雷　斌，鄒　俊，扶名福，熊進(jìn)剛

(南昌大學(xué)建筑工程學(xué)院，南昌　330031)

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混凝土抗凍性能多尺度研究進(jìn)展

雷斌，鄒俊，扶名福，熊進(jìn)剛

(南昌大學(xué)建筑工程學(xué)院，南昌330031)

本文通過(guò)查閱當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)混凝土抗凍性能的研究，在混凝土抗凍性能的宏觀、細(xì)觀和微觀方面進(jìn)行了多尺度的總結(jié)，同時(shí)指出存在的問(wèn)題并提出了今后研究方向。在宏觀方面，發(fā)現(xiàn)輕骨料的含水率對(duì)其混凝土抗凍性有顯著影響，普通再生骨料隨取代率的增加將降低混凝土的抗凍性能，陶瓷廢渣骨料對(duì)混凝土抗凍性能有一定的提高，水膠比越大，混凝土抗凍性能越差，礦物摻合料和外加劑可以提升混凝土的抗凍性能。腐蝕環(huán)境和應(yīng)力狀態(tài)下將降低混凝土的抗凍性能。在細(xì)觀方面，孔隙率、孔徑分布與混凝土抗凍性能直接相關(guān)，混凝土細(xì)觀微裂紋的損傷演化的數(shù)值模擬是目前研究混凝土抗凍性能的重要手段。在微觀方面，混凝土中有害毛細(xì)孔和微裂紋的發(fā)展是混凝土抗凍性能降低的主要影響因素，混凝土界面過(guò)渡區(qū)是混凝土抗凍薄弱區(qū)域，易發(fā)生破壞。

混凝土； 多尺度； 抗凍性能

1　引　言

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于混凝土抗凍性能的研究已經(jīng)取得了大量的成果[1]。尺度上大體可以分為宏觀研究(試件尺寸>10-2m)、細(xì)觀研究(試件尺寸在10-3～10-2m)和微觀研究(試件尺寸在10-6～10-3m)。許多的學(xué)者針對(duì)混凝土在凍融循環(huán)條件下進(jìn)行了大量的宏觀試驗(yàn)，他們通過(guò)改變混凝土的一些組分和水灰比，或者在在混凝土中摻入摻合料和外加劑并作對(duì)照試驗(yàn)，以此來(lái)找出有助于提高混凝土抗凍性能的配比方案；一些學(xué)者則使用加載裝置模擬實(shí)際受力狀態(tài)，使得混凝土抗凍性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)更加具有工程實(shí)用性。另外有學(xué)者對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)物進(jìn)行了細(xì)觀和微觀的觀察分析，試圖找出混凝土在凍融循環(huán)條件下的破壞機(jī)理。從細(xì)觀層次上看，一方面，孔隙率、孔徑分布等細(xì)觀孔結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響著混凝土抗凍性能；另一方面，大多數(shù)學(xué)者從混凝土細(xì)觀微裂紋的損傷演化方面進(jìn)行了研究，基于相應(yīng)的概率分布理論和數(shù)字圖像處理技術(shù)，建立了混凝土的抗凍性能相應(yīng)的數(shù)值模型。從微觀層次上看，在凍融循環(huán)條件下，混凝土中有害毛細(xì)孔和微裂紋的發(fā)展是混凝土抗凍性能降低的主要影響因素，而混凝土界面過(guò)渡區(qū)則比基體混凝土更加脆弱，易發(fā)生破壞。宏觀和細(xì)觀上的試驗(yàn)研究可以直觀的得出混凝土材料的力學(xué)性能變化，而運(yùn)用SEM等微觀掃描電鏡對(duì)混凝土材料微觀層次的產(chǎn)物變化、結(jié)構(gòu)致密性狀變化可以有效的驗(yàn)證宏、細(xì)觀試驗(yàn)的研究成果。本文在此基礎(chǔ)上分析研究了當(dāng)前的一些成果，對(duì)將來(lái)的混凝土抗凍性能研究提出了一些建議。

2　混凝土抗凍性能宏觀方面研究現(xiàn)狀

混凝土的耐久性能主要由其所組成的材料組成(內(nèi)因)以及混凝土所處的環(huán)境(外因)共同決定，因而可以從影響因素即內(nèi)因和外因兩個(gè)方面進(jìn)行闡述混凝土的抗凍性能。

