聂红宾　谭平

基金项目：陕西铁路工程职业技术学院教改课题（2018JG-28）陕西铁路工程职业技术学院科研课题（2014-44）。

混凝土冻融损伤研究始于上世纪三十年代，各国学者从各方面做了大量的工作，发展较为完整的基本理论。

Powers 于 1945 年[1]提出静水压力假说——混凝土的冻害是由混凝土中的水结冰时膨胀产生的静水压力引起的，结构示意如图1所示。水结冰时体积膨胀达9%，由达西定律可知：产生的静水压力作用于水泥石上，造成冻害。此压力的大小除了取决于毛细孔的含水率外，还取决于冻结速度，水迁移路径长度以及水泥石渗透性等，表达式公式（1）。这种方法较好的解释了非引浆气体冻融损伤。

式中：Pmax为静水压力，s为混凝土空隙含水率，K为混凝土渗透有关的系数，η为水的粘结系数，u为每降低1℃，水结冰的速率，R为降温速率。

1970年，Mayercsik[2]提出了失水缩裂理论。对混凝土进行冻融试验，在电子显微镜下查看不同温度混凝土的开裂情况。结果表明：混凝土在受到冻融后，水分大量蒸发，混凝土失水率与混凝土开裂程度成成正比，同时将Powers理论中静水压力换成干缩压力，计算结果一致。

1975 年，Bager [3，4]又发展了渗透压力理论，发现非引气浆体当温度保持不变时出现的连续膨胀，引气浆体在冻结过程中的收縮等，对于抗冻性应考虑水泥浆体和骨料两个方面因素。渗透压力理论认为，水泥石体系由硬化水泥凝胶体和大的缝隙、稍小的毛细孔和更小的凝胶孔组成。

2003年，过镇海，时旭东[5]提出了骨料膨胀松动理论，经过试验发现：混凝土在经历冻融、高温、盐类侵蚀等因素发生破坏之前，体积都会有一定的膨胀，致使结构内部发生位移而破坏。

2007年，学者段安[6]认为材料三相性理论，他认为碳纤维混凝土是一种含粗、细骨料、水泥、纤维等固体颗粒物质，游离水和结晶水等液体，以及气孔和缝隙中的气体等所组成的非匀质、非同向的三相混合材料。这种混合材料在受到外界因素破坏后，三相材料平衡性破坏而发生破坏。

2013年，聂红宾[7-9]等人通过对混凝土进行快速冻融试验发现，水通过混凝土本身存在的空隙进行或直接渗入混凝土结构中，结构中的空隙有限，水的密度比冰小，结冰后体积膨胀，混凝土结构抗拉能力弱，进而产生裂纹。

2019年，学者Nathan P. Mayercsik[10]提出了分子共价理论，认为碳纤维与粗骨料凝结时也会胶结在一起，形成大小不一的分子球，各个分子通过类似共价键的形式连接起来，形成碳纤维混凝土内部多孔结构。键与键之间会形成孔隙通道，孔隙通道有部分水和空气组成，孔隙之间水很容易通过，键与键之间的力主要由碳纤维丝拉力、水泥胶结力、分子水吸力等组成，空隙水结冰后形成压力或者干缩后形成拉力，对键之间形成破坏力，当破坏力大于键力结构发生破坏，产生裂缝，结构示意2所示。

综上所述，混凝土冻融损伤理论主要包括静水压力、失水缩裂、渗透压力及骨料膨胀松动理论。纤维阻裂理论主要包括三相性理论、分子共价理论及膨胀假说。碳纤维混凝土在受到低温冻融时破坏理论基本一致，虽然各个学者因研究需要，假设模型有一定的差异，但混凝土受到冻融因素破坏，内部形成拉力造成破坏受到普遍学者认可，同时本文基于学者Nathan P 分子共价理论构件碳纤维废丝混凝土阻裂理论，找到合理纤维掺量。

参考文献

[1] Powers T C. A Working hypothesis for further studies of frostresistance of concrete. ACI Journal， Proceedings， 1945， 16（4）：245-272

[2] American Society for Test and Material. C457-90. Standardtest method for microscopical determination of parameters of the airvoidsystem in hardened concrete. 1970