山东科技大学资源学院 山东泰安 271000
摘要：混凝土力学性能的研究是当前一个非常重要的课题。冻融环境对混凝土造成了极大的破坏，我国大部分地区都将受到冻融破坏，尤其是东北寒冷地区，冻融问题基本存在，也是实际工程中需要重视的问题冻融会破坏混凝土的力学性能，而力学性能是混凝土长期使用的基础。因此，研究冻融破坏在实际中具有意义，主要体现混凝土的抗冻性的优势。本文研究了不同冻融周期对混凝土力学性的影响，提出了提高混凝土抗冻性能的对策，并对今后的研究方向进行了展望。
关键词：耐久性；冻融循环；混凝土结构；抗冻性能
0引言
随着科学技术和社会经济的进一步发展，我国越来越并长期处于大规模基础建设的阶段，例如高层建筑、高速公路、桥梁隧道、大型水利发电站的混凝土大坝等建筑物或构筑物亟待进一步发展，同时，国家和人民对这些工程的要求越来越高，要求它们更加高端、雄伟，国家也迫切需要这些工程能更好地展现我国的实力和形象，因此，这就意味着对混凝土材料的结构耐久性有了较高的要求。鉴于我国国土面积大，各地区气候环境不均衡，同时南北跨度较大，南部地区温暖湿润，北部地区寒冷且每年都会经受冰雪的摧残，尤其是在我国的东北地区，由于处于高寒地区，常常遭受冻融破坏，造成混凝土使用寿命降低，这不仅会造成资源经济浪费甚至会引起安全事故。因此，迫切需要考虑在实际工程中的情况，解决在北部寒冷地区混凝土的抗冻问题，提高其本身的抗冻融承载力是有重要意义和实际价值的[1]。王磊[2]等进行了冻融破坏试验，得到了不同冻融破坏度下混凝土的破坏特性和应力应变值，提出了不同冻融循环下单轴压缩混凝土的应力-应变关系计算模型。段安[3]等人研究了冻融循环下承压混凝土的力学性能，发现随着冻融循环次数的增加，承压混凝土抗压力强度、弹性模量的强度逐步下降。Mulheron [4]的研究表明，冻融后再生骨料的混凝土力学特性优于一般天然骨料的混凝土。在寒冷环境下，混凝土结构往往与温度循环有关，降低了系统的预期耐久性。因此，依据中华人民共和国的国家规范《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准》（GB / T50082-2009）[5]的规定，本文作者设计研究了冻融循环试验，观察冻融环境下混凝土力学特性如何变化，并归纳整理了冻融环境下混凝土结构自身抵御寒冷的抗冻性，并总结和展望了其未来研究的方向，以期与科研工作人员和工程技术人员一起探讨。
1试验概况
本研究对冻害混凝土进行了试验研究。研究了不同冻融循环次数对试件力学性能的影响。根据中华人民共和国国家标准，确定其抗压强度、劈裂抗拉强度等力学性能的劣化程度，以释放其抗冻机理。
1.1试件
本试验研究中，试件的选取如下：普通硅酸盐水泥用于生产混凝土试件；选择碎石作为粗集料；细骨料采用普通沙子；水是普通自来水，里面还需要加入0.2%的高效减水剂。混凝土试块是根据中华人民共和国国家规范《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T50081-2019）[6]进行设计。本试验中所选择的浇筑混凝土试块尺寸为100mm×100mm×100mm的立方体试块。
1.2试验方法
本试验研究中，试验方法和步骤大体如下：首先，浇注好的混凝土试件自然养护28天，每天早晚喷水（保持一定湿度）；然后将保存好的试件放入冻融试验机中，模拟严寒地区房屋、桥梁等建筑物（构筑物）冬季混凝土的退化规律。将试块分别进行30次、50次和100次快速冻融试验。历经不同冻融循环次数后的试块的质量则使用电子秤称量，抗压强度和弹性模量等采用的是万能试验机。
2试验结果及分析
2.1冻融后试件变化
对混凝土试件做冻融循环，次数不同，表面和内部会不可避免的出现不同类型和程度的损伤。具体操作过程是先将混凝土试块放入冻融箱内循环30次，它只出现在边缘的急性角是相对较小的孔隙，混凝土表面基本情况良好，没有明显的损伤，混凝土碎片脱落。循环了50次后，再拿出混凝土块，发现其边缘角都损伤较大，裂缝明显，会发现试验块中心表面开始出现明显的微孔，冻融损伤严重。随着冻融试验，循环次数的不断的增加，混凝土各个角都碎屑脱落严重，部分试验块出现缺角现象。此外，试验段转角混凝土表面脱落严重。碎石开始外露，试验段中部混凝土表面开始变脆松动，孔洞数量增加。混凝土在截面最弱处形成明显的劈裂拉裂。随着冻融循环次数的增加，可以看到混凝土破坏表面变得不规则，更多的砂浆和石块从破坏表面松弛和脱落。结果表明，水泥砂浆与粗骨料之间的抗拉能力受冻融循环的影响。
2.2冻融后部分力学性能分析
2.2.1动弹性模量
动弹性模量的作为一种无损检测方法，常用于测定混凝土抗冻性的动态弹性模量。在不同冻融循环后的变化，称为相对动弹性模量，可以用来评价混凝土的抗冻耐久性。随着冻融循环次数的增加，使试件和内压逐渐增大，混凝土动弹性模量的相对变化减小，可以表征块体在冻融循环中的损伤程度，当初始时相对动弹性模量迅速下降，这是由于混凝土试件在冻融循环过程中存在内部缺陷，导致混凝土破坏。
