混凝土冻融破坏研究现状_李金平
＊中国科学院知识创新工程重大项目(KZCX1-SW-04)。李金平,男,博士研究生。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。Pmax=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下,由于冰的自由能小于液态水的自由能。在冻结时,凝胶孔中的水流向毛细孔,当水到达毛细孔时,产生冻结,冰的体积增加。当毛细孔水结成冰时,凝胶孔中过冷水在混凝土微观结构中迁移和重分布从而引起渗透压。王立久等指出: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,在大孔隙中的水结冰时,凝胶孔中的水还未结冰,处于过冷状态,这时过冷水的蒸汽压要大于冰的蒸汽压,从而引起水分的迁移形成渗透压,过冷水的迁移渗透,必然使毛细孔中冰的体积不断增大,从而形成更大压力,进而损伤混凝土的微观结构。如果混凝土常年处在这种冻融循环中,损伤会不断地积累,逐步扩大,使混凝土内部孔隙及裂缝逐渐增大、扩展,并互相连通,从而使混凝土产生由表及里的剥蚀,进而造成混凝土的破坏。在冻融循环下,膨胀压理论和渗透压理论都认为是内部压力造成混凝土的破坏。冻融循环对混凝土的破坏是水转变为冰的体积膨胀造成的水膨胀压力和冰水蒸汽压差别造成的渗透压力共同作用的结果。对于二者在破坏中何者为主要原因许多学者持不同见解。ErlandM.Schulson在报告中指出哪种破坏机理更重要要看冻融循环的时间,如果冷却发生得非常缓慢,用渗透压理论分析可能比较合适;如果冻结很快,用膨胀压力理论分析可能比较适合。目前对建立平衡多慢才是足够的慢还在进一步探索中;湖南大学的李天援教授从理论分析及实验现象出发验证静水压和渗透压的大小、危害作用及程度,最后得出静水压是混凝土冻害的主要因素;Powers根据多年的实验和研究,也认为水是造成混凝土受冻破坏的主要原因,且现行的有抗冻要求的混凝土都对其水灰比做出限制,水灰比越小其抗冻性越好,如果混凝土的孔隙水都达不到饱和,也就不存在冻胀破坏和水分迁移等等。综上所述,混凝土受冻破坏主要是混凝土中可冻水在结冰时体积膨胀而产生了静水压、渗透压、水分迁移,促使结构破坏,是水的运动对混凝土结构影响造成的破坏。同时也与一些相关因素,如混凝土中水存在的形式、孔隙的饱水程度、干燥程度、外界正负温的变化等相关。通过对混凝土抗冻机理的进一步总结了解,我们相信会找到更加完善的方案来提高混凝土的抗冻性能的。
2 影响混凝土冻结破坏的因素影响冻融破坏的因素,大致可分为几类。内部因素:如集料、水泥、外加剂、水灰比、含气量等,即混凝土本身的质量;外部因素:如冻融温度、冻融速率、外加荷载等,即影响混凝土的工作环境条件;施工因素:如配合比、养护条件等。这些因素是互相关联,互相制约的,它们综合起来决定着混凝土冻融破坏的程度和速度。2.1 水灰比水灰比直接影响混凝土的孔隙率及孔结构。严格限制水灰比对保证混凝土有较高抗冻性是十分必要的。水灰比越低,混凝土中孔隙率就越小,大孔隙也越少,水的渗透性就越差。相应的,混凝土抵抗冻融破坏的能力就越强。水灰比不仅影响混凝土的冻融破坏能力,而且对混凝土的强度也有一定影响,且其强度随着孔隙率(由水灰比决定)的降低而增加。2.2 含气量混凝土中的细微气孔对提高混凝土的抗冻性起着很重要的作用。引入合理的封闭气泡有助于缓冲应力作用和渗透作用,从而提高混凝土的抗冻性能,引气混凝土就是利用这一性质来抵抗冻融破坏的。实验证明,当引气量适当时,水灰比对混凝土的抗冻性影响很小,但水灰比却是影响气泡尺寸和间距的重要因素,气泡间距又是影响混凝土抗冻融能力的最直接因素,混凝土气泡尺寸与水灰比成正比。