力学损伤对混凝土抗冻性的影响

赵庆新，康佩佩

（燕山大学河北省重型装备与大型结构力学可靠性重点实验室，河北秦皇岛 066004）

近半个世纪以来，国内外大量混凝土工程出现了因耐久性不足而过早失效甚至彻底损坏的现象，耐久性问题已成为全世界工程界普遍关注的研究热点.对于全球面积广阔的寒冷地区而言，冻融作用无疑是导致这些区域混凝土结构性能劣化的主要因素［1］.对此，国内外学者已进行了大量有益探索.商怀帅等［2－3］测定了冻融循环后不同应力比下混凝土的单、多轴抗压强度和变形特性，并建立了相应的破坏准则.慕儒等［4］分析了混凝土冻融循环劣化原因和机理.关宇刚等［5］提出了适用于冻融条件（包括复合其他因素）作用下的混凝土多元Weibull冻融损伤模型.此外，有关外荷载作用下混凝土抗冻融性能也取得了一定的研究成果.余红发等［6］研究指出弯曲荷载作用下的混凝土冻融寿命随着弯曲荷载比的增加呈现出指数下降的规律.慕儒等［7］研究表明荷载和冻融双重损伤因子作用下的HPC 抗冻性能随应力比的提高而下降.孙伟等［8－9］研究发现冻融循环、外荷载与腐蚀溶液的多因素作用，加速了混凝土的劣化过程和损伤程度，且随应力比的增大，混凝土损伤速度加快.刘建忠等［10］研究指出弯曲荷载不仅加剧了混凝土冻融损伤，而且改变了混凝土的破坏形式，表现出突然的脆性破坏特征.以上研究均是针对未受初始应力损伤的混凝土，对其抗冻融性能进行的有益探索.然而，在建造和使用过程中，混凝土结构可能受到意外撞击、地震等偶然荷载的作用，使混凝土受到损伤.显然，损伤会加剧混凝土的冻融破坏进程，因此研究具有初始应力损伤混凝土的抗冻融性能十分必要.本文按照GB／T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中抗冻性能试验的“快冻法”，以混凝土相对动弹性模量和质量变化率作为评价指标，分别研究了基准混凝土和损伤度为00.1，0.10.2，0.20.3的应力损伤混凝土的抗冻融性能，并对其力学损伤的演化过程进行了分析.本文研究结果对应力损伤混凝土结构的耐久性评价具有一定的指导意义.

1 试验

1.1 原材料

秦皇岛浅野水泥厂生产的P·O 42.5R 普通硅酸盐水泥；细度模数为2.8，表观密度为2650kg／m3的天然河砂；516mm 连续级配破碎石灰石；减水率为21%（质量分数）的奈系高效减水剂和松香热聚物型引气剂.

1.2 试验方法

制备混凝土试件，其配合比为：m（水泥）∶m（水）∶m（砂石）∶m（石子）∶m（减水剂）∶m（引气剂）＝1∶0.50∶1.75∶3.42∶0.008∶0.003（调整减水剂用量使混凝土的坍落度控制在90－110mm）.用40 mm×40 mm×160 mm 的模具成型，24h后拆模，将试件置于标准条件下养护28d.

试件标准养护28d后，用MP－2型磨抛机将试件棱角稍稍打磨，以防加载时试件产生应力集中现象.打磨完毕，取其中1组做棱柱体抗压强度试验（用于计算其他试件加载时的荷载控制指标），其值为33.2MPa（未修正尺寸效应系数）.加载前，用混凝土超声检测仪测得试件的初始波速；加载过程中，对试件连续、均匀加荷，荷载控制水平不超过其抗压强度的60%，通过纵横反复加载（纵向加载时承压面为40mm×40mm 的侧面，横向加载时承压面为40mm×160mm 的侧面）的方式预制损伤.每隔35个加载过程，应用超声检测仪测试应力损伤试件波速.根据式（1）计算混凝土试件的损伤度，通过调整荷载大小和加载次数使试件的损伤度D（1）分布在0－0.3，并保证基准组（D0），损伤度为00.1（D1），0.1－0.2（D2），0.20.3（D3）各组试件均不少于6块.

