损伤。

⑷水分再饱和阶段。

当温度升高到0℃以上时，在上述冻融过程中产生的新的损伤（如裂缝等）会被水分浸润，这个过程中不会产生混凝土损伤，但它提高了混凝土材料内部的湿度，对下一次的冻融过程造成更大的影响，会导致更严重的冻融损伤。

由于冻融损伤的发展，混凝土内部的湿度随冻融循环次数的增加不断提高。

从宏观表象方面，实验表明[19]：随着冻融次数的增加，表征其冻融破坏程度的动弹性模量加速降低，而质量损失率则加速增加，如图2所示。

在冻融循环的初期，混凝土破坏性能指标随冻融循环次数的增加变化较慢，这主要是由于这一时期的破坏主要发生在局部，例如混凝土结构的表面附近的区域。

在冻融循环的后期，冻融损伤大面积的展开，造成了其性能指标的加速下降。