说明即使在低水灰比下,当要求混凝土有抗冻性能时,仍然必须引气,而且必须控制混凝土合理的含气量。2.3 混凝土的饱水状态混凝土的冻害与其孔隙的饱水程度密切相关,一般认为含水量小于孔隙体积的91.7%就不会产生冻结膨胀压力,该数值被称为极限饱水度。在混凝土完全饱水状态下,其冻结膨胀压力最大,混凝土最易破坏;而混凝土饱水程度足够低时,混凝土将不会产生冻害。混凝土的饱水程度主要与混凝土结构的部位及其所处的自然环境有关。在大气中使用的混凝土结构,其含水量均达不到该值的极限,而处于潮湿环境的混凝土,其含水量要明显增大,最不利的部位是水位变化区,此处的混凝土经常处于干湿交替变化的条件下,受冻时极易破坏。混凝土表层含水率通常大于其内部的含水率,且受冻时表层温度均低于其内部的温度,所以冻害往往是由表层开始逐步深入发展的。2.4 混凝土的强度混凝土的强度是混凝土力学性能的考核指标和工程验收标准。一般混凝土的强度越高,其结构越致密,抵抗冻融破坏的能力也就越强;水泥强度越高,抗冻性一般也越好;但在实际应用中,由于高水泥用量在早期和后期易产生裂纹,使混凝土在受冻融作用时易产生质量劣化。所以在北方地区,特别是严寒地区,应正确选择混凝土的强度,不要片面认为强度高就抗冻。2.5 冻结温度和冻结速率李金玉等通过实验证明冻结温度对混凝土的冻融破坏有明显的影响。冻结温度越低,混凝土抗冻融破坏的能力越差。此外,冻结速率对混凝土的冻融破坏也有一定的影响,且随着冻融速率的提高,冻融破坏力加大,混凝土容易破坏。实验结果,见表1。表1 冻结温度和冻结速率对混凝土的影响结果表编号冻结温度/℃动弹模下降40%时冻融循环次数冻结速率/(℃·min-1)弹性模量下降40%时循环数1-51330.1772-10120.2053-177 从表1看,由于试验所测数据有限,得出的结论也只是一种推断,要彻底了解冻结温度和冻结速率是怎样影响混凝土冻融破坏的,还需要做更多的试验和进一步的研究分析。·2·全国中文核心期刊 路基工程 2007年第3期(总第132期)2.6 水泥品种水泥品种不同,其内部熟料部分的相对体积也不同,熟料占的比重大,则早期水化更充分,水泥水化产物占据的空间较多,因此便能提高混凝土的抗冻性。此外,混凝土的抗冻性随水泥活性增高而提高,例如普通硅酸盐水泥混凝土的抗冻性要优于混合水泥混凝土的抗冻性。因此要合理选择水泥品种。2.7 集料质量集料对混凝土抗冻性影响主要体现在集料吸水量及集料本身对抗冻性的影响。一般的碎石及卵石都能满足混凝土抗冻性的要求,只有自由风化岩等坚固性差的集料才会影响混凝土的抗冻性。因此对在严寒地区或经常处于潮湿或干湿交替作用状态下的室外混凝土,则应注意优选集料。混凝土冻结破坏的程度和范围主要取决于石料的密度。因此,为了保证抗冻性,必须改变混凝土的宏观结构。集料本身的特性对抗冻性的影响主要体现在其内部孔隙结构上。混凝土中孔隙的大小分布比总的孔隙率更能影响混凝土的抗冻耐久性。实验证明,在含气量一定的情况下,混凝土的耐久性随着混凝土中粗骨料中孔隙占总骨料孔隙体积的增加而增加。因此,在实际中应避免使用高孔隙率(>5%)的细孔结构集料。2.8 外加荷载大部分寒冷地区的混凝土结构是同时受冻融和荷载作用的。严安等指出在荷载作用下混凝土冻融循环破坏的主要形式为由外加静载疲劳引起的临界裂纹失稳而加速扩展、破坏,较一般冻融循环试验寿命要低,而一般冻融试验的破坏方式主要为基体微裂纹造成的材料内部损伤。在不受应力时冻融循环可导致混凝土内部结构损伤并产生微细裂缝。冻融次数越多,则硬化水泥浆和集料与硬化水泥浆界面处的裂缝越多,导致混凝土损伤程度越高。但在不同的外荷载作用下,外应力会不同程度地加速这些裂缝的引发、扩展,当最大裂缝长度达到材料的临界裂缝长度时则发生失稳破坏。2.9 混凝土的受冻龄期混凝土的抗冻性随龄期的增长而提高。因龄期越长水泥水化越充分,混凝土的强度就越高,抵抗膨胀的能力越强,这对早期受冻的混凝土更为重要。综上所述,对混凝土抗冻性起决定性作用的因素主要是混凝土的孔隙结构、饱水状态、水灰比、含气量等,其他诸多因素都是通过对这几种因素施加影响而改变混凝土的抗冻性能的。