2.1內(nèi)因

2.1.1骨料

混凝土中骨料的級(jí)配和分布情況將影響混凝土中的孔隙結(jié)構(gòu)，而孔隙結(jié)構(gòu)將影響混凝土的抗凍性能，因此，國(guó)內(nèi)外已有學(xué)者對(duì)骨料與混凝土抗凍性能之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。宋玉普等[2]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)未經(jīng)凍融循環(huán)的引氣混凝土骨料與水泥砂漿邊界處結(jié)合較好，水泥砂漿內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)明顯裂縫。經(jīng)過(guò)200次凍融循環(huán)后引氣混凝土骨料與水泥砂漿邊界處開(kāi)始出現(xiàn)裂縫，但沒(méi)有貫通；經(jīng)過(guò)400次凍融循環(huán)后引氣混凝土骨料與水泥砂漿邊界處的裂縫發(fā)展變寬，某些部位已經(jīng)出現(xiàn)分離，水泥砂漿逐漸疏松。毛繼澤等[3]研究發(fā)現(xiàn)輕骨料含水率控制著輕骨料混凝土的抗凍性能，且隨著輕骨料含水率的增加,混凝土耐久性系數(shù)降低,混凝土表面的剝蝕損失率增加。Mao等[4]的研究發(fā)現(xiàn)高密度輕骨料混凝土表現(xiàn)出優(yōu)異的抗凍融性，低密度的輕骨料混凝土在低凍融速率下表現(xiàn)出較好的抗凍融能力，輕骨料和凍融速率對(duì)混凝土的抗凍融能力有一定的影響。陳德玉等[5]的研究表明凍融循環(huán)達(dá)到300次后,隨著再生骨料取代率的增加,再生混凝土的抗凍性能比天然骨料混凝土下降更多；改性骨料能在一定程度上改善混凝土的抗凍性能。孫家瑛等[6]研究發(fā)現(xiàn)在相同配合比下，再生細(xì)骨料混凝土的抗凍性能明顯比普通混凝土差；隨著再生細(xì)骨料最小粒徑減小、摻量增加，混凝土的抗凍性能下降。楊洪生等[7]研究發(fā)現(xiàn)混凝土的抗凍性能隨著再生骨料摻量的增加而下降。馮嘉等[8]的研究表明再生粗骨料混凝土的凍融質(zhì)量損失率隨著再生骨料取代率的增加而下降；再生粗骨料混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模量比天然骨料混凝土低，但仍然達(dá)到了試驗(yàn)設(shè)計(jì)的抗凍性要求。周宇等[9]研究發(fā)現(xiàn)再生粗骨料混凝土的抗凍性能整體上比原生混凝土差，且隨著再生骨料摻量的增加，抗凍性能下降。程云虹等[10]研究發(fā)現(xiàn)廢棄陶瓷骨料與水泥石界面與天然骨料與水泥石界面無(wú)明顯差異，在掃描電鏡鏡下觀察無(wú)明顯裂隙且骨料與水泥石咬合緊密；廢瓷陶瓷骨料混凝土與普通混凝土的最高凍融循環(huán)次數(shù)均為50次，試驗(yàn)抗凍性能未表現(xiàn)出明顯差異。Medina等[11]研究了20%～25%的陶瓷工業(yè)廢渣骨料混凝土的抗凍性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)混凝土抗凍性隨著再生骨料含量的增加而增強(qiáng)。綜上可知，輕骨料的含水率對(duì)其混凝土抗凍性有顯著影響，而再生骨料混凝土的抗凍性能比天然骨料混凝土差，且隨再生骨料的摻入量的增加而降低，但陶瓷廢渣骨料在20%～25%的區(qū)間遞增時(shí)，混凝土的抗凍性能反而提高，可能是陶瓷廢渣骨料比普通再生混凝土骨料更加能提高混凝土的抗凍性能。

