早期受冻混凝土的服役性能研究概述 *

张翔宇，徐立丹，牛建刚

(内蒙古科技大学 土木工程学院，内蒙古 包头 014010)

混凝土早期受冻是负温混凝土科学研究的重要组成部分，早期冻伤对混凝土结构服役期的可靠性及耐久性造成难以弥补的损害和难以估计的安全隐患，国内外学者对此做了大量研究来探索早期受冻对混凝土服役期的各项性能的影响规律、劣化损伤机理.但由于混凝土早期受冻机理复杂、影响因素较多，目前研究成果有限，早期冻害的损坏机理、损伤规律、影响因素及其对混凝土结构服役性能的影响尚未形成一致认识，且关于混凝土材料早期受冻后的性能劣化、早期冻伤混凝土结构的性能评定均缺乏相应的规范标准，亦缺乏系统的理论基础和技术支持.故早期受冻混凝土的科学研究仍需从宏观和微细观等层次出发，以多项性能指标为研究主题，互相印证，且要紧密结合实际工程.

1 混凝土早期受冻损伤机理

在混凝土早期冻害研究方面，多年来国内外学者取得了一些进展.日本著名混凝土专家洪悦郎教授和我国崔静忠教授[1]根据混凝土受冻条件，将混凝土受冻按硬化过程分为3个阶段：浇筑混凝土的受冻(即硬化前受冻)，混凝土硬化过程中受冻，硬化混凝土的反复冻融作用.又因为混凝土是一种复杂非均匀的多相复合材料，且早期受冻破坏是一极为复杂的物理变化过程，目前已提出的一些混凝土受冻机理假说在一定程度上指导了科学研究和工程实践，也提供了强力的理论基础.

1.1 静水压理论

1945年，POWERS[2]根据引气混凝土或未水饱和混凝土依然常受到受冻破坏的结果，认为混凝土受冻破坏的主要原因并非结冰压应力造成的，进而提出了混凝土受冻破坏经典的静水压理论.

1.2 渗透压理论

静水压理论仍存在一定的局限性，为此，POWERS和HELMUTH[3]提出了渗透压理论：混凝土受冻过程中未冻水是向正在结冰的孔隙运动.

1.3 冰晶生长理论

COLLINS[4]认为混凝土孔溶液中有冰生成时，未冻溶液自由能高于冰晶，且随温度降低两者自由能相差幅度愈大，故未冻溶液中水分向冰晶运动，使得冰晶继续生长，从而使系统整体自由能降低，且一直持续到两者之间的自由能相等为止，故可将冰晶生长理论用于解释混凝土路面的冻融破坏机理.

1.4 冰的分离层理论

混凝土受冻是由表及里、由外至内进行的，当混凝土外表面之下的某层温度降低到水的凝点时，水在较大的孔隙中结冰，又结冰放热，使水与冰相接并引出周围孔隙中的未冻水，从而冰晶继续增长，随温度继续下降，冷锋面透入.当温度降低至使新冷锋面孔隙冻结的程度时，又形成1个新的受冷薄层.最终导致混凝土形成一连串冷薄层，因为冰晶膨胀，混凝土受损逐渐加重.这一说法适用于抗渗性能差且长期低温受冻的混凝土，但不适用于比较密实的混凝土，因为受冻时没有足够的可冻水可供冰晶增长，从而放出足够潜热保持该处恒定温度，也就未能形成一系列平行的分离层冰面[5].

1.5 温度应力理论

温度应力理论主要是针对高性能和高强混凝土冻融破坏而提出的.该理论认为高性能或者高强混凝土的冻融损伤主要是因为胶凝体与集料之间热膨胀系数相差比较大，在温度变化过程中变形相差较大，从而产生温度疲劳应力使混凝土结构破坏[5].

由此可在一定程度上了解到早期受冻对混凝土性能的损伤机理、劣化规律和探究其影响因素，为早期受冻混凝土的性能评估提供理论支撑.

2 早期受冻混凝土材料性能研究

当混凝土在没有任何强度时,在低温环境下受冻，连续的水介质分布在混凝土内部.混凝土将迅速冷却，水分会迅速冻结成冰.在水化反应中，水泥处于休眠状态，不发生水分的迁移，混凝土内会出现小而均匀的冰晶.这时混凝土由于水冻结而发生冻胀变形，并且在正温养护后原来冰所占体积不能自行收缩，也不能完全被水泥的水化反应所补偿.因此，混凝土硬化后结构松散，强度损失可达20%～50%.关于混凝土材料早期冻伤后的性能劣化，国内外学者开展了一定的研究工作.