环境作用下混凝土冻融损伤特性研究
环境作用下混凝土冻融损伤特性研究
李冬霞
【期刊名称】《新材料·新装饰》
【年(卷),期】2024(6)8
【摘 要】混凝土的冻融损伤表现为表面剥落、裂缝形成和强度下降,当水分在混凝土孔隙中结冰时,会产生显著的体积膨胀,以对孔隙壁施加压力。随着循环次数的增加,这种压力会逐渐破坏混凝土的微观结构,从而导致宏观层面的破坏。文章对混凝土的冻融损伤特性进行了深入探讨,通过分析和对比气冻气融和水冻水融两项试验得到了环境因素对混凝土冻融损伤性的具体作用,从而为混凝土材料的发展与应用提供了指导。
【总页数】4页(P30-33)
【作 者】李冬霞
【作者单位】嘉兴职业技术学院
【正文语种】中 文
【中图分类】TU528
【相关文献】
1.疲劳-冻融多次交互作用下混凝土损伤特性试验研究2.在荷载与冻融双重损伤因素共同作用下钢纤维对混凝土损伤抑制能力的研究3.气冻气融作用下混凝土抗冻性及损伤层演化规律研究4.冻融环境下混凝土内外损伤特性的研究
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混凝土冻融破坏机理的研究
混凝土冻融破坏机理的研究
混凝土在冻融循环中容易发生破坏。其主要机理包括：
1.冰晶体积扩大引起的力学破坏：当冰晶形成时，其体积会由于晶体内部结构和晶点排列的变化而产生体积扩大。当水凝固为冰时，这种体积扩大会生成应力，使混凝土表面裂开或局部破坏。
2.冰晶的渗透力破坏：当冰晶透过混凝土中单向的孔隙分布时，它们会继续生长并扩大孔隙。这种扩张和收缩可以远远超过混凝土本身的收缩，在持续冻融循环下，可以导致混凝土内部的细微裂纹扩大并加剧损坏。
3.水分的吸震作用：在冻结过程中，混凝土的水分会无法流动，而渗透冻结的水会对混凝土结构产生振动，加速混凝土的损坏。
因此，在混凝土结构的设计和维护中，冻融破坏机理需要得到充分考虑。例如，在设计中需要根据环境条件和需求选择合适的混凝土材料，以及优化施工方式，避免产生过多的损坏和修复成本。在维护中，需要及时对现有损坏进行修复，并采取有效的防护措施，以延长混凝土结构的使用寿命。
混凝土耐久性研究现状及存在问题简析
混凝土耐久性研究现状及存在问题简析
摘要：
混凝土作为建筑过程中的基础用材，技术人员对混凝土的耐久性十分重视。如果混凝土的耐久性不够，建筑铸成之后容易产生蜂窝、孔洞、麻木等问题。在微观层面，氯离子、毛细孔、氢氧化钙、硅胶体都能对混凝土造成损害，影响建筑工程的效果。基于此，笔者从混凝土的研究现状出发，着力分析混凝土耐久度存在的问题。希望能为混凝土耐久性问题的解决提出一些见解。
关键词：混凝土；耐久性；研究现状；问题简析
引言：
混凝土是工程建设中的基础材料。没有混凝土的助力，中国的基建声誉不可能发扬海外。从混凝土的应用结果的角度来看，中国基建的总体系统和理论相对完善。但是，伴随着基建事业的全面发展，基建不仅需要建设在平地上，还需要建设在高纬度地区或者深海等复杂环境中。因此，混凝土的耐久性理论亟待进一步革新，以不断适应最新的混凝土需求。
一、混凝土耐久性研究现状
（一）氯离子与混凝土耐久度