2.1.2水膠比

杜文龍等[12]設(shè)計(jì)了 3 組不同水灰比的試件進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著混凝土水灰比的降低，混凝土的動(dòng)彈性模量損失、質(zhì)量損失明顯降低，混凝土的抗凍性能得到提高。譚克鋒[13]的研究結(jié)果表明,水灰比越低,混凝土的抗凍性能越好,低水灰比的高強(qiáng)混凝土即使不摻引氣劑,抗凍性能也表現(xiàn)良好。Yi[14]在霜凍條件下對(duì)早齡期混凝土的凝固時(shí)間進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)隨著水灰比的減小，混凝土抗壓強(qiáng)度降低率逐漸減小，原因是混凝土的毛細(xì)孔隙中出現(xiàn)了自由水的相變，導(dǎo)致其抗壓強(qiáng)度降低，從而導(dǎo)致了混凝土的抗凍性能下降?？傮w而言，水灰比越低，混凝土越致密，抗凍性能越好。

2.1.3礦物摻合料

尹興偉等[15]研究了單摻粉煤灰、雙摻粉煤灰和石灰粉再生混凝土在淡水、海水和硫酸鹽溶液等不同介質(zhì)下的抗凍性能，試驗(yàn)結(jié)果表明：在單摻粉煤灰摻量為20%或雙摻石灰粉和粉煤灰比例為3∶7時(shí)，可明顯提高再生混凝土的抗凍性能。徐長(zhǎng)偉等[16]研究了粉煤灰和礦渣粉的摻入對(duì)新拌混凝土和易性和硬化混凝土強(qiáng)度以及抗凍性的影響，得出無(wú)論是單摻粉煤灰、單摻礦渣粉，還是兩者復(fù)摻，都能夠一定程度上改善引氣混凝土的和易性和抗凍性能。Ma等[17]用快凍法對(duì)高摻量礦物摻合料類(lèi)型的高強(qiáng)混凝土、高強(qiáng)補(bǔ)償收縮混凝土和鋼纖維高強(qiáng)補(bǔ)償收縮混凝土進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明高強(qiáng)補(bǔ)償收縮混凝土的抗凍性能比高強(qiáng)混凝土弱，鋼纖維高強(qiáng)補(bǔ)償收縮混凝土抗凍性能比高強(qiáng)補(bǔ)償收縮混凝土強(qiáng)，鋼纖維形成的膨脹引起的裂縫表面可以抑制由礦物摻合料造成的損害。Mehmet等[18]研究發(fā)現(xiàn)廢橡膠的摻入可以提高透水混凝土的耐磨性和抗凍性能，同時(shí)會(huì)降低其抗彎性能。Ali等[19]研究了高摻量粉煤灰碾壓混凝土的抗凍融性能，在0.30、0.35、0.40和0.45等四種水膠比下從28種混合物中選出了7種最佳含水量的混合物進(jìn)行凍融試驗(yàn)，結(jié)果表明隨粉煤灰摻量的增加，試件的質(zhì)量損失增加，抗凍性能下降。Fan等[20]研究了納米高嶺土粘土對(duì)混凝土抗凍融性的影響，試驗(yàn)采用0.5水灰比同時(shí)使用0%，1%，3%，和5%質(zhì)量比的納米高嶺土粘土替代普通水泥來(lái)制備試件，在125次凍融循環(huán)后，3%和5%質(zhì)量比的試件仍然保持良好，并且其抗壓強(qiáng)度損失最小，這表明納米高嶺土粘土的摻入可以提高混凝土抗凍性能。綜上可得，外摻料的添入對(duì)混凝土抗凍性能有一定的提升。一般情況下，粉煤灰和礦物摻合料可以改善混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，從而提高混凝土的抗凍性能，但是粉煤灰摻量過(guò)多，可能會(huì)影響混凝土的性能，使其抗凍性能下降。鋼纖維的使用可以進(jìn)一步提高混凝土的抗凍性能，納米高嶺土粘土對(duì)混凝土也可以起到改良作用。

