凍融混凝土研究現狀及展望

聶紅賓　譚平

基金項目：陜西鐵路工程職業技術學院教改課題（2018JG-28）陜西鐵路工程職業技術學院科研課題（2014-44）。

混凝土凍融損傷研究始于上世紀三十年代，各國學者從各方面做了大量的工作，發展較為完整的基本理論。

Powers 于 1945 年[1]提出靜水壓力假說——混凝土的凍害是由混凝土中的水結冰時膨脹產生的靜水壓力引起的，結構示意如圖1所示。水結冰時體積膨脹達9%，由達西定律可知：產生的靜水壓力作用于水泥石上，造成凍害。此壓力的大小除了取決于毛細孔的含水率外，還取決于凍結速度，水遷移路徑長度以及水泥石滲透性等，表達式公式（1）。這種方法較好的解釋了非引漿氣體凍融損傷。

式中：Pmax為靜水壓力，s為混凝土空隙含水率，K為混凝土滲透有關的系數，η為水的粘結系數，u為每降低1℃，水結冰的速率，R為降溫速率。

1970年，Mayercsik[2]提出了失水縮裂理論。對混凝土進行凍融試驗，在電子顯微鏡下查看不同溫度混凝土的開裂情況。結果表明：混凝土在受到凍融后，水分大量蒸發，混凝土失水率與混凝土開裂程度成成正比，同時將Powers理論中靜水壓力換成干縮壓力，計算結果一致。

1975 年，Bager [3，4]又發展了滲透壓力理論，發現非引氣漿體當溫度保持不變時出現的連續膨脹，引氣漿體在凍結過程中的收縮等，對于抗凍性應考慮水泥漿體和骨料兩個方面因素。滲透壓力理論認為，水泥石體系由硬化水泥凝膠體和大的縫隙、稍小的毛細孔和更小的凝膠孔組成。

2003年，過鎮海，時旭東[5]提出了骨料膨脹松動理論，經過試驗發現：混凝土在經歷凍融、高溫、鹽類侵蝕等因素發生破壞之前，體積都會有一定的膨脹，致使結構內部發生位移而破壞。

2007年，學者段安[6]認為材料三相性理論，他認為碳纖維混凝土是一種含粗、細骨料、水泥、纖維等固體顆粒物質，游離水和結晶水等液體，以及氣孔和縫隙中的氣體等所組成的非勻質、非同向的三相混合材料。這種混合材料在受到外界因素破壞后，三相材料平衡性破壞而發生破壞。

2013年，聶紅賓[7-9]等人通過對混凝土進行快速凍融試驗發現，水通過混凝土本身存在的空隙進行或直接滲入混凝土結構中，結構中的空隙有限，水的密度比冰小，結冰后體積膨脹，混凝土結構抗拉能力弱，進而產生裂紋。

2019年，學者Nathan P. Mayercsik[10]提出了分子共價理論，認為碳纖維與粗骨料凝結時也會膠結在一起，形成大小不一的分子球，各個分子通過類似共價鍵的形式連接起來，形成碳纖維混凝土內部多孔結構。鍵與鍵之間會形成孔隙通道，孔隙通道有部分水和空氣組成，孔隙之間水很容易通過，鍵與鍵之間的力主要由碳纖維絲拉力、水泥膠結力、分子水吸力等組成，空隙水結冰后形成壓力或者干縮后形成拉力，對鍵之間形成破壞力，當破壞力大于鍵力結構發生破壞，產生裂縫，結構示意2所示。

綜上所述，混凝土凍融損傷理論主要包括靜水壓力、失水縮裂、滲透壓力及骨料膨脹松動理論。纖維阻裂理論主要包括三相性理論、分子共價理論及膨脹假說。碳纖維混凝土在受到低溫凍融時破壞理論基本一致，雖然各個學者因研究需要，假設模型有一定的差異，但混凝土受到凍融因素破壞，內部形成拉力造成破壞受到普遍學者認可，同時本文基于學者Nathan P 分子共價理論構件碳纖維廢絲混凝土阻裂理論，找到合理纖維摻量。

參考文獻

[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