式中：D（1）为混凝土试件在气干状态下的损伤度；v0，vt分别为预制损伤前、后混凝土试件在气干状态下的波速，km／s.

冻融循环试验在混凝土快速冻融机中进行.试验开始前，首先将基准混凝土试件和受初始应力损伤的混凝土试件置于1520℃的水中浸泡4d，然后采用精度为0.1g的电子秤称量其在湿润状态下的质量，应用混凝土超声检测仪测定其在湿润状态下的波速.当质量变化率达到5.0%或相对动弹性模量降低到60%时，视混凝土已破坏.各组混凝土试件在经历t个冻融循环后在湿润状态下的质量变化率Mt、相对动弹性模量Erd，t分别按式（2），（3）计算：

式中：m0，mt分别为预制损伤后及经历t 个冻融循环后试件在湿润状态下的质量，g；v0′，vt′分别为预制损伤前及经历t个冻融循环后试件在湿润状态下的波速，km／s.

2 结果及分析

2.1 质量变化率

图1 质量变化率与冻融循环次数的关系Fig.1 Relationship between Mtand number of freeze－thaw cycles

各损伤度下混凝土试件质量变化率与冻融循环次数的关系见图1.由图1可知：与基准混凝土相比，损伤度为00.1和0.20.3的应力损伤混凝土在冻融循环次数达到80次之前其质量减小缓慢，之后则明显加快，且同一冻融次数下，损伤度越大的混凝土其质量损失越严重.与基准混凝土相比，损伤度为0.10.2的应力损伤混凝土在冻融循环次数达到100次之前其质量略有增加，这可能是由于在此损伤度范围内混凝土试件的裂纹有利于水的存积所致.但随着冻融损伤的不断积累，120次冻融循环时，其质量突然减小，且减小速率明显大于基准混凝土.

质量变化率评价指标在一定程度上可以表征初始应力损伤对混凝土抗冻融性能的影响.当试验进行到120次循环时，各组试件的质量变化率均未超过5%，但此时试件的相对动弹性模量早已低于60%，因此质量变化率并非试件破坏的控制因素.

2.2 相对动弹性模量

各损伤度下混凝土试件相对动弹性模量与冻融循环次数的关系见图2.由图2可知：随着冻融循环次数的不断增加，基准混凝土和应力损伤混凝土的相对动弹性模量均呈减小趋势.同一冻融循环次数下，损伤度越大的混凝土其相对动弹性模量越小；损伤度为00.1的应力损伤混凝土相对动弹性模量减小速率与基准混凝土非常接近；损伤度为0.10.2和0.20.3的应力损伤混凝土相对动弹性模量减小速率明显大于基准混凝土，80次冻融循环时已损伤严重，无法测出超声波波速.可见，损伤度大于0.1的应力损伤混凝土抗冻融性能明显劣化.

图2 相对动弹性模量与冻融循环次数的关系Fig.2 Relationship between Erd，tand number of freeze－thaw cycles

2.3 冻融损伤演化过程分析

将式（4）变形为式（5）：

混凝土力学损伤变量拟合值和试验数据之间的比较结果如表1所示.由表1可知，各组混凝土试件的力学损伤变量拟合值与试验数据之间的平均绝对误差均小于0.04，平均相对误差均低于15%，说明试验数据与拟合值吻合较好.

表1 混凝土力学损伤变量拟合值与试验数据的误差Table 1 Error between the fitted value and the experimental result of mechanical damage variance of concrete

2.4 机理浅析

外荷载的存在使得冻融环境下混凝土裂缝不断萌生和扩展，加剧了混凝土冻融损伤速度［11］，同样，应力损伤混凝土内部界面的破坏以及内部微裂纹与微孔隙的劣化，亦会对混凝土抗冻融性能造成影响.

图35分别为基准混凝土和不同初始损伤度混凝土试件40mm×160mm 表面在冻融作用后的损伤情况，照片比例尺为1∶2.由图35可以看出：冻融作用后各组混凝土试件表面均出现剥落现象，其中损伤度为00.1的应力损伤混凝土表面剥落情况接近于基准混凝土；损伤度大于0.1的应力损伤混凝土剥落程度虽然不明显，但在经历80次冻融循环后其表面已出现严重裂纹，如图5（c）所示，其抗冻融性能较基准混凝土显著下降.试件表面受损情况照片为试验数据及分析提供了有力佐证.