2.1.4化學(xué)外加劑

張粉芹等[21]的研究表明引氣劑可以較大程度的增加C30混凝土閉口孔隙率,提高了混凝土抗凍性能。周世華等[22]研究發(fā)現(xiàn)引氣劑的摻入降低了混凝土的強(qiáng)度，且摻引氣劑混凝土的強(qiáng)度隨氣泡平均半徑增大而降低。摻入引氣劑后，提高了混凝土的抗凍耐久性；氣泡間距系數(shù)是引氣混凝土抗凍性能的一個(gè)重要參數(shù)，當(dāng)氣泡間距系數(shù)超過(guò)300 μm時(shí)，混凝土的抗凍性能較差。王慶石等[23]研究發(fā)現(xiàn)引氣劑的摻入，不僅提高了混凝土含氣量，而且使混凝土孔隙率、總孔體積、總孔面積增加，平均孔徑、孔間距系數(shù)減小，孔徑均勻分布，使混凝土的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)得到改善，提高了混凝土的抗凍性能，混凝土的含氣量在某個(gè)合理范圍時(shí)，不僅可以提高混凝土的抗凍性能，而且不致混凝土強(qiáng)度下降過(guò)多。Peng等[24]采用引氣劑和火山灰硅灰和粉煤灰等，對(duì)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的50和60 MPa的混凝土進(jìn)行300次凍融循環(huán)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在0.32水膠比的混凝土中，引氣劑可以提高抗凍性能，火山灰可以用來(lái)提高混凝土的長(zhǎng)期強(qiáng)度。董超穎等[25]的研究表明減水劑的加入顯著改善了混凝土的抗凍性能。葛勇等[26]總結(jié)無(wú)機(jī)鹽對(duì)混凝土耐久性影響，發(fā)現(xiàn)無(wú)機(jī)鹽外加劑的摻入造成混凝土孔結(jié)構(gòu)劣化、毛細(xì)孔收縮力增大、水化產(chǎn)物尺寸穩(wěn)定性差滲透性增大或使混凝土產(chǎn)生裂紋，使混凝土抗凍性能降低。綜上可得，引氣劑和減水劑的摻入可以有效提高混凝土的抗凍性能，但無(wú)機(jī)鹽外加劑的摻入將降低混凝土的抗凍性能。

2.2外因

混凝土在實(shí)際工程中除了自身因素的影響外，還受到其他環(huán)境和荷載等因素的作用。目前，許多學(xué)者對(duì)復(fù)雜環(huán)境下的混凝土凍融進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

2.2.1其他環(huán)境因素與凍融共同作用

楊文武等[27]分析認(rèn)為凍融介質(zhì)選擇海水或NaCl溶液濃度在0.6～0.8 mol/L范圍可以較好的模擬海洋環(huán)境，推薦使用混凝土抗凍耐久性指數(shù)DF來(lái)評(píng)價(jià)抗凍性能，這樣可以大大減少試驗(yàn)次數(shù)。宿曉萍等[28]的研究表明在復(fù)合鹽-快速凍融試驗(yàn)中，引氣混凝土比普通混凝土抗鹽凍破壞的能力強(qiáng)，隨著含氣量的增加而增大。而摻入粉煤灰的混凝土抗鹽凍破壞的能力反而比普通混凝土破壞嚴(yán)重。Zhang等[29]在3% NaCl溶液中對(duì)鋼纖維混凝土凍融循環(huán)的抗彎沖擊響應(yīng)進(jìn)行了研究，1.5%(體積分?jǐn)?shù))的鋼纖維對(duì)混凝土的重量損失在3% NaCl溶液中凍融循環(huán)影響小，隨彎曲沖擊試驗(yàn)的增加，底部和側(cè)邊的殘余應(yīng)變?cè)龃蟆Ｔ?，100，150，200次的鋼纖維混凝土凍融，殘余應(yīng)變和沖擊試驗(yàn)的數(shù)量之間的關(guān)系可以用一個(gè)良好的相關(guān)性系數(shù)的指數(shù)函數(shù)擬合。張士萍等[30]的研究發(fā)現(xiàn)碳化過(guò)程中氫氧化鈣轉(zhuǎn)變成碳酸鈣，使水泥漿體結(jié)構(gòu)密實(shí)，混凝土抗凍性提高。

