近年来我国混凝土冻融破坏研究进展

黄蔚，万怡江，庞太富，张正

（东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110004）

混凝土的冻融破坏在我国主要发生华北及东北地区，易引起混凝土构件的表层剥落，促使混凝土内部裂隙发育，加快混凝土的碳化速度，降低构件的强度和材料特征参数，是影响混凝土耐久性的重要因素。国内外学者进行了大量混凝土冻融试验，对冻融破坏的作用规律进行了研究，提出了基于试验的冻融混凝土材料本构模型。但由于冻融试验的周期长（包括混凝土试件的养护和冻融循环所需时间），耗费材料多，试验结果离散性较大，尽管通过快冻法或慢冻法试验结果能够建立混凝土冻融破坏的本构模型，但是却无法了解其细观破坏机制及破坏过程。采用数值模拟方法不仅可对试验结果进行比对验证，而且方便从理论和微观的角度解释冻融试验的现象和结果。本文针对我国目前混凝土冻融研究，分别从冻融破坏机理、冻融损伤本构模型、冻融数值试验研究方面加以总结和介绍，并提出了混凝土冻融研究在数值试验研究方面需要加以考虑的因素。

1 冻融破坏机理研究进展

国外对于冻融作用的研究起步较早，提出了一系列冻融破坏机理的假说。1944年Collins[1]提出的离析成层假说认为，混凝土的冻融破坏是由于混凝土构件中不同深度的孔隙水在低温下结冰，冰的体积较与液态水增大而使得混凝土内部裂隙发展，从而引起混凝土由表层开始层层剥离。1945年Powers[2]提出的静水压假说提到，发生冻融时，混凝土孔隙中的液态水结冰体积增大，使得尚未结冰的剩余液态水从结冰区向外迁移。液态水在渗透性较好的水泥浆体结构中移动，为克服粘滞阻力，就会产生静水压力，从而形成破坏应力。1953年Powers与Helmuth[3]提出渗透压假说，认为孔隙溶液中含有K+、Ca+、Na+等离子，在较大孔隙中的部分溶液率先冻结，剩余的溶液离子浓度上升，与之相连通的小孔溶液浓度较低，因此水分会在渗透压的作用下向未冻结的大孔流动。1973年Litvan[4]提出蒸汽压力假说，认为混凝土孔隙中的毛细水需经历重分布后才能结冰，在冰冻条件下孔隙中过冷水的蒸气压大于冰的蒸气压，促使水向外部迁移，在混凝土表面结冰。1975年Fagerlund[5]提出了临界水饱和度理论，认为当混凝土的水饱和度小于一个与极限平均气孔间隔系数相对应的临界值时，混凝土便不发生冻融破坏，这个临界值即混凝土临界水饱和度。1992年Mihta[6]提出混凝土冻融破坏的温差应力假说，认为骨料与水泥基体间的热膨胀系数差异较大，发生冻融时二者的应变差值较大，从而产生应力破坏。2001年Setzer[7]从热力学角度提出了微冰晶模型，用“微冰晶泵”效应从理论上描述了冻融循环过程中，混凝土饱水度不断增加的现象。2006年Penttala[8]提出超压理论，认为孔隙中固态冰的化学势小于溶液的化学势，使得水分向结冰区迁移，在孔隙内部新冻结的冰由于缺少自由结晶的空间，就会对内壁产生挤压导致裂缝发展。上述假说从孔隙中水的三相状态转换、混凝土内部结构特征、材料性质差异等角度对混凝土冻融破坏的作用机理做出了合理的假设，为冻融试验的设计和软件模拟提供了理论指导。

2 混凝土冻融损伤本构模型研究

依据各类冻融作用机理的假说，国内外学者从数学及力学推导、试验数据总结、数值模拟实验等多个角度提出了不同的混凝土冻融损伤本构模型。Baznat[9]模拟水在混凝土内部孔隙中的迁移过程，并计算了结冰时混凝土内部的温度分布及应力重分布情况，提出了预测混凝土抗冻耐久性的理论数学模型。蔡昊[10]通过修正Loland混凝土单向受拉损伤演化过程，认为冻融造成的内部损伤是均匀的，不会产生主裂纹和局部损伤，以动弹性模量损失为主要指标建立了疲劳损伤模型预测混凝土的抗冻性。王立久[11]通过引入混凝土冻融角以及混凝土极限冻融循环次数N0的概念，并以抗冻因子作为表征和评价混凝土抗冻性的唯一指标，从数学角度给出了混凝土抗冻性的数学预测模型。关虓[12]等基于Weibull强度理论，利用统计学和微观力学方法，结合单轴压缩试验和数值模拟结果提出了混凝土冻融损伤本构方程。龙广成[13]等研究了C40普通混凝土和自密实混凝土在经受不同冻融循环次数后的应力-应变关系，并由LEMAITRE应变等价性假说提出了混凝土冻融单轴压缩损伤的本构模型。关虓[14]等探讨了损伤阈值对混凝土冻融损伤过程中应力-应变曲线的影响，在传统的两参数Weibull分布函数的基础上引入损伤阈值参数，提出了将塑性变形考虑在内的混凝土冻融损伤本构方程。杜鹏[15]等通过总结学者的试验数据，作图分析残余应变的变化规律，建立了残余应变变化规律演化方程，并认为双段变化模式更符合混凝土冻融内部损伤机理。田威[16]等将冻融循环后的试件进行单轴压缩试验，对冻融过后的试件断面进行CT扫描，发现循环120次后沿骨料缝隙间的砂浆发展的裂缝已较为明显，并从微观和能量耗散的角度探讨了冻融情况下混凝土的力学性能变化和损伤演变规律。唐光普[17]等从强度损伤理论的角度，认为冻融后的破坏面与未经受损伤的破坏面具有相似的特征，最终以“有效应力”概念建立了混凝土冻融破坏面在主应力空间内的发展演化模型。混凝土冻融损伤本构模型的建立较为复杂，依据不同的假说和试验内容也将推导出不同的模型，这些模型的适用条件也较为严苛。

