覃丽坤 宋宏伟

(大连民族学院土木建筑工程学院，辽宁大连 116600)

1 概述

我国北方寒冷地区的混凝土建筑物和构筑物，在冬季都遭受不同程度的冻融破坏。目前，对混凝土抗冻性能的研究，国内外已开展了一些研究工作，但主要集中在对混凝土抗冻指标方面的研究，而针对冻融循环对混凝土力学性能影响的研究不多。

目前，关于混凝土冻融破坏机理，国内外在理论方面还没有达到共识。从1940年开始，国内外学者相继对混凝土冻融破坏机理展开了研究。有美国的鲍尔斯提出的静水压假说和渗透压假说;前苏联学者基于力学概念，提出的现象学观点等，这些研究基本都是经假设和推导而得出结论，从纯物理的模型出发的。

由于混凝土冻融循环的试验方法和条件不同，试验数据具有一定的离散性。目前，关于冻融循环对混凝土力学性能影响的研究，只有少量文献对冻融循环后的普通混凝土进行了多轴应力状态的试验研究［9，10］，大多数研究还是针对混凝土在单轴应力状态下进行的。因此，开展冻融循环后混凝土多轴力学性能研究，对于准确分析处于复杂应力状态的混凝土结构在恶劣环境因素下的力学性能尤为重要。

2 影响混凝土抗冻性能的主要因素

1)含气量和引气剂的影响。

含气量对混凝土抗冻性有直接影响。在混凝土中，掺入适当的引气剂，可使混凝土的抗冻性提高8倍～10倍左右;

2)水灰比。

随着水灰比的增加，混凝土的抗冻性能逐渐降低，因为水灰比直接影响混凝土的孔隙率及孔结构;

3)平均气泡间距的影响。

平均气泡间距越大，则导致混凝土毛细孔中的静水压和渗透压越大，造成混凝土的抗冻性越低;

4)掺加料。

除引气剂外，减水剂对混凝抗冻性也有一定影响;

5)饱水状态。

混凝土含水量大，则受冻时易于破坏。因为混凝土冻融破坏与其孔隙的饱水程度密切相关;

6)水泥品种。

水泥品种不同，则熟料部分的相对体积和硬化速度有所不同，将直接影响混凝土的抗冻性能。

3 混凝土冻融破坏机理

目前，对混凝土抗冻性能的研究，国内外已进行了一些试验研究工作［1-8］。早期开展研究的有美国的鲍尔斯，他提出的破坏理论是静水压假说和渗透压假说。他通过对水泥净浆结构的抗冻性能的研究，建立了比较完整的混凝土冻融破坏理论体系，受到国际学术界的高度重视。进入20世纪70年代，混凝土抗冻性能的研究又有了一些进展，加拿大和德国的科学家用热力学理论，分析固、液、气三相共存平衡的条件，根据自然界的客观规律指出事物发展的必然性，来揭示混凝土冻融破坏机理。前苏联学者从力学概念出发，提出了现象学观点。混凝土冻融破坏机理在很大程度上指导了混凝土材料抗冻性的研究，对提高混凝土抗冻性能起到了重要作用。但迄今为止，国内外在冻融破坏理论方面还没有达成共识。

4 混凝土抗冻性能研究现状

从国内外发表的相关文献看，对混凝土抗冻性能的研究，大多是针对混凝土抗冻安全设计等级而展开的，没有考虑混凝土的强度指标。按照我国现行标准，对混凝土抗冻等级的规定是同时满足相对动弹模值不小于60%和质量损失率不超过5%时的冻融次数。文献［2］的试验发现，经125次冻融循环后，当相对动弹模值接近60%时，普通混凝土抗压强度仅为冻融循环前的39%，强度降低很多。文献［3］的试验发现，经300次冻融循环后，加气混凝土的相对动弹模值为61%时，抗压强度仅为冻融循环前的49.5%。因此，应该对冻融循环后混凝土力学性能的变化引起足够的重视。

水工及海工中的混凝土结构大部分处于复杂应力状态。文献［9］［10］对冻融循环后混凝土进行了双轴压和三轴压下的力学性能试验研究。文献［9］的试验研究发现，在相同冻融循环次数后，双轴压混凝土的抗压强度较单轴压极限强度提高，提高程度取决于应力比的大小，在应力比为1∶0.5时，极限抗压强度提高幅度最大，为单轴抗压强度的1.5倍左右。

文献［10］的试验研究发现，在相同冻融循环次数后，三轴压混凝土的抗压强度值大大提高，尤其在应力比为0.1∶0.5∶1时，极限抗压强度为单轴抗压强度的3倍～6倍。因此，设计中考虑冻融循环后多轴压混凝土强度比单轴压混凝土强度提高的特点，可大大节省材料。

5 结语

国内外对冻融循环后混凝土破坏机理和影响因素的研究取得了一些成果，但是在冻融破坏的理论方面还没有达到共识。关于冻融循环对混凝土力学性能影响的研究，只有少数科研院所开展了冻融循环后混凝土的多轴力学试验研究，大多数文献还是针对混凝土在单轴应力状态下而进行的。因此，开展冻融循环后混凝土力学性能的试验研究，对丰富混凝土抗冻性能理论具有重要意义。

［1］ Jacobsen S.，Marchand J.，Homain H..SEM observations of the microstructure of frost deteriorated and self-healed concrete［J］.Cement and Concrete Research，1995，25(8):1781-1790.

［2］ 程红强.冻融对混凝土强度的影响［J］.河南科学，2003，21 (2):214-216.

［3］ 李金玉.混凝土冻融破坏机理的研究［J］.水利学报，1999 (1):41-49.

［4］ 施士升.冻融循环对混凝土力学性能的影响［J］.土木工程学报，1997，30(4):35-42.

［5］ 蔡 昊，覃维祖，刘西拉.冻融循环作用下混凝土力学性能的损失［J］.工程力学，1996(sup):29-33.

［6］ G.Verbeck，R.Landgren.Influence of physsical characteristics of aggregates on frost resistance of concrete.Proc ASTM，1960: 1063-1079.

［7］ J.P.Bournazel，M.Moranville.Durability of concrete the crossroad between chemistry and mechanics［J］.Cement and Concrete Research，1997，27(10):1543-1552.

［8］ Y.X.Zhou，M.D.Cohen，L.W.Dolch.Effect of external loads on the frost-resistant properties of mortar with and without silica fume.ACI Mater.J.1994，91(6):595-601.

［9］ 覃丽坤，宋玉普，于长江，等.双轴压混凝土在冻融循环后的力学性能及其破坏准则［J］.工程力学，2004，21(2):188-193.

［10］ 姚家伟，覃丽坤，宋玉普.三轴压的普通混凝土在冻融循环后的力学性能［J］.混凝土，2011(3):25-37.