2.2.2荷載與凍融因素共同作用

宋玉普等[31]根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析了極限抗壓、抗拉強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)和應(yīng)力比的變化規(guī)律。在主應(yīng)力空間，建立了不同凍融循環(huán)次數(shù)后考慮應(yīng)力比影響的雙軸破壞準(zhǔn)則；對(duì)于雙軸壓，建立了同時(shí)考慮應(yīng)力比及凍融循環(huán)次數(shù)影響的破壞準(zhǔn)則，對(duì)于雙軸拉-壓，建立了八面體應(yīng)力空間的破壞準(zhǔn)則。Colombo等[32]研究?jī)鋈谘h(huán)后的纖維增強(qiáng)混凝土的拉伸性能，發(fā)現(xiàn)熱循環(huán)和材料基體自愈以及后期材料水化對(duì)材料的性能影響最大。總之，在腐蝕環(huán)境和荷載作用加速了混凝土的凍融破壞，但在三軸壓力作用下混凝土的抗凍性能得到了提升。Jang等[33]研究了在凍融循環(huán)條件下聚乙烯醇纖維混凝土的抗彎疲勞性能，在凍融循環(huán)下用車(chē)輪荷載對(duì)素混凝土和聚乙烯醇纖維混凝土試件進(jìn)行彎曲疲勞試驗(yàn)，建立了與聚乙烯醇纖維增強(qiáng)的彎曲疲勞性能相關(guān)的應(yīng)力比-疲勞壽命關(guān)系曲線，彎曲疲勞試驗(yàn)表明，反復(fù)凍融作用不僅降低了靜力強(qiáng)度也大大減少了抗疲勞破壞性能。Shang等[34]研究了素混凝土在不同凍融循環(huán)下不同壓應(yīng)力作用下的雙向擠壓作用下的強(qiáng)度與變形關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著凍融循環(huán)次數(shù)的重復(fù)，混凝土的雙軸抗壓強(qiáng)度下降，并提出了在主應(yīng)力空間的雙軸抗壓強(qiáng)度公式。Shang等[35]對(duì)加氣混凝土在三軸應(yīng)力作用下進(jìn)行凍融循環(huán)，發(fā)現(xiàn)在同一凍融循環(huán)次數(shù)下，固定應(yīng)力比σ2∶σ3=1∶1，應(yīng)力比σ1∶σ3從0到0.2變化時(shí)，材料的三軸抗壓強(qiáng)度要高于任意應(yīng)力比的雙軸抗壓強(qiáng)度。燕坤等[36]研究發(fā)現(xiàn)施加外部彎曲荷載使快速碳化28 d后的普通混凝土和大摻量礦物摻合料混凝土的凍融破壞加快，對(duì)高耐久性混凝土的抗凍性能的影響較小。在MgSO4溶液的化學(xué)腐蝕作用下，施加彎曲荷載降低了普通混凝土和大摻量礦物摻合料混凝土碳化以后的抗凍性。孫偉等[37]的研究表明彎曲荷載加快了混凝土在凍融和鹽湖鹵水腐蝕過(guò)程中相對(duì)動(dòng)彈性模量的降低速度。

就目前外因的研究現(xiàn)狀來(lái)看，在凍融循環(huán)條件下，施加彎曲荷載或軸向荷載將降低混凝土的抗凍性能，但三軸應(yīng)力作用可以限制其軸向裂紋及空洞的發(fā)展，提高混凝土的抗凍性能，鹽腐蝕環(huán)境也會(huì)加快混凝土抗凍性能的退化，在復(fù)雜環(huán)境下(即荷載與鹽腐蝕共同作用)，混凝土的抗凍性能下降更快。

