冻融循环破坏研究进展

外部因素
冻融温度、冻融速率、外加荷载
施工因素
配合比、养护条件
混凝土的密实度越大，抗冻性越好。
混凝土强度越高， 抗冻性越好。
混凝土的开口空隙越多，抗冻性越差。
水灰比越大，开口空隙越大，抗冻性越差。
混凝土的饱水程度达到吸水饱和状态，容易发生冻融破坏。
• 丌同水灰比下混凝土中冰及水体积的膨胀量
水灰比
结冰量与混凝土体积膨胀量（%） 水的膨胀与混凝土的体积（%）
• 4.2 英国标准规定的冻融试验方法 规定试件尺寸为 75mm×75mm×2250mm~3050mm试件在-15℃ 温度下冻16~17h,在20℃的水中养护72h。试件经 50次冻融循环后计算相对长度变化率。即： ∆L=(L50-L0）/L0

式中：L50 为经历50次冻融循环后试件的长度： L0 为试件原始长度。
• 膨胀压理论不渗透压理论的异同点
相同点
都认为是内部压力造成混凝土破坏，即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。
不同点
若冻融循环时间非常缓慢，用渗透压理论分析可能比较合适; 若冻 结很快, 用膨胀压力理论分析可能比较适合。
3.4 影响混凝土冻融破坏的因素
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内部因素
集料、水泥、外加剂、水灰比、含气量
0.41
3.8
0.35
0.49
4.9
0.45
0.72
8.1
0.75
4 国内外混凝土抗冻性能试验方法
• 4.1 美国标准规定的抗冻性能试验方法 • 称为混凝土快速冻融试验方法，包括：快速冰冻水融法 和快速气冻水融法。两种方法规定冻融循环温度为17.8℃—4.4℃，每个试件应连续进行300次冻融循环，戒 进行到室内的相对动弹模量降到初始值的60%为止。该实 验用DF表示耐久性系数，即： • DF=P×N/M • 式中P为N次冻融循环后的相对动弹性模量：N为规定的 最小值而停止实验时的循环次数：M为规定的经受冻融循 环的次数。
图1 冻融循环引起的混凝土结构劣化
图2 海洋环境下混凝土柱由于混凝土质量的差异而导致的不同劣化现象
2、冻融破坏研究的意义
• 我国地域辽阔,有相当大的地区处于严寒地 带,丌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戒构筑物在冻融循环 作用下的冻融破坏是运行过程中的主要病 害，世界各国每年都要花费巨额费用维修 被腐蚀的混凝土结构。因此对混凝土冻融 循环的研究就很有必要。
3、冻融破坏的机理
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,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。
3.1 目前提出的混凝土冻融破坏理论
Diagram 膨胀压理论 渗透压理论 水的离析层 理论
破 坏 理 论
孔结构理论 充水系数理论 临界饱水值 理论
目前认可度较高的是美国学者提出的膨 胀压理论和渗透压理论。
3.2 膨胀压理论认为：
•
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, 体积膨胀约 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。
• 4.3 我国国家标准规定的抗冻性试验方法
• 用28天龄期的试件进行慢冻法，试件为立方体 （150mm×150mm×150mm）,到达试验龄期的前四天， 将冻融试件放在20℃的水中浸泡，水深应没过试件顶面 2cm以上。在温度-17℃至-20℃下冻结4h，然后在20℃的 水中溶解4h，至此为一次冻融循环，需8h。每次冻融循环 后测定其重量和抗压强度，同时达到重量损失5%和强度 损失25%的最大冻融循环次数，即为混凝土的抗冻标号， 例如D300。
混凝土冻融循环破坏（读书报 告）
汇报：费彩会 导师：何世钦
1 冻融破坏的定义
• 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 饱水状态和冻融循环交替作用是发生混凝土冻融 破坏的必要条件。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，危及结构物的安全性。一般认为混凝土的冻 融破坏是一个物理作用过程。
5 混凝土冻融破坏的防治
设计方面
材料选择及配合比方面
施工方面
掺入少量减水剂、早强剂、 在易出现裂缝的地方加大 防冻剂、引气剂、限制水 控制好坍落度、振捣过程 配筋，对于混凝土构筑物， 灰比、选择抗冻性好的硅 不要太长、加强早期养护。 要有防水、排水措施。 酸盐水泥。
6 感悟
•
混凝土结构发展到现在，理论部分已经趋于 成熟，未来将会有越来越多的人研究混凝土的耐 久性问题，抗冻性作为耐久性方面一个丌可回避 的话题，将会越来越表现出其重要性。目前对于 冻融循环的研究存在很多丌足之处。所以，我们 仍需要努力、努力、再努力。
硬化初期混凝土中水的存在形式
结晶水
吸附水
毛细孔水
游离水
不可能结冰
存在于毛细孔中, 这部分水是可结冰 自然条件下不可能 的, 且毛细孔中水 结冰（低于-78℃ 蒸气的冰点随毛细 结冰） 孔半径的减小而 下降
存在于各种固体颗 粒间, 是可结冰的。
3.3 渗透压理论认为
•
渗透压力是由孔内冰不未冻水两相的自由能之 差引起的。在一定的温度下, 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 观结构中迁秱和重分布从而引起渗透压。