崔静忠[1]研究了混凝土受冻前预养时间、冻结温度、预养强度、水灰比等因素变化对早期受冻混凝土中可冻水量、含冰量、细孔径分布、冻胀变形与残余变形、强度损失的影响作用，试验表明：早期受冻混凝土随着预养护时间的增长，可冻水含量逐渐减少，但化学结合水却随之增多；新拌混凝土立即受冻时含冰量与冻结温度几乎无关，但当混凝土适当预养后含冰量、强度损失就随预养强度的提高而减少，并随着冻结温度的下降而升高.

巴恒静和胡晓鹏等[6-10]研发了测量早冻混凝土冻胀应力的设备，得出不同配合比早冻混凝土冻胀应力的规律和不同受冻制度对混凝土抗压强度及抗折强度的影响规律.研究表明：早期受冻混凝土后期抗压强度降低多达30%、抗折强度降低15%～25%，另外从冻胀应力的角度可以很好地解释早冻混凝土抗压、抗折强度的变化；引气剂与防冻剂可以很好的减少混凝土冻胀应力，而粉煤灰以及矿渣产生的作用相反.

杨少伟等[11-15]探讨了3种负温及2种自然变负温养护条件下后转标准养护混凝土的抗压强度与动弹性模量的变化规律.研究表明：动弹性模量随时间变化规律可描述在不同负温下混凝土的受损程度，而不同冻结模式下负温混凝土的动弹性模量发展规律具有一定差异.

朱卫中等[16-19]研究了不同含义下负温混凝土中冻胀理论在新拌混凝土受冻过程中的影响作用，并提出了广义抗冻临界强度的概念和负温混凝土抗冻临界强度的数学模型，同时表达新拌混凝土冻结时水分在中心质界面向冷区迁移是造成混凝土早期受冻破坏的重要因素.

杨英姿等[20-22]研究了粉煤灰、硅灰和不同种类防冻剂对水泥净浆、砂浆和混凝土力学性能的作用效果并且通过电镜、能谱、X 射线、显微硬度计等测试手段多方面探究了防冻剂混凝土界面过渡区的微观结构.结果表明：防冻剂和矿物掺合料的复合使用可以改善负温混凝土界面的微观结构；同时笔者亦研究了坍落度、掺与未掺防冻剂混凝土在不同预养时间下的抗压强度、冻融后混凝土强度损失率和渗透性能，并通过混凝土受冻临界强度进行分析表明：经过预养达到受冻临界强度的未掺防冻剂混凝土其抗冻、抗渗性能波动范围仍然较大.

董淑慧和江守恒[23,24]采用汞压法，电子显微镜观测等实验方法，研究了不同冻结温度下早期冻结混凝土的孔径分布，微观结构和抗压强度随龄期而变化的状况.研究了负温度混凝土的微观结构和宏观力学性能间的内在联系.结果表明：预养护温度越低，混凝土初始结构越松散，小于20 nm的凝胶孔隙含量明显减少，混凝土的抗压强度也随之降低.

胡晓鹏等[25,26]经过不同掺合料种类和掺量即不同配合比、不同预养时间的混凝土早期受冻试验，对比探究了早龄期受冻混凝土表面损伤形态，研究了预养护时间、掺合料种类和掺量对早冻混凝土服役期承载性能以及耐久性的影响.研究表明：新拌混凝土预养时间对混凝土力学性能的影响程度均表现为2 h>0.5 h≈8 h>1 d>3 d；随着掺合料掺量的增加，混凝土抗渗性能变差；同时通过对不同起冻时刻早期受冻混凝土服役性能的测试，研究了起冻时刻对混凝土损伤形态、强度劣化、相对动弹性模量、渗透性能及孔隙结构的影响规律及作用机理.

钮长仁等[27]探讨了不同早期冻结模式下负温度泵送混凝土强度和动弹性模量的损伤程度.同时，运用传感器监测混凝土的冻融过程.研究表明：掺防冻剂可有效减小混凝土内部应变，且混凝土转正温养护后其应变急剧变化，后趋于稳定，且受冻温度和防冻剂的掺量与混凝土抗压强度极度相关.

聂治平[28]做了普通混凝土以及粉煤灰、外加剂双掺混凝土早期冻融循环前后以及恢复标养后的渗透性能和抗压强度的变化趋势.结果表明：水灰比越大、冻融温度越低，冻融破坏越严重，恢复标养后的愈合幅度越大，冻结温度对双掺混凝土恢复标养后的抗渗性能影响极大.