3　混凝土抗凍性能細(xì)觀方面研究現(xiàn)狀

羅曉輝等[38]通過(guò)凍融循環(huán)試驗(yàn)，依據(jù)不同的損傷定義，總結(jié)出普通混凝土與高性能混凝土的宏觀強(qiáng)度損傷與細(xì)觀孔洞結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系，并進(jìn)一步得出混凝土損傷劣化特性規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著有害孔洞的增加，混凝土抗凍性能降低。鈕長(zhǎng)仁等[39]研究了負(fù)溫高強(qiáng)泵送混凝土的抗凍臨界強(qiáng)度，同時(shí)研究了不同程度凍融損傷的混凝土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)表征細(xì)觀層次氣孔的各項(xiàng)參數(shù)可以有效地反映出混凝土的凍融損傷狀況。Gonen等[40]研究了凍融循環(huán)對(duì)礦物摻合料混凝土孔隙率和毛細(xì)吸水的影響,發(fā)現(xiàn)毛細(xì)管吸水率和孔隙率增加，抗壓強(qiáng)度和超聲波脈沖速度下降，毛細(xì)管吸水率受凍融循環(huán)影響最大。劉衛(wèi)東等[41]采用共振法和超聲法進(jìn)行試件的波速和頻率測(cè)試,，得到了凍融循環(huán)200次混凝土試件的損傷參量特征值和強(qiáng)度變化規(guī)律，分析了纖維混凝土凍融損傷破壞的細(xì)觀機(jī)理,結(jié)合動(dòng)彈性模量和超聲波速相對(duì)值的變化特點(diǎn),根據(jù)細(xì)觀損傷力學(xué)和數(shù)學(xué)模擬的方法建立了纖維混凝土凍融損傷本構(gòu)模型。Zhao等[42]使用光纖傳感器對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的凍融循環(huán)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，采用混凝土的殘余應(yīng)變作為評(píng)價(jià)混凝土抗凍性能的指標(biāo)。Qiao等[43]對(duì)低降解骨料(受侵蝕或破裂作用后的退化骨料)混凝土凍融破壞進(jìn)行了內(nèi)聚破壞和概率損傷分析，基于三參數(shù)威布爾分布模型，用非線性回歸分析方法建立了相對(duì)斷裂能和凍融循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系，通過(guò)建立的模型的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的比較，證明了模型的準(zhǔn)確性。Li等[44]提出了一種基于真空-環(huán)氧浸漬法和數(shù)字圖像處理技術(shù)的混凝土凍融損傷評(píng)價(jià)方法，采用定量分析和力學(xué)性能測(cè)試手段包括微裂紋的壓縮試驗(yàn)，彎曲試驗(yàn)和軸向拉伸試驗(yàn)和不同的凍融循環(huán)周期下未加氣混凝土的凍融試驗(yàn)，對(duì)混凝土試件基體裂紋特征的演變(包括界面過(guò)渡區(qū)(ITZ)裂縫和砂漿裂縫)進(jìn)行了觀測(cè)，建立了相對(duì)力學(xué)性能和微裂紋密度之間的關(guān)系。Fursa等[45]提出了沖擊激勵(lì)下的電響應(yīng)參數(shù)對(duì)混凝土的凍融損傷評(píng)價(jià)方法，研究了不同類(lèi)型的骨料及不同尺寸的混凝土塊，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可用于凍融混凝土的損傷演化-監(jiān)控，且比聲學(xué)法更能有效地估算混凝土的損傷。Ding等[46]通過(guò)在混凝土中添加納米炭黑、碳纖維和鋼纖維形成三相導(dǎo)電塑性混凝土，用阻抗變化率和凍融循環(huán)次數(shù)來(lái)表示凍融循環(huán)下的累積損傷。Li等[47]研究了凍融循環(huán)下堿礦渣混凝土的斷裂性能并用響應(yīng)曲面法建立了響應(yīng)面模型，用以預(yù)測(cè)堿礦渣混凝土斷裂韌性，發(fā)現(xiàn)斷裂韌性隨凍融次數(shù)的增加而降低，隨時(shí)間的增長(zhǎng)，其下降速率和程度提高。

就細(xì)觀研究現(xiàn)狀而言，在凍融循環(huán)條件下，從一些學(xué)者對(duì)混凝土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)的研究上看，孔隙率、孔徑分布等細(xì)觀孔結(jié)構(gòu)參數(shù)與混凝土抗凍性能直接相關(guān)；大多數(shù)學(xué)者使用包括共振法和電響應(yīng)以及聲發(fā)射技術(shù)等現(xiàn)有的損傷探測(cè)技術(shù)，檢測(cè)混凝土細(xì)觀微裂紋的損傷演化，依據(jù)所得數(shù)據(jù)，采用合適的概率分布公式以及數(shù)字化的圖像處理技術(shù)，建立相應(yīng)的數(shù)值模型，進(jìn)而研究混凝土的抗凍性能，但他們?cè)诖祟?lèi)研究上缺乏橫向?qū)Ρ龋囼?yàn)對(duì)象較為單一，通用性較差。

