冻融环境对混凝土的破坏

混凝土的冻融破坏是指在负温和正温的交替循环作用下，混凝从表层开始发生剥落、结构疏松、强度降低,直到破坏的一种现象。冻融循环直接作用于混凝土,但由于混凝土和钢筋之间黏结的破坏和混凝土保护层的剥落,钢筋也因此间接受到影响。国外寒冷地区如北欧、北美、苏联早在 20 世纪 40 年代就已重视抗冻性,采取了引气技术，但混凝路桥的破坏仍然很严重,主要原因是除冰盐和冻融的作用。在中国,北方地区造成混凝士结构过早破坏的主要原因也是冻融和盐冻。
第一类是内部损伤,是由于混凝土内部水结冰产生约 9%的体积膨胀造成的，混凝土产生开裂甚至剥落,通常发生在混凝土内部的水含量超过某个临界值的情况。损伤主要表现为混凝土抗压与抗拉强度、与钢筋的黏结强度以及弹性模量的降低，从而导致构件抗压、抗拉、抗弯、抗剪、抗扭能力全面下降。尤其是弹性模量的损失,可引起预应力混凝土结构承载能力的显著降低。混凝土受冻时,粗孔中的水先结冰,在水结冰膨胀的推动下孔中未结冰的水向周围迁移,形成静水压力。当静水压力超过混凝土强度能承受的程度时,就会损害混凝土。混凝土的饱水度越高,结冰速率越快,混凝土的静水压力和破坏力就越大。冻融反复循环使混凝土承受疲劳作用,不断加重破坏。所以混凝土抗冻的性能
还和冻融循环的次数有关。
第二类是表层损伤,是由于混凝土表层持续受盐溶液浸渍和冻融共同作用,在混凝土局部薄弱处发生剥落。随着剥落由表及里不断深人,可造成混凝土保护层局部大块剥落.从而严重破坏钢筋与混凝土之间的黏结,降低构件的承载能力。同时混凝土截面积的减少,也使混凝土构件的抗压与抗剪能力降低。盐类化合物和冻融共同作用比单纯冻融严酷得多,混凝土的破坏程度和速率比普通冻融的大好几倍甚至 10 倍,一般把盐冻破坏看做冻融破坏的最严酷的形式。当混凝土浸水时,主要靠毛细管孔张力吸水;当混凝土中含有盐溶液时,除了毛细孔张力,还存在盐浓度差产生的渗透压,因此在毛细张力和渗透压共同作用下,吸水率和吸水速率都大大增加,混凝土内部的饱水度也明显提高。此外,孔中盐溶液在干湿和冷热循环作用下,盐会过饱和而结晶,产生盐结晶压,除了静水压，还存在盐溶液的渗透压和结晶压,因此盐冻产生的破坏显著加剧。
从19世纪40~70年代,混凝土冻融破坏机理相继提出,如 Powers 提出的静水压假说],以及之后与 Helmuth 在试验基础上提出的渗透压假说]等。这两个假说合在一起,较为成功地解释了混凝土受冻融循环破坏的机理,奠定了混凝土抗冻性研究的理论基础,在很大程度上指导了混凝土材料的研究,对提高混凝土抗冻性起到了重要作用。
对于冻融环境的分类,规范中从寒冷程度、混凝土饱水程度、是否盐冻三个方面予以划分。影响冻融循环的环境效应因素如下。
1) 冻结温度
混凝土毛细孔中的溶液一般在-1.5~-1C开始结冰,到-12C左右时全部结冰毛细孔中溶液冻结的程度不同,冻融损伤也不同。冻融循环的温度低则混凝土结冰的毛细孔多,结冰的溶液多,一次冻融循环所造成的损伤相对严重;反之,一次冻融循环造成的冻融损伤相对较轻,而且静水压力和结冰速率以及降温速率成正比,结冰速率随温度降低而降低。蔡昊[17]通过试验研究认为,普通混凝土孔溶液结冰速率在-10C以上较高，在
-10C以下较低。
中国水利水电科学研究院关于冻融最低温度对普通混凝土抗冻性影响的试验研究发现,最低温度为-5°C时,水灰比为 0.65 的混凝能承受 133 次冻融循环,最低温度为-10°C时,仅能承受12次,而最低温度为-17C时,能承受7次。这表明,混凝土的抗冻融能力随着最低冻结温度的降低而降低,但在-10C以下降低有限4]。(标准冻融循环试验(快冻)的最低温度为-17°C,而自然界的冻融循环一般达不到这个最低温度。中国大部分地区冬季日最高气温和最低气温之差为 10C,当日最低气温低于-10C时，只能形成冻结,而不能形成融化,不能算为冻融循环。
2)降温速率

降温速率对混凝土的抗冻性也有一定影响:降温速率快混凝土的冻融损伤相对严重;降温速率慢,混凝土的冻融损伤相对较轻。自然界的降温速率相对较慢,一般不大于3C/h;标准冻融循环试验的降温速率较快,一般大于6C/h。因此标准冻融一次循环试验的混凝土损伤要比自然界一次冻融造成的损伤略为严重。

3)冻融次数。

各国学者对混凝土受冻破坏机理虽有不同见解,但破坏程度与冻融循环次数有关是3)冻融次数一致的。冻融循环越频繁,混凝土破坏程度越严重。国内外学者基本上认为混凝土受冻一次是以混凝土内水分开始结冰并融解来衡量,但所提出的结冰温度竟有-15~0C之差。林宝玉[8]对饱水混凝土的结冰温度进行了试验，结果发现冰点与材料和环境的很多因素有关,在很大范围内变动,累计频率在 100%的饱含海水的混凝土冻点在-2C以下,而累计频率在 100%的饱含淡水的混凝土冻点在 0C以下。因此从区划的角度，将海水冻点统一定为-2C,淡水冻点统一定为 0C是合适的。

4) 环境相对湿度与降水量

按照 Fagulund的理论,混凝土冻融损伤的危险性取决于混凝土的饱水度和混凝土的临界饱水度[19。后者是材料性能,而前者则与环境湿度与降水相关。混凝土表面接触水分时,水可通过渗透和吸附使内部孔隙水增加。因此相对湿度大或者降水丰沛的环境中，混凝土内的饱水度也相应较高,抗冻能力则相对较低。