冻融循环对混凝土结构的影响

摘要：混凝土结构作为我国基础设施建设中的主导结构，至今已普遍地应用于很多领域，混凝土结构的服役环境越来越复杂，冻融破坏作为其中主要的不利因素之一表现出的影响日益突出。

本文通过对混凝土结构冻融破坏的介绍，探讨了混凝土冻融破坏的机理、危害以及关于混凝土冻融破坏的几种假设。

关键词：混凝土;冻融循环;破坏机理;假设
0 引言
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，毛细孔中的水结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。

混凝土的冻融破坏作用主要有冻胀开裂和表面剥落两个方面。

对于混凝土抗冻耐久性能的研究必须先从混凝土冻融破坏机理开始，自上世纪30年代以来，各国科学研究者作了大量的研究，提出了一系列的假说。

尽管由于混凝土冻融破坏机理非常复杂，如今人们尚未得到一个完全能解释冻害的公认的理论，但所提出的一些假说已经很好地指导了过去和当前的研究工作，为工程结构抗冻设计提供了很有力的理论基础。

所提出的假说主要有冰的分离层理论、充水系数理论、静水压理论渗透压理论和温度应力理论等。

2 混凝土冻融破坏的几种假说
2.1冰的分离层假说
冰冻是从暴露的混凝土表面开始的，然后逐渐由表及里向混凝土内部延伸，当表面以下的某层达到足够低的温度时，水在最大的孔隙中开始结冰，由于结冰产生潜热，使水晶体相接触并使周围孔隙中未冻水诱出，继续使冰晶体增长、温度继续下降时，使冷锋面透入。

当温度下降到足以冻结一个新冷锋面的孔隙时，又形成一个新的受冷薄层。

最后使混凝土形成一系列平行的冷薄层，由于冰结晶体膨胀，冰点上升，混凝土被逐渐破坏这一理论适用于低
质的、抗渗性能差的而且长期遭受低温冻结的混凝土，对于较密实的、抗渗性好的、孔隙小的混凝土就不适用，因为没有足够的水供冰结晶体增长，从而放出足够的潜热维持该处的恒温，不可能形成一系列平行的分离层冰面。

2.2充水系数假说
该理论认为，混凝土能否发生冻融破坏主要取决于混凝土的充水系数。

充水系数指的是孔隙内水的体积与整个空间的体积之比。

充水系数只能反映混凝土内孔隙饱和水程度的平均概念，而实际上混凝土内各处充水程度不会相同。

混凝土的充水系数与混凝土的抗冻性能有较好的关系，但是充水系数测定的水是比较容易蒸发的水，即与外界相通的孔隙中的饱和水。

2.3 静水压力假说
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15-100a;毛细孔孔径一般在o.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-1～1.5摄氏度。

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摄氏度时，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-12摄氏度时，毛细孔都能结冰，而凝胶中的水分子物理吸附于水泥浆固体表面，估计在-12摄氏度以上不会结冰。

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。

3 冻融循环对钢筋混凝土结构的危害
冻融循环会导致混凝土的抗压强度、抗拉强度、弹性模量、变形特征等基本力学性能和变形性能降低，从而影响混凝土结构的使用性能和承载能力，这不仅对日常的生产和工作有影响，甚至危及到混凝土结构工程的安全运行。

根据美国1985年的报道，因使用除冰盐而导致混凝土钢筋锈蚀和冻融剥蚀的公路桥梁高达约56万座，其中需要大修或重建的就有约9万座，仅1978年一年，由于冻害和钢筋锈蚀所造成的经济损失就高达63亿美元。

在我国北方地区钢筋混凝土桥梁的桥面板和桥墩、混凝土结构海洋平台、水工大坝中的迎水面和溢流坝面等在运行一段时间后经常出现混凝土剥落、物理力学性能下降等情况，由于冻融循环作用，导致桥面板和桥墩！海洋平台等发生冻融破坏，出现混凝土保护层脱落，钢筋外露等现象。

4 结语
本文详细的介绍了钢筋混凝土结构在冻融循环作用下的破坏机理、对构件的危害以及混凝土结构冻融循环破坏的几种假设。

由上述可知，国内外众多学者和专家对此已进行了大量的研究和探索，同时也取得了许多有重大价值的科研成果，对于我们在从事建筑结构设计时提供了重要的理论指导和数据支持。

但是，我们仅仅对混凝土结构冻融循环破坏有理论认识是远远不够的，不能够切实解决地处寒冷地区的工程实际问题，我们应该在理论分析、结构设计、施工工艺和新型材料的研发和引进来综合考虑解决建筑结构的冻融破坏问题。