4　混凝土抗凍性能微觀方面研究現(xiàn)狀

方永浩等[48]研究發(fā)現(xiàn)用壓汞法和掃描電子顯微鏡研究了凍融循環(huán)作用下硬化水泥漿體和混凝土宏觀與細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變化。結(jié)果表明凍融以后硬化水泥漿體和混凝土中砂漿的孔隙率，特別是大于50 nm的毛細(xì)孔體積和微裂紋增大較多，導(dǎo)致硬化水泥漿體由密實(shí)體向松散體發(fā)展，最后導(dǎo)致粗骨料與砂漿分離。指出了快速凍融破壞機(jī)理與自然條件下緩慢凍融的破壞機(jī)理存在差異。張永存等[49]的研究表明雙摻粉煤灰和適量引氣劑，可以改善混凝土內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)，使孔徑在50 nm以下的孔所占比例明顯提高，100～200 nm范圍內(nèi)的有害孔大大減少，從而使混凝土的抗凍融能力顯著增強(qiáng)。汪在芹等[50]研究發(fā)現(xiàn)凍融破壞使水泥水化產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)從堆積狀密實(shí)體逐步變成疏松狀態(tài)，氣泡壁逐步出現(xiàn)了開(kāi)裂?？讖?5～75 nm之間的孔隙所占的比例呈增大趨勢(shì)。付亞偉等[51]研究了高性能堿礦渣混凝土的凍融耐久性、微觀結(jié)構(gòu)、性能機(jī)理、凍融后內(nèi)部損傷變量的變化規(guī)律及損傷模型，建立了以相對(duì)動(dòng)彈模量為損傷變量的高性能堿礦渣混凝土凍融損傷模型，模型能夠較好地反映高性能堿礦渣混凝土的凍融損傷規(guī)律和損傷程度。Gokce等[52]對(duì)含再生粗集料的引氣混凝土抗凍融性研究發(fā)現(xiàn)再生粗骨料降低了材料的抗凍性能。微觀結(jié)構(gòu)研究表明，在一定次數(shù)的凍融循環(huán)后，非引氣基體混凝土的再生粗骨料和砂漿解體破壞了周?chē)男律皾{。Sicat等[53]對(duì)混凝土凍融循環(huán)過(guò)程界面過(guò)渡區(qū)的變形性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)界面過(guò)渡區(qū)表現(xiàn)出比基體混凝土和骨料更高的孔隙率和更低的強(qiáng)度以及較高的變形。

從微觀層次上看，混凝土的抗凍性能與其微觀孔結(jié)構(gòu)關(guān)系緊密，隨著凍融循環(huán)的進(jìn)行，50 nm以上的毛細(xì)孔和微裂紋迅速增加，使混凝土原先致密的結(jié)構(gòu)變得松散，且有害孔中的滲透壓和靜水壓進(jìn)一步加大，迫使周邊較小孔隙進(jìn)一步破壞，形成惡性循環(huán)。礦物摻合料和引氣劑的加入有效的改善了微觀孔隙結(jié)構(gòu)，提高了混凝土的抗凍性能。在微觀界面上看，混凝土界面過(guò)渡區(qū)孔隙率高、強(qiáng)度低，是混凝土凍融作用的脆弱區(qū)，易發(fā)生破壞。從目前微觀抗凍性能的研究上看，在凍融作用下混凝土的微觀產(chǎn)物及其變化對(duì)混其抗凍性能的研究以及對(duì)孔結(jié)構(gòu)與混凝土微觀產(chǎn)物綜合作用的混凝土抗凍性能的研究較少，亟待加強(qiáng)。

5　結(jié)論與建議

從上述的研究現(xiàn)狀可以得出以下幾個(gè)觀點(diǎn)：

(1)目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)混凝土抗凍性能的影響因素的研究還盡不全面，尚未得出一個(gè)系統(tǒng)而統(tǒng)一的結(jié)論，大多是從試驗(yàn)方面去進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，還沒(méi)有形成一套完整的理論分析體系。大多數(shù)的試驗(yàn)加載形式單一，較少涉及到多種類(lèi)型荷載共同作用下的混凝土抗凍性能的研究，而工程中混凝土多處于復(fù)雜荷載作用下，因此，開(kāi)展此類(lèi)試驗(yàn)極具實(shí)際意義；

