24混凝土的冻融破坏

2.4混凝土的冻融破坏

混凝土在饱水状态下因冻融循环产生的破坏作用称为冻融破坏，混凝土的抗冻耐久性（简称抗冻性）即是指饱水混凝土抵抗冻融循环作用的性能。混凝土处于饱水状态和谅融循环交替作用是发生混凝土冻融破坏的必要条件，因此，混凝土的冻融破坏一般发生于寒冷地区经常与水接触的混凝土结构物，如水位变化区的海工、水工混凝土结构物、水池拨电站冷却塔以及与水接触部位的道路、建筑物勒脚、阳台等。在我国东北、华北和西北地区的水利大坝，尤其是东北严寒地区的混凝土结构物，几乎100％的工程局部或大面积地遭受不同程度的冻融破坏，如丰满坝、云峰坝、参窝坝等，有的工程在施工过程中或竣工后不久即发现严重的冻害。经调查发现，混凝土冻融破坏不仅在“三北”地区存在，而且在长江以北黄河以南的中部地区，混凝土结构物的冻融破坏现象也广泛存在。由此可见，混凝土的抗冻性是混凝土耐久性中最重要的问题之一。

混凝土冻融循环产生的破坏作用主要有冻胀开裂和表面剥蚀两个方面。水在混凝土毛细孔中结冰造成的冻胀开裂使混凝土的弹性模量、抗压强度、抗拉强度等力学性能严重下降，危害结构物的安全性。一般混凝土的冻融破坏，在其表面都可看到裂缝和剥落。而当使用除冰盐时，混凝土表面出现鳞片状剥落。一般认为，混凝土的冻融和盐冻破坏是一个物理作用的过程。

国内外学者对混凝土的抗冻性能做了大量理论与试验工作，早在1945年，Powers 提出了混凝土焦融破坏的静水压假说，后又提出了渗透压假说，Fagerlund提出了“临界水饱和度法”。Powers还提出了混凝土抗冻性研究中的重要参数——平均气泡间隔系数的计算方法。我国北京水利水电科学院浦京水利水电科学研究院、原上海建材学院等单位也对水工结构的抗冻性及公路混凝土的抗盐冻性能等开展了卓有成效的研究，对保证重大工程的抗冻耐久性起到了积极的作用。

2.4.1混凝土冻融破坏的机理

1945年，Powers提出了混凝土冻融破坏的静水压假说，此后又

与Helmuth一起提出了渗透压假说。这两个假说合在一起，较为成功地

解释了混凝土冻融破坏的机理，奠定了混凝土抗冻性研究的理论基础。

l）静水压假说

（1）Powers静水压假说

硬化混凝土中的孔隙有凝胶孔、毛细孔、空气泡等。各种孔隙之间的孔径差异很大，凝胶孔的孔径为15～100 A；毛细孔孔径一般在0.01～10um之间，而且往往互相连通；空气泡是混凝土搅拌与振捣时自然吸入或掺加引气剂人为引入的，且一般呈封闭的球状，混凝土在水中时，毛细孔处于饱和状态，而空气泡内壁虽也吸附水分，但在常压下很难达到饱和。

混凝土孔溶液中溶有钾、钠、钙离子等，溶液的饱和蒸气压比普通水低，在不掺盐类的水泥浆体中的自由水的冰点约为－1~－1.5o C。由于孔隙表面张力的作用，不同孔径的孔内水的饱和蒸气压和冰点不同，孔径越小，孔内水的饱和蒸气压越小，冰点越低。当环境温度降低到－1～－1.9 o C时，混凝土孔隙中的水由大孔开始结冰，逐渐扩展到较细的孔。一般认为温度在－12o C时，毛细孔都能结冰，而凝胶孔中的水分子物理吸附于水化水泥浆固体表面，估计在－78 o C 以上不会结冰。因此，凝胶孔水实际上是不可能结冰的，对混凝土抗冻性有害的孔隙只是毛细孔。

众所周知，水转变为冰时体积膨胀9％，迫使本结冰的孔溶液从结冰区向外迁移，因而产生静水压力。显然，静水压力随孔隙水流程长度增加而增加，因此，存在一个极限流程长度，如果孔隙水的流程长度大于这极限长度，则静水压力将超过混凝土的抗拉强度，从而造成破坏。混凝土拌和时掺入引气剂后，硬化后混凝土浆体内分布有不与毛细孔连通的、相互独立且封闭的空气泡，空气泡直径达25～500 um，且不易吸水饱和。空气泡的存在使受压迫的孔隙水可就近排入其中，提供了孔隙水的“卸压空间”，缩短了孔隙水的流程长度，减少了静水压力，从而使混凝土的抗冻性大大提高，这就是引气混凝土抗冻性远好于普通混凝土的原因。