郝冠军[29]探究了养护条件对混凝土早期性能、后期耐久性能以及彼此的相关性.研究结果表明：水灰比、冻结温度、硅灰掺量和粉煤灰掺量对混凝土的受冻临界强度有着重要影响且其影响力依次减弱，水灰比较大的早冻混凝土恢复标养后性能恢复程度更大，且混凝土早期抗渗透性和后期耐久性有较大的相关性.

汪青杰和张延年等[30-31]对不同龄期的混凝土试块，分别在混凝土冻融试验机和冬季混凝土室内外自然环境状态下，对不同预养时间的混凝土进行质量损失和抗压强度损失的试验研究，得出了龄期与质量、抗压强度的变化规律，研究表明：龄期越早、冻融时间越长混凝土表面破坏越严重，2种受冻条件下冻融时间与质量损失率的关系曲线大致相近，受冻时间越长，抗压强度越小，质量损失和龄期成反比例关系.

国内外学者对早期受冻混凝土的材料性能进行了深入的研究，早期受冻混凝土的损伤是1个由表及里的过程，随着损伤的加深逐渐形成损伤层，但有关早期受冻损伤层厚度变化规律和力学性能退化规律至今还存在空白，还需要进行深入的研究.

3 早期受冻钢筋混凝土粘结及构件承载性能研究

早龄期受冻混凝土结构中，早冻损伤亦对钢筋与混凝土粘结性能、构件承载性能产生极大的影响，对构筑物的安全性造成极大威胁，故许多学者进行了相关方向的研究工作.

黄海达和辜熠[32]通过钢筋与混凝土的中心拔出试验，研究了不同温度，不同强度，相对锚固长度一定但不同钢筋直径对变形钢筋与混凝土粘结性能的影响规律.

李会杰和谢剑等[33-35]分析了不同温度、钢筋直径、保护层厚度、锚固长度以及钢筋型号等不同参数对钢筋与混凝土粘结锚固破坏特征和粘结性能的影响.研究表明：温度和保护层厚度对低温和超低温粘结强度提高系数起决定性作用，并且提出了低温和超低温极限粘结强度的计算公式.

徐颖哲[36]对不同强度等级、冻融循环次数下反复荷载对钢筋与混凝土粘结性能的影响进行了试验研究，分析了影响规律并建立了反复荷载作用下冻融损伤钢筋与混凝土的粘结-滑移本构模型.

刘丽霞和任慧韬等[37-38]主要研究了新拌混凝土立即受冻对钢筋与混凝土粘结性能、钢筋混凝土梁抗弯性能的影响作用，探讨不同温度、不同养护条件和不同混凝土强度的影响作用.试验表明：养护条件对钢筋混凝土粘结试件的破坏形式有较大影响，钢筋混凝土粘结性能损失随混凝土强度等级降低而变大，早龄期受冻钢筋混凝土梁的承载性能出现退化，且随混凝土强度损失的增加而更加严重.

冀晓东和徐存东等[39-40]研究建立了冻融循环后混凝土的各力学性能指标与冻融循环作用次数的关系式；对不同外形、直径、粘结长度的钢筋进行与混凝土在冻融破坏后的中心拔出试验.试验表明：含有光圆钢筋的中心拔出试件的钢筋与混凝土极限粘结强度较含有加肋钢筋的试件大幅度降低，且钢筋与混凝土的极限粘结强度与钢筋直径、钢筋粘结长度成反比例关系，建立了混凝土冻融损伤本构模型、全面分析了冻融后钢筋与混凝土粘结性能退化机理、以及进行了冻融破坏后混凝土的可靠度分析及剩余寿命预测.

王珏[41]研究了施工期受冻时，不同受冻温度、不同防冻剂掺量、不同养护条件对混凝土与钢筋粘结性能、梁抗弯性能的影响作用.研究表明：低温条件下，防冻剂掺量不足、养护措施不当会造成钢筋与混凝土之间粘结性能退化，施工期受冻后梁的跨中挠度变化较大.

关虓[42，43]等采用了气冻气融试验方法，试验研究了在冻融循环作用下混凝土梁的力学性能变化规律，探索了钢筋混凝土梁相对动弹性模量、损伤层厚度与冻融循环次数之间的联系，并分析了冻融循环作用下钢筋混凝土梁承载能力的劣化规律以及对变形的影响作用，分别建立了全截面等效和基于分层理论的冻融钢筋混凝土梁承载能力计算模型，且分析表明分层模型与试验结果更加吻合.