随着基建事业的发展，混凝土需要在深海环境中作业，打造跨海通道。目前，在我国有很多跨海通道的应用案例，包括渤海跨海通道、琼州跨海通道等。跨海通道的根基埋在海底，容易受到海水的影响，使混凝土的耐久度出现下降的情况。因为在海水中存在氯离子，氯离子会使混凝土的强度降低，使混凝土出现开裂，严重时会造成跨海通道出现倒塌的情况，威胁人民的生命财产安全。
例如，2018年8月，欧洲的莫兰蒂大桥9号桥墩出现倒塌，50余人因为渎职罪而被警方逮捕。事后经过现场调查，专家组判断，正是由于混凝土被氯离子所侵蚀，从而导致桥墩底部的混凝土出现断裂。柱子的断裂逐步引起桥面的断裂，最终使这所意大利的标志性建筑出现倒塌现象。目前，关于氯离子对混凝土耐久度的研究比较完善，理论都比较系统，例如，学者谢真真在论文中从氯离子对混凝土的危害入手，探索了氯离子对混凝土和钢筋的影响原因，并对预防氯离子危害提出了相应的解决措施，提倡使用工业废渣逐步降低混凝土中氯离子的含量，以保障混凝土的稳固性[1]。
对混凝土冻融破坏的研究
第５卷第６期 ２０１４年６月 黑龙江科学 ＨＥＩＬＯＮＧＪＩＡＮＧ ＳＣＩＥＮＣＥ Ｖ０１．５ Ｎｏ．６ Ｊｕｎｅ ２０１４
对混凝土冻融破坏 的研究
慈慧强
（秦皇岛秦星工程项目管理有限公司，河北秦皇岛０６６０００）
摘要：近年来，随着我国经济发展速度的不断加快，居民对现代工民建筑施工质量的要求不断提高，凸显出混凝土质量的重要
性。混凝土作为现阶段建筑施工中最为常见的施工材料，其质量的好坏直接关系到建筑本身的使用性能。本文结合笔者自身多年的实
践经验，详细介绍了混凝土的冻融破坏机理，影响混凝土抗冻性的主要因素，以及提高混凝土抗冻性的主要措施，并对混凝土的冻融
破坏研究现状进行了概括，希望为我国建筑行业的发展提供一定的导向性作用。
关键词：混凝土；冻融破坏机制：解决方案：引气剂
中图分类号：ＴＵ５２８ 文献标志码：Ａ 文章编号：１ ６７４—８６４６（２０１ ４）０６—００５３—０１
在现阶段建筑物的建设施工以及使用过程中，经常会遇到
混凝土工程过早破坏的现象，其主要原因不是混凝土的强度不
足，而是因为混凝土的耐久性问题。如在铁路、桥涵、混凝土路面
工程等工程中，特别是北方严寒地区的混凝土工民建筑中，都存
在着不同程度的冻融破坏现象。由于混凝土的抗冻融性能不达
标，导致了建筑出现裂缝、突起等问题。要想彻底提高我国工民
建筑的施工质量，保证建筑本身的耐久性，就必须解决混凝土建
筑的冻融破坏问题。 １ 混凝土的冻融破坏机理
在混凝土发生冻融破坏的过程中，其本身发生着比较复杂
的物理化学变化。众所周知，混凝土是由硬化的水泥浆体和骨料 制备而成的含毛细孔的复合材料。在制备过程中，为了使混凝土
具有较好的和易性，通常需要加入更多的拌和用水，大大超过制
备水泥所需要的用水量，这样就导致了多余的水滞留在混凝土
中，逐渐形成了占有一定体积的连通毛细孔…，这样由未水化
的水泥、水泥水化产物、集料、水、空气共同组成的气——液——固
混凝土冻融损伤过程中微裂纹研究
1、研究意义
混凝土冻融损伤过程的本质是内部微裂纹不断出现和扩展的过程，混凝土的各项宏观物理力学性能与其内部微裂纹结构状态密切相关。现有的混凝土冻融损伤评价方法有共振频率法、超声波波速法或X射线CT法，均是混凝土损伤程度的宏观、唯象的表征和评价方法，难以直观反映混凝土冻融损伤过程中微裂纹的萌生和扩展情况。
基于数字图像处理技术对混凝土内部微裂纹结构特征进行量化表征和分析，进而建立混凝土宏观力学性能变化与微裂纹特征参数之间的对应关系，可揭示混凝土冻融损伤的本质，为混凝土冻融损伤程度的评价提供一个科学合理的、更直观的方法。