(2)在宏觀方面，混凝土的抗凍性能由材料組成和外界環(huán)境因素共同決定。不同類(lèi)型的骨料對(duì)混凝土抗凍性能影響各異，輕骨料的含水率對(duì)其混凝土抗凍性有顯著影響，普通再生骨料取代率越高，其抗凍性能越差，陶瓷廢渣骨料對(duì)混凝土的抗凍性能有一定的提高，建議從骨料對(duì)抗凍性能的影響在細(xì)觀和微觀方面進(jìn)行研究。水膠比越低，混凝土越致密，抗凍性能越好。一般情況下，礦物摻合料可以改善混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，從而提高混凝土的抗凍性能，但是粉煤灰摻量過(guò)多，可能會(huì)影響混凝土的性能，使其抗凍性能下降。目前的研究表明，引氣劑和減水劑能夠提高混凝土的抗凍性能，無(wú)機(jī)鹽外加劑的摻入使其抗凍性能降低。在凍融循環(huán)條件下，鹽類(lèi)腐蝕環(huán)境和應(yīng)力作用將降低混凝土的抗凍性能；

(3)在細(xì)觀方面，現(xiàn)有的研究主要考慮了混凝土凍融損傷破壞機(jī)理及其數(shù)值模擬等內(nèi)容來(lái)研究混凝土的抗凍性能。建議對(duì)細(xì)觀研究制定定量化的指標(biāo)，確定混凝土抗凍性能的數(shù)值關(guān)系，明確研究目標(biāo)，縮減工作量；

(4)在微觀方面，現(xiàn)有的研究主要是針對(duì)過(guò)渡界面區(qū)的形變及界面特性進(jìn)行研究，以及混凝土微觀孔隙結(jié)構(gòu)分布及其變化對(duì)混凝土抗凍性能的影響。而在復(fù)雜環(huán)境下(如鹽腐蝕環(huán)境等)，混凝土可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成新的微觀產(chǎn)物并改變其微觀結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。目前對(duì)此類(lèi)凍融微觀產(chǎn)物及其變化對(duì)混凝土抗凍性能的研究較少，對(duì)孔結(jié)構(gòu)與此類(lèi)混凝土微觀產(chǎn)物綜合作用的混凝土抗凍性能的研究不夠深入。

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Research Progress of Multi Scale on Frost Resistance of Concrete

LEIBin,ZOUJun,FUMing-fu,XIONGJin-gang

(Department of Building Engineering,Nanchang University,Nanchang 330031,China)

A literature review on the frost resistance of concrete conducted by domestic and foreign scholars from macro, meso and micro aspects, that is multiscale aspects, is carried out in this paper, at the same time, it points out the existing problems and puts forward the future research direction. On the macro aspect, it is found that the moisture content of the lightweight aggregate has a significant effect on the frost resistance of concrete. The frost resistance of concrete will be decreased with the increase of the recycled aggregate replacement rate. Ceramic waste slag aggregate has a certain improvement on the frost resistance of concrete. The lower the water binder ratio, the worse the frost resistance of concrete. Mineral admixture and additives can improve the frost resistance of concrete. Corrosion environment and stress state will reduce the frost resistance of concrete. On the meso aspect, the porosity and pore size distribution are directly related to the frost resistance of concrete. Numerical simulation on the damage evolution of micro-cracks in concrete is an important method to study the frost resistance of concrete. On the microscopic aspect, the harmful pores and micro cracks development in concrete are the main influencing factors of concrete frost resistance decreased. Concrete interfacial transition zone is a weak area for concrete frost resistance, which is easy to be destroyed.

concrete;multiscale;frost resistance

國(guó)家自然科學(xué)基金(51562024)；江西省自然科學(xué)基金(20151BAB206057)；江西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(20161BBG70056)

雷斌(1980-)，男，副教授，博士.主要從事混凝土結(jié)構(gòu)耐久性方面的研究．

TU528

A

1001-1625(2016)07-2135-07