王国业等[44]对不同强度等级、受冻时长的钢筋混凝土梁进行早龄期受冻试验.结果表明：早期受冻后梁仍然符合平截面假设，混凝土强度等级越低、受冻天数越长，相应混凝土梁的开裂荷载、屈服荷载和极限荷载下降幅度越大，并且通过拟合得出钢筋混凝土梁在早期受冻影响下抗弯承载力计算模型，可在一定程度上指导设计和施工.

胡晓鹏[45]系统研究了早龄期钢筋混凝土受弯构件和偏压构件承载性能的时变规律，通过拉拔试验对粉煤灰混凝土的粘结性能的时变规律进行分析,并建立相应的本构关系，且均通过有限元方法对相应构件进行分析并与相应试验结果相对照且吻合较好.

国内外已经开展了许多关于早龄期受冻钢筋混凝土构件的试验研究，主要都是研究梁抗弯受力性能和粘结性能，并推导出了各影响因素下的承载力计算公式和粘结-滑移本构模型.但试验环境基本出自实验室恒温负温环境，与真实环境的多次冻融有一定区别，研究真实环境下的早期受冻混凝土更有现实意义，在施工温度、外加剂掺量、养护条件等多因素影响下的早期混凝土构件和粘结性能的研究能为冬季防冻害提供更为现实的意义.

4 结论与展望

通过总结国内外学者相关研究工作，可以了解到对早龄期受冻混凝土损伤机理、性能评定、影响因素的分析取得一定的成果：

(1)提出水分迁移使混凝土内部产生应力是混凝土早龄期破坏的主要原因，其他受冻损伤机理假说虽可在一定程度上解释相关现象但不够全面；

(2)对早期受冻混凝土材料性能影响因素如预养护时间、预养强度、冻结温度、水灰比、矿物掺合料、引气剂、防冻剂等的影响作用做了深入探讨，采用了汞压、硬化混凝土孔结构分析仪、电镜、能谱、X射线、显微硬度仪等试验手段测试早冻混凝土的微观结构，并动态监测混凝土的冻融过程，同时结合混凝土的宏观特征如抗压抗折强度、冻胀应力、动弹性模量、受冻临界强度等来相互印证并分析各影响因素的作用效果，并建立了一定的计算模型；

(3)关于早期受冻钢筋与混凝土粘结性能通过对不同温度、混凝土强度、钢筋规格型号、锚固长度、保护层厚度、冻融循环次数、防冻剂、掺合料条件下的试验研究，分析各影响因素的作用规律和影响机理，建立各水平下的计算公式和本构模型；

(4)对早期受冻钢筋混凝土构件承载性能的试验研究集中在不同养护条件、混凝土强度、防冻剂掺量下构件承载性能的劣化规律，并基于各理论研究方法建立了承载能力计算模型，对工程设计与施工起到了一定的指导意义.

通过对相关早龄期受冻混凝土试验研究进行的概述，认为存在下列问题需要进行进一步研究：

(1)早期受冻混凝土材料的损伤机理任需进一步深化探讨，继续开展相应的动态监测，同时基于电子显微镜、光学扫描聚焦显微镜、核磁共振等技术对早龄期混凝土随受冻过程分析混凝土材料内部孔隙结构、骨料与凝胶体界面分形特征、不饱和含水孔隙分布、微裂缝产生及发展等微细观指标变化特点，再进一步结合宏观层次上复杂的变形力学研究来阐述混凝土材料早龄期的受冻破坏机理.

(2)由于混凝土材料本身的离散性且试验条件与操作方法难以标准统一，因而产生的误差与随机性较大，从而造成难以预测和评估早期受冻混凝土材料和钢筋混凝土构件的各项性能，可着眼于混凝土材料的细观力学模型进行仿真技术分析，或者数值模拟深入研究钢筋混凝土材料在复杂环境条件下、荷载条件下的变形、损伤甚至破坏具有重要意义.

(3)混凝土早期受冻损伤是一个系统性的研究工作，关键在于对不同条件下混凝土受冻对于早期的定义，详细划分新拌混凝土即刻受冻、初凝前受冻、初凝后终凝前受冻、终凝后受冻或者是抗冻临界强度前后受冻，再详细探讨随受冻进行中各性能指标的过程变化规律对指导实际工程具有重要的参考作用.