国际上基于微裂纹图像定量分析技术对建筑物中混凝土的劣化状况进行诊断已有10余年的历史，而我国在该领域的研究几乎是空白，本项研究有望建立混凝土冻融损伤的更直观和本质化的评价方法，并填补国内在混凝土微裂纹图像量化分析领域研究的空白，进一步提升我国在混凝土老化损伤评价、健康诊断领域的研究水平。
2、国内外研究现状综述
冻融破坏是指硬化混凝土在浸水饱和或潮湿状态下，由于温度正负交替变化，内部孔隙水形成冻结膨胀压、渗透压及水中盐类的结晶压等，产生疲劳应力，造成混凝土由表及里逐渐剥蚀的一种破坏现象[1]。冻融破坏是我国东北、华北和西北地区的水工混凝土建筑物的主要病害之一。对混凝土建筑物所经受的冻融损伤程度进行正确合理的诊断和评价是修补和养护混凝土建筑物、延长建筑物寿命的前提。
2.1 现有冻融损伤评价方法的不足
常用的对混凝土冻融损伤的评价方法有共振频率法[2]、超声波波速法[3]及X射线CT法[4]。共振频率法是最常用的评价混凝土抗冻能力的方法，已经纳入我国的水利行业标准。规范规定以相对动弹模的变化（由共振频率计算得到）来评价混凝土的损伤程度，且规定相对动弹模降低为初始值的60%即认为混凝土已经受冻破坏[2]。超声波波速法也是常用的检测混凝土内部缺陷的方法，赵霄龙等[3]发现通过超声波波速的相对变化来构筑损伤变量D=1-υ’2/-υ2（υ 和υ’分别为完好和受损混凝土的超声波波速），也可以很好地评价混凝土的冻融劣化程度。日本学者Suzuki[4]采用X射线CT设备对经不同冻融劣化程度的混凝土芯样进行了扫描，发现CT数（反映混凝土对X射线吸收能力的高低）可反映混凝土芯样受劣化程度的大小：严重冻融劣化的芯样的平均CT值最低，而未经冻融劣化的芯样的平均CT值最高。
装配式砼桥墩冻融循环破坏研究综述
装配式砼桥墩冻融循环破坏研究综述
摘要：对近年来装配式砼桥墩及混凝土冻融破坏的相关研究进行了简要总结，指出了冻融循环对装配式砼桥墩抗震性能影响研究的必要性，归纳整理了装配式混凝土桥墩在冻融破坏研究中的关键问题，对冻融循环对装配式砼桥墩抗震性能的研究前景进行了展望。
关键词：冻融循环、装配式桥梁、混凝土桥墩
1 引言
近年来，装配式桥梁结构已经成为我国新型工业化产业发展的重要组成部分，对其桥墩冻融循环后的力学性能，尤其是抗震性能研究还较少，一定程度上阻碍了其快速发展。按照桥墩自重，桥墩可分为重力式桥墩和轻型桥墩，双柱式桥墩是轻型桥墩中的一种，由帽梁和双柱组成的钢筋混凝土构架式桥墩，具有低消耗、易施工、自重小等优点。基于此，就冻融循环对装配式砼桥墩抗震性能影响进行了综述。
2 国内外研究现状
2.1 装配式砼桥墩的应用及研究现状
徐文靖等[1]比较了由灌浆套管连接的预制装配式桥墩和整体现浇桥墩之间的性能差异，以及不同直径的灌浆套管对此类预制拼装桥墩抗震性能的影响。认为当预制组装桥墩与嵌入墩身的灌浆套管连接时，由于套管刚度大，墩身套管连接段容易形成刚性区域，并会出现墩身曲率重新分布的现象，这将导致桥墩底部接缝处曲率的增加和应变的集中，并导致桥墩的最终破坏形式从传统的塑性铰区混凝土破坏转变为桥墩底部接缝钢筋的拉断。
李嘉维[2]对灌浆套筒连接的装配式双柱桥墩进行了双向拟静态试验。研究发现，在强轴方向上，桥墩的能耗、强度、变形和延性等指标与现浇桥墩相似；然而，在弱轴方向，其性能明显弱于现浇桥墩。 李宁等[3]提出了一种带有耗能钢筋的预制拼装钢管混凝土自复位桥墩，并提出了一个无需迭代的变形分析模型。与循环荷载试验、现有变形分类模型和OpenSees建立的纤维模型相比，该模型可以准确预测和分析预制装配式CFST自复位桥墩在不同阶段的荷载-变形关系曲线，具有一定的保守性。