3 混凝土冻融数值实验研究

在进行混凝土冻融循环试验的同时，以有限元分析软件进行与试验条件相同的数值模拟，通过二者的对比找到合理可靠的结论，已经成为研究混凝土冻融损伤破坏的基本理念。周禹辛、周晶[18]利用ABAQUS软件模拟了不同强度混凝土在不同冻融循环次数和不同加载速率下，峰值应力和应力-应变曲线的变化情况，认为混凝土受冻融时的峰值应力随混凝土强度等级的升高而增大，但高强度的混凝土在冻融循环次数增加时，应力-应变曲线的下降趋势更为明显。兰薇[19]等以质量损失率和强度损失率为表征，在试验基础上模拟了C30、C40、C50混凝土在不同冻融循环次数和水灰比的条件下混凝土抗冻性能的差异，得出减小水灰比可明显提高混凝土的抗冻性的结论。郑山锁[20]等基于蔡昊模型推导出最大静水压力的简化解析计算公式，以动弹性模量的损失量D表征钢筋混凝土的冻融损伤效果，并认为水灰比是影响混凝土抗冻性的最主要因素。张益多[21]等模拟预应力混凝土受弯构件在冻融与疲劳交替作用下对疲劳性能的影响，其模拟值与试验值拟合程度较高，反映了弹性模量和强度的衰减规律，以此提出冻融损伤的混凝土疲劳本构模型。马德群[22]研究了冻融循环作用下混凝土内部的变形规律，并以ANSYS软件模拟完全饱水混凝土发生冻融时的温度场与温度应力，发现冻融循环作用下混凝土内部冻胀应变呈现周期性变化，混凝土在冻融作用下边角点处受到最大拉应力且超过抗拉强度设计值从而发生破坏。王宏业[23]将混凝土在冻融循环作用下的损伤视为各向同性损伤，以泊松比和动弹性模量为损伤变量，研究二者与冻融循环次数的关系，推导建立了混凝土冻融损伤的演化方程，并开发ADINA软件子程序，对外荷载作用下混凝土简支梁经受0次、25次、50次、75次冻融循环时的承载力-挠度关系进行模拟，结果与试验拟合度较高，验证了其提出的的冻融损伤破坏准则。李伟民[24]以含气量为主要研究方向，研究了引气剂对混凝土冻融后抗压强度的影响，综合质量、动弹性模量及抗压强度三方面因素，找出混凝土冻融循环的最佳含气量；同时以热应力耦合为指导运用ANSYS有限元分析软件对模型进行热分析、应力分析，以求得的温度场施加到模型上得到了应力云图，并综合实验及模拟结果认为，加入引气剂对混凝土抗冻性能的提升具有显著的效果，引气剂的加入使得混凝土内部形成许多均匀密闭的细小气泡，这些气泡能够抵消一部分孔隙间的压力，从而改善混凝土冻融循环条件下的抗冻性。郜旭[25]利用分离式有限元模型和离散裂缝模型将混凝土分为骨料、砂浆、界面过渡区三部分，从混凝土的细观损伤着手，研究由于冻融循环引起的冻胀变形、微裂缝等因素，对混凝土各部分宏观力学性能造成的影响，再将已经受冻融循环的各部分组合到一起，进行整体冻融后宏观力学性能的测定。由模拟结果得出裂缝的扩展将导致混凝土的非线性表现明显增大的结论。大量试验表明只要采取与实物试验相匹配的建模和加载方式，数值模拟结果与实际试验结果的拟合性较高，模拟结果的准确性可以保证。

4 结论

用数值模拟与试验相结合的方式研究混凝土的冻融损伤和本构关系的优势显而易见，以试验为基础，通过数值模拟印证试验结果，确保了试验结论的准确性，也更容易从理论角度和微观视角解释试验现象。但目前进行的混凝土冻融相关试验及模拟大多仅关注冻融的循环次数，考查的参量也基本限于强度、质量或者动弹性模量损失，存在一定的弊病。这可能是由于受各类混凝土抗冻性耐久性试验规范影响，以《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082-2009）[26]为例，其规定混凝土抗冻等级确定的三个条件：一是相对动弹性模量下降到60%（即≤60%）；二是质量损失率不超过5%；三是冻融循环达到规定的次数。规范考虑的是试验的实用性、普适性和可行性，在实际工程应用中使用这些标准去衡量混凝土的抗冻性确实已基本满足要求，但可用于衡量混凝土抗冻性的指标却不止上述三种，研究者应当从冻融破坏现象的实际出发，拓宽研究视野，如从微观角度探讨混凝土内部结构中气泡的大小、分布、平均间距等对抗冻性能的影响；从界面力学的角度来研究改善粗骨料与水泥浆体间的过渡带的力学性质对混凝土抗冻性的提升；或试验试件尺寸大小对冻融作用的影响，探讨冻融作用的影响范围；或模拟大尺寸混凝土结构构件受冻融时强度衰减和应力的重分布情况；也可研究冻融时混凝土的声发射和断裂能特征。

综上所述，在试验过程中加入数值模拟的研究方法，为研究混凝土冻融破坏提供了极大的便利，但想进一步弄清混凝土冻融破坏的机理和相应的改善措施，仍需要从理论假说、模型构建到试验验证提出新的概念和方法。