冻融循环后普通混凝土与再生混凝土性能研究进展

黄有栋（广西大学土木建筑工程学院，广西 南宁 530004）

1 引言

在地产辽阔的中国，因其面积大而在南北方产生较大的气候差异，而混凝土因气候变化而产生的耐久性问题也要被重视起来。据调查显示在中国其实有很多的建筑问题都是因为冻融破坏产生的，例如华中华东地区的水利工程都会因为不同程度的冻融而出现各种问题，遭到严重破坏。并且在很多区域发生了结构尚未达到设计年限就发生冻融破坏的情况，使得许多建筑结构被迫重建，这一现象的出现致使了大量资源的浪费，不仅对环境造成影响，在人力物力的资源问题上也造成影响，这一问题如果不能得到及时解决，将会给我国带来巨大的经济损失。

2 冻融循环机理

目前针对冻融循环的机理的研究较多，但是大多数理论的主要立足于提出静水压力理论，该理论揭示了混凝土的冻融循环产生的压力与静水压力之间的关系，许多学者在此基础上进行深入研究后得出了如下所示的有关混凝土冻融循环的理论。

2.1 静水压理论

1945年，通过各种实验比对Powers提出了静水压理论，该理论向大家证实了在冻融情况下的混凝土，会随着产生的压力与静水达成正比关系。Fagerlun则通过具体的模型描述了该理论。一般认为混凝土中存在着各种孔隙，并且孔隙之间的大小形状差异较大，通过引气剂而产生的气泡同样存在于混凝土之中，并且球状气泡孔径不一加上表面张力的存在导致孔内的水冰点和蒸气压不一，当孔中的水发生冻胀后使得孔中溶液发生迁移进而产生压力。

2.2 渗透压理论

静水压力理论主要解释了混凝土因水而冻结破坏的机理并能描述结冰速度对于混凝土抗冻性能的影响，而混凝土中的水含有碱性离子以及砂浆浆体，并且混凝土并不一定只是发生水和水溶液的冻胀破坏。由于各种混凝土外加剂的掺入，有机物也存在于混凝土中，这些物质在冻胀时并非是浆体的冻胀破坏，基于此，Powers和Helmuth提出了渗透压假说。渗透压理论认为，由于浆体中各种离子的存在，部分大孔隙结冰之后，导致大孔隙局部范围内的周围的离子浓度增加，并且冰和水的蒸气压并不一致，由于离子浓度差和蒸气压的作用，导致溶液发生迁移。

2.3 结晶压理论

结晶压理论主要基于热力学原理并由Scherer提出，孔隙结冰与否取决于孔隙的半径，并认为晶体处于平衡状态时，由于曲率差的存在而导致的压力梯度由孔隙压力提供平衡，这个力被称为结晶压。该理论的精确与否取决于孔隙的形状和大小，孔隙的大小难以掌握，计算结果难以确保准确性。

2.4 温度应力假说

该假说通过各种实验建立了有关冻融破坏的预测模型，所依据的原理是通过不同的材料间的产生的膨胀系数来决定的。进而导致两者的温度变形量变大，协调性能减弱从而产生温度疲劳破坏。根据这一假说可以分析得出，混凝土抗冻性能的提高取决于水灰比的降低和材料的温度膨胀系数，以及是否添加引气剂。从假说中可以得出，混凝土的内外温差这个因素同样不能忽略。

除了上述几种常见的冻融循环理论外，目前各国学者还提出了如低温腐蚀理论、温湿耦合理论[6]等冻融循环理论。Mi⁃chel Pigeon等通过试验并对试验现象进行总结后提出了“慢冻法”推动了混凝土冻融循环性能的研究；在此基础上Backstrom、Malhotra利用上述方法得出相应的定量关系曲线；Chatterji等则通过研究混凝土外部环境中所发生的结冰的过程并分析了外部结冰的情况下对混凝土内部冻融循环的影响。

当前，学者们针对冻融后普通混凝土的基本性能做过许多研究。Whiteside T M[12]的研究发现，冻融破坏的临界饱和度约为 92%。因为再生粗骨料在吸水后是会先于与水泥基体发生冻融破坏，所以再生粗骨料是再生混凝土的一个薄弱环节。

3 冻融循环后普通混凝土性能研究

冀晓东等人在一次次的实验中通过不同程度的损伤量，利用各种方法建立冻融后的多轴本构方程，并提出了相应的数值计算模型；邹超英等对混凝土在冻融循环和压应力共同作用下的力学性能进行了研究，并建立了冻融后混凝土力学性能的衰减规律模型；姜磊利用快冻法和不同浓度硫酸盐溶液浸泡混凝土的方法，研究了硫酸盐溶液与冻融循环复合作用对混凝土性能的影响，在得到的数据中找到规律，将相对冻弹模损失分成三个阶段，且不同种类的硫酸盐对混凝土抗冻性能的影响不一；龙广成等研究了自密实混凝土与普通混凝土在混凝土强度等级为C40时，经冻融循环后相应混凝土的应力应变曲线，发现冻融损伤变量与冻融次数之间呈现指数函数关系。

4 冻融循环后再生混凝土性能研究

崔正龙研究了再生粗细骨料对再生混凝土抗冻性能的影响规律，结果发再生混凝土的耐久性指数较同水灰比情况下的普通混凝土分别降低了6%和10%；陈爱玖研究了再生粗骨料取代率为40%，强度等级为C30时，减水剂对再生混凝土冻融后性能的影响规律，并且通过不同类型的混凝土的实验对比得出引气减水剂可以有效地抑制东通，最后通过本次实验建立了模型供参考。吴耀鹏等人通过高温等条件下将其进行实验，发现原来其取代率越大抗冻能力越差，并且在这些作用下，其抗压强度仅为冻融前的60.7%。

5 结语

我国新建建筑高峰已经过去，老化与淘汰的建筑将会越来越多，为此我国对于建筑垃圾的重复利用仍有待提高。对于那些老化的建筑来说，再生混凝土就会有着很好的使用价值，其特性符合当今的国情，是一种可持续发展的材料，它的未来前景也会是很好的，会有很大的发展机会，所以通过以上的调研可以发现，我国目前已经有较为完善普通混凝土冻融循环破坏机理的研究理论，但对于再生混凝土冻融循环破坏机理的研究仍然较少。工程上钢筋与混凝土间的粘结力是钢筋混凝土结构得以正常工作的重要保障，目前再生混凝土这方面的研究较少，而针对冻融后重复荷载作用下钢筋与再生混凝土间粘结-滑移性能的研究则更少，因此这可以作为未来珊瑚骨料混凝土的研究热点方向，这也会使珊瑚骨料混凝土具有广阔的应用前景。