Ahmadi等[4]使用有限元模型研究了预制后张桥墩的非线性静态和动态特性，并认为后张拉力、高宽比、桥墩轴向力和节段数对预制后张墩的非线性行为有很大影响。高水平激励振幅在预制张拉桥墩共振频率处和附近呈现出共存的振幅响应，并逐渐变薄，这提高了预制张拉墩的动态失稳概率。
混凝土冻融破坏研究现状
李金平等：混凝土冻融破坏研究现状
混凝土冻融破坏研究现状水
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１０ ０００ ｍ ，占 整个溢流坝面积的５０％左右，混凝土平均冻融剥蚀 深度达１０ ｃｍ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、空气共同组成的气一液一固 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
冻融循环作用对土体性质的影响研究现状
冻融循环作用对土体性质的影响研究现状
摘要：冻融作用对于冻土地区的实际工程建设有很大的影响，所以冻融作用也是工程建设中十分重要的研究课题。本文首先简要介绍了冻融引起的灾害，冻融循环试验的仪器方法和冻融循环改变土的物理力学性质等方面。
关键词：冻土，冻融循环试验，冻融作用
0.引言
冻融作用是实际建设工程中十分重要的影响，所以研究土冻融作用后的物理力学性质尤为重要。
冻融灾害是季冻区工程建设的重要问题之一。已川藏铁路为例，土体经过冻融作用使得边坡发生失稳滑动，冻土边坡表层土体强度降低，是以川藏铁路为例季节性冻土边坡破坏的主要因素[1]。因此，为减少冻融循环引发的工程灾害，研究冻融循环作用对土体性质的影响是十分必要的。
1.研究冻融循环试验的仪器与方法
室内土的冻融试验一般将试件放置于圆筒模型内，根据试验要求会在内部装上温度探测器来监测土样内部的温度变化，将土样放入恒温箱中，可以用位移器来监测试样在冻融过程中的产生位移变化。此外，在冻融过程中有开放式的，完全封闭式的，半封闭式，对于冻融试件有加围压和轴压两种加压方式。冻结方式对各个研究者而言也各不相同，可以按照施加冷源的位置来分类，一般有单向冻结，单向融化，偶尔有双向冻结，单向融化等。冻融对土的物理力学性质的影响一般用剪切、压缩固结、静三轴、动三轴等试验考察土工程性质在冻融循环作用下的改变。 2.冻融作用引起土物理性质的变化
学者研究发现冻融循环可以使土的液塑限发生一定的变化[2]，也可以使土的颗粒级配发生变化[3]。通过大量试验表明土样在冻融过程中内部会出现细小裂隙，而土样中的冰晶也会发生融化导致土样内部大孔隙的形成，因此土样的孔隙比减小，但渗透系数一般会有所增大[4]。
通过学者研究表明渗透性是土样在冻融过程中变化最为显著的。Chamberlain等[5]研究表明，冻融后渗透性与孔隙比变化有一定的关系。后来学者齐吉琳[6]等通过大量研究表明不同密实度的土的在冻融试验中渗透性会有不同的变化趋势，但整体呈现增大趋势。通过学者目前的研究表明是土经过冻融循环后渗透系数大约会增大１～２个数量级[7~8]。
探讨混凝土冻融破坏的机理
探讨混凝土冻融破坏的机理
混凝土和钢筋混凝土结构的传统设计方法是按照荷载和安全的要求确定混凝土的强度等级，即“按强度设计”。然而，国内外大量破坏实例表明：混凝土结构不是由于强度不够而破坏，而是由于混凝土随时间劣化（耐久性不够）而过早破坏，造成数目惊人的维修和重建的资金和自然资源的浪费。国外寒冷地区如北欧、北美、前苏联早在上个世纪40年代已重视抗冻性，采取引气技术，所以较少见普通冻融破坏的。在我国，从初步调查来看，北方地区造成混凝土结构过早破坏的主要原因是冻融和盐冻，情况也比较严重。