当混凝土试件内部裂纹扩展到一定程度后，会有一个相对稳定的时期，动弹性模量变化不大，当继续增加冻融循环次数，原来没有发生的缺陷也会造成混凝土新的损伤。
所以当冻融循环在一定范围内，相对较小的动态弹性模量下降；但继续增加，冻融循环的数量不仅使混凝土内部损伤继续扩大，也导致了新的损伤和冻融周期的增加，也增加了相对动弹性模量下降速度[7]。
2.2.1抗压强度
冻害导致抗压强度降低18.0%、29.2%，对于普通混凝土来说，由于冻融循环可能会形成广泛的裂缝。这些裂缝垂直于拉伸试验方向，导致劈裂抗拉强度比抗压强度恶化速度更快。
随着冻融时间的延长，混凝土的抗压强度逐渐降低，这主要是由于冻结后混凝土孔隙中水的膨胀。当冻胀压力大于混凝土的抗拉强度时，混凝土内部将出现裂缝。在新的裂缝中，外部的水会进入，进一步冻结后，会产生新的冻胀压力，不仅使混凝土内部的裂缝进一步发展，还会产生新的裂缝。当混凝土受到较大的外部压力时，这些裂缝会迅速发展并相互连接，对混凝土造成破坏。因此，混凝土的抗压强度在冻融循环次数增加的过程中慢慢下降。
2.2.1质量损失率
从试验资料可以看出，随着融化周期的加长，混凝土试件质量损失率先减少后增加的趋势。当冻融循环的次数较少时，质量损失逐渐减小。冻融循环的增加，质量的损失将达到最低水平。此后，随着冻融的次数增加，混凝土样品的质量损失将逐步增加。这是由于混凝土中存在气孔，从而产生吸水作用。在冻融循环开始时，混凝土试件表面仅有少量沙浆脱落，而混凝土试件的质量比砂浆的质量要大得多。
3结论及展望
本文通过对不同循环次数的混凝土进行力学性能试验，研究混凝土在冻融循环作用下的抗压强度和弹性模量等参数，得出的主要结论如下：
（1）不断的增加冻融循环，混凝土试件的变化是开始从混凝土的尖角处向表面发生损伤，再向中心剥落；在这个过程中，试件表面大部分发生塌陷、局部缺角、混凝土砂浆脱落、碎石外露。
（2）早期冻融周期饱和含水量的块随冻融循环的增加，在50次左右，饱和含水量的块开始随着冻融周期的增加而增加。
（3）建立了混凝土砌块应力-应变关系模型，在冻融破坏时混凝土的冻融伤害因素曲线的拟合阶段为0，对应的混凝土造成了冻融损害。表明，应力应变关系模型可以更好地反映冻融时应力应变关系曲线的变化和规则，从而使混凝土应力应变曲线在冻融时发生变化。
（4）一些注意事项：为了保证试验的顺利开展，在试验过程中，要注意一些细节性问题的处理，比如试件的选取要尽量做到精益求精，尺寸要精确量取，一些配料的选取要精细。同时，为了能确保试验结论的正确无误，要多次进行试验，总结试验中容易引起问题的一些注意事项。如试件生产时所选择的材料要明确其组成，不要选择过期的，自来水最好进行PH值的测定、混凝土试件的保养要做到前后一致，每次的操作方法和方式要均衡等。再者，最好与相关专业的其他可以人员一起进行试验，比如测绘工程技术、地质工程技术等方面的人员，以期能得到更全面和更充实的试验结果。
迄今为止，国内外对混凝土的抗冻性做了很多的研究，在力学性能方面也取得了一定的理论和实验成果。我们在借鉴这些理论时候，也要根据试验研究的基础上，研究分析了冻融循环混凝土某些力学参数对混凝土耐久性预测的影响。此外，为满足经济快速发展的市场需求，我们还需要继续研究。到目前为止，关于混凝土损伤模型还存在一些问题：许多模型的推导都是基于理论假设，与工程实际不完全一致，不能完全符合实际，实际工程中还要考虑更多因素，腐蚀、风荷载等的影响；此外，鉴于预应力研究成果大多应用于大型结构，大部分应用于实际工程中。
参考文献：
[1] 程红强，张雷顺，李平先.冻融对混凝土强度的影响[J].河南科学，2003，21（2）：214-216.
[2] 王磊，张湘黔.冻融损伤混凝土的应力应变关系[J].长沙理工大学学报（自然科学版），2016，（2）：48-53.
[3] 段安，钱稼茹.冻融环境下约束混凝土应力-应变全曲线试验研究[J].岩石力学与工程学报，2010，29：3015-3022．
[4]M.Mulheron，M.O'mahony，The durability of recycle daggregates and recycle daggregate concrete[J].Proceedings of the Second International Symposium（RILEM）on Demolition.
[5] GB/T50082-2009，普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2009.
[6] GB/T50081-2019，混凝土物理力学性能试验方法标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2019.
[7] 张鸿雁.混凝土抗冻耐久性研究.内蒙古科技大学[ D].2009.
作者简介：
乔天蛟（2000.9-），男，汉族，山西运城人，学生，目前在山东科技大学资源学院土木工程专业学习，2018级本科生，主要从事土木工程方面的学习和研究工作。