3 结论

（1）与基准混凝土相比，应力损伤混凝土抗冻融性能劣化.当损伤度小于0.1时，混凝土抗冻融性能略有下降，可忽略应力损伤对其影响；当损伤度超过0.1时，混凝土抗冻融性能显著下降.

（2）通过对混凝土冻融损伤演化过程的分析，建立了包含应力损伤和冻融损伤的混凝土力学损伤演化方程，由方程1／（1－Dσ）2.87可知，初始应力损伤Dσ的存在加速了混凝土冻融损伤Df的发展.

［1］邹超英，赵娟，梁锋，等.冻融作用后混凝土力学性能的衰减规律［J］.建筑结构学报，2008，29（1）：117－123.ZOU Chao－ying，ZHAO Juan，LIANG Feng，et al.Degradation of mechanical properties of concrete caused by freeze－thaw action［J］.Journal of Building Structures，2008，29（1）：117－123.（in Chinese）

［2］SHANG H S，SONG Y P.Experimental study of strength and deformation of plain concrete under biaxial compression after freezing and thawing cycles［J］.Cement and Concrete Research，2006，36（10）：1857－1864.

［3］SHANG H S，SONG Y P，QIN L K.Experimental study on strength and deformation of plain concrete under triaxial compression after freeze－thaw cycles［J］.Building and Environment，2008，43（7）：1197－1204.

［4］MU Ru，TIAN Wen－ling，ZHOU Ming－jie.Moisture migration in concrete exposed to freeze－thaw cycles［J］.Journal of the Chinese Ceramic Society，2010，38（9）：1713－1717.

［5］关宇刚，孙伟，缪昌文.基于可靠度与损伤理论的混凝土寿命预测模型Ⅱ：模型验证与应用［J］.硅酸盐学报，2001，29（6）：535－540.GUAN Yu－gang，SUN Wei，MIAO Chang－wen.One servicelife prediction model for the concrete based on the reliability and damage theories Ⅱ：Verification and application of the model［J］.Journal of the Chinese Ceramic Society，2001，29（6）：535－540.（in Chinese）

［6］余红发，慕儒，孙伟，等.弯曲荷载、化学腐蚀和碳化作用及其复合对混凝土抗冻性的影响［J］.硅酸盐学报，2005，33（4）：492－499.YU Hong－fa，MU Ru，SUN Wei，et al.Effects of flexural loads，chemical attack，carbonation and their combination on freezing－thawing durability of concretes［J］.Journal of the Chinese Ceramic Society，2005，33（4）：492－499.（in Chinese）

［7］慕儒，严安，严捍东，等.冻融和应力复合作用下HPC 的损伤与损伤抑制［J］.建筑材料学报，1999，2（4）：359－364.MU Ru，YAN An，YAN Han－dong，et al.Damage and its restraint of high performance concrete due to the combined action of freezing thawing cycles and loading［J］.Journal of Building Materials，1999，2（4）：359－364.（in Chinese）

［8］SUN W，ZHANG Y M，YAN H D，et al.Damage and damage resistance with different strength grade under double damage factors［J］.Cement and Concrete Composites，1999，21（5－6）：439－442.

［9］SUN Wei，MU Ru，LUO Xin，et al.Effect of chloride salt，freeze－thaw cycling，and externally applied load on the performance of the concrete［J］.Cement and Concrete Research，2002，32（12）：1859－1864.

［10］刘建忠，孙伟，缪昌文，等.弯曲荷载与盐溶液复合作用下混凝土冻融损伤［J］.东南大学学报：自然科学版，2006，36（S2）：243－247.LIU Jian－zhong，SUN Wei，MIAO Chang－wen，et al.Freezethaw damage of concrete under flexural load and salt solution［J］.Journal of Southeast University：Natural Science，2006，36（S2）：243－247.（in Chinese）

［11］MU Ru，MIAO Chang－wen，LUO Xin，et al.Interaction between loading，freeze－thaw cycles，and chloride salt attack of concrete with and without steel fiber reinforcement［J］.Cement and Concrete Research，2002，32（7）：1061－1066.