1 混凝土冻融破坏的机理分析
混凝土是由水泥砂浆及粗骨料组成的毛细孔多孔体。在拌制混凝土时为了得到必要的和易性，加入的拌合水总要多于水泥的水化水。这部分多余的水便以游离水的形式滞留于混凝土中形成连通的毛细孔，并占有一定的体积。这种毛细孔的自由水就是导致混凝土遭受冻害的主要内在因素。因为水遇冷结冰会发生体积膨胀，引起混凝土内部结构的破坏。但应该指出，在正常情况下，毛细孔中的水結冰并不致于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部分水泥水化后形成的胶凝孔和其它原因形成的非毛细孔。这些孔隙中常混有空气。因此，当毛细孔中的水结冰膨胀时，这些气孔能起缓冲调解作用，即能将一部分未结冰的水挤入胶凝孔，从而减少膨胀压力，避免混凝土内部结构破坏。但当处于饱和水状态时，情况就完全两样了。此时毛细孔中水结冰时，胶凝孔中的水处于过冷状态。因为混凝土孔隙中水的冰点随孔径的减少而降低。胶凝孔中形成冰核的温度在-78℃以下。胶凝孔中处于过冷状态的水分因为其蒸汽压高于同温度下冰的蒸汽压而向压力毛细孔中冰的界面处渗透。于是在毛细孔中又产生一种渗透压力。例如在-5℃时该渗透压力可达5.97MPa。此外，胶凝水向毛细孔渗透的结果必然使毛细孔中的冰体积进一步膨胀。由此可见，处于饱和状态（含水量达到91.7%极限值）的混凝土受冻时，其毛细孔壁同时承受膨胀压及渗透压两种压力。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，混凝土中的裂缝会互相贯通，其强度也会逐渐降低，最后甚至完全丧失，使混凝土结构由表及里遭受破坏。
混凝土冻融和碳化的影响因素及研究现状
・４５４・ 学术论坛
混凝土冻融和碳化的影响因素及研究现状
杨森源
（河南省第一建筑工程集团有限责任公司，河南，郑州，４５００１４）
【摘要】对于混凝土冻融循环、碳化
等因素作用下混凝土耐久性问题，国内外已
开展了大量的研究工作，本文重点对混凝土
冻融和碳化性能的研究现状及其研究的必要
性及国内外关于碳化方面目前的系列研究成
果做了论述。
【关键词】冻融；钢纤维混凝土；碳化
一、混凝土抗冻融性能研究现状及其研
究的必要性
混凝土建筑物在环境因素和侵蚀介质作
用下开裂、甚至倒塌破坏主要是由混凝土的
耐久性不足引起的．耐久性是一个非常复杂 的ｆａｊ题，它涉及的内容和影响因素很 混凝
土结构的破坏原因按重要性排序为：钢筋锈
蚀、寒冷气候下的冻害、侵蚀环境的物理化
学作用。
１．混凝土冻融破坏机理的研究
混凝土的冻融破坏机理研究始于２０世纪
３０年代，１９４５年美国混凝土专家Ｔｃ．Ｐｏｗｅｒｓ
等人从混凝土亚微观层次入手，分析了孔隙 水对孔壁的作用，提出了静水压理论和渗透
压理论。ＴＣ．Ｐｏｗｅｒｓ等人的研究工作为冻融破
坏机理莫定了理论基础。目前提出的混凝土
冻融破坏机理有以下几种：水的离析层理论、
静水压理论、渗透压理论、充水系数理论、
临界饱水值理论和孔结构理论，其中具有代
表性的是静水压理论。
２．混凝土抗冻性的主要影响因素
混凝土的抗冻性与其内部孔结构、水饱
和程度、受冻龄期、混凝土的强度等许多因
素有关。而混凝土的孔结构及强度又取决于 混凝土的水灰比、有无外加剂和养护方法等。
混凝土抗冻性的主要影响因素有：
（１）水灰比：对于非引气混凝土，随着
水灰比的增大，抗冻耐久性明显降低。
（２）含气量：含气量也是影响混凝土抗
冻性的主要影响因素，加入最佳量的引气剂 形成在砂浆中均匀分布的气孔对提高混凝土
的抗冻性尤为重要。
（３）混凝土的饱水状态：一般认为含水
量小于孔隙总体积的９１．７％就不会产生冻结