（2）静水压假说的数学物理模型

Fagerlund进一步用模型描述了

Powers静水压假说，其假定的静水压

物理模型如图2－40所示。设两个空气

泡之间的距离为d，两空气泡之间的毛

细孔吸水饱和并部分结冰。空气泡之间

的某点A离一侧空气泡的距离为x，由

结冰生成的水压力为p，则由达西定

律，水的流量与水压力梯度成正比

由式（2－73）可见，结冰产生的最大静水压力与材料的渗透系数k 成反比，

与空气泡间距d 的平方成正比，与降温速度dt

d 上及毛细孔水含量（与水灰比、水化程度有关）成正比，空气泡间距是影响混凝土抗冻性的重要参数。

2）渗透压假说

静水压假说成功地解释了混凝土焦融过程中的很多现象，如引气剂的作用、结冰速度对抗冻性的影响等，但却不能解释另外一些重要现象，如混凝土不仅会被水的冻结所破坏，还会被一些冻结过程中体积并不膨胀的有机液体如本、三氯甲烷的冻结所破坏；非引气浆体当温度保持不变时出现连续的膨胀，引气浆体在冻结过程中的收缩等。基于此，Powers 和Helmuth 提出了渗透压假说。

渗透压假说认为，由于混凝土孔溶液含有Na +、K +、Ca 2+等盐类，大孔中的部分溶液先结冰后，末冻溶液中盐的浓度上升，与周围较小孔隙中的溶液之间形成浓度差。这个浓度差的存在使小孔中的溶液向已部分冻结的大孔迁移。即使是浓度为0的孔溶液，由于冰的饱和蒸气压低于同温下水的饱和蒸气压，小孔中的溶液也要向已部分冻结的大孔溶液迁移。可见渗透压是孔溶液的盐浓度差和冰水饱和蒸气压差共同形成的。

根据物理化学原理，水和冰（液和固）两相间的渗透压可按式（2－74） 计算:

实际的渗透压要比式（2－74）计算的复杂得多，因为前已述及，渗透压不仅是冰水饱和蒸气压差形成的，孔溶液的盐浓度差也形成渗透压；毛细孔的弧形界面张力抵消一部分渗透压；毛细孔水就近迁入本吸水饱和的空气泡，失水的毛细孔壁受到的压力也会抵消一部分渗透压，这种毛细孔压力不仅不使水泥石膨胀，还使其产生收缩。这就是当混凝土的水饱和度小于某个临界时，冻结反而引起混凝土收缩的原因。

静水压和渗透压目前既不能由试验测定，也很难用物理化学公式准确计算。对静水压和渗透压何者是冻融破坏的主要因素，很多学者有不同的见解。Powers 本人后来偏向渗透压假说，而Fagerlund、Pigeon等人的研究结果却从不同侧面支持了静水压假说。我国学者唐明述对渗透压假说提出了质疑，李天援则从理论计算和试验现象说明静水压是混凝土冻害的主要因素。一般认为：水灰比大、强度较低以及龄期较短、水化程度较小的混凝土，静水压力破坏是主要的；而对水灰比较小、强度较高及含盐量大的环境下冻结的混凝土，渗透压可能起主要作用3）混凝土抗冻性研究中的两个重要参数

（1）平均气泡间距

由冻融破坏机理可知，平均气泡间距是混凝土抗冻性的一个重要定量指标，Powers将气泡间距d的一半定义为气泡间隔系数L，当混凝土的平均气泡间隔系数L小于某个临界值时，毛细孔的静水压或渗透压不会超过混凝土的抗拉强度，其抗冻性较好，否则其抗冻性较差。Powers用冻融循环法测抗冻性，在显微镜下测空气泡含量及比表面积，以此计算出平均气泡间隔系数，抗冻性显著变差时的平均气泡间隔系数定义为极限平均气泡间隔系数。美国混凝土学会根据Powers的建议，将极限平均气泡间隔系数定为250um。当然，这个极限值取得是否合理，以及各种水泥的混凝上是否均可采用同一个极限值等，一些学者提出了异议，但平均气泡间隔系数作为混凝土抗冻性的重要参数，得到了公认。

假设混凝土中的空气泡都是等直径的球体，且在水泥浆体有规则地

几何排列，则可根据混凝土中水泥浆体的体积百分数、空气泡的体积百分

含量以及空气泡的平均半径计算平均气泡间隔系数

由式（2－75）可见，气泡平均半径越大，水泥浆含量越大，含气量越小，则平均气泡间隔系数越大，对混凝土抗冻越不利。

水泥浆体的体积百分含量可由混凝土配合比中的水泥用量和水灰比计算得到。硬化混凝土中的含气量和气泡平均半径可用混凝土气孔分析显微镜，采用直线导线法按SD105－82《水工混凝土试验规程》测试计算得到。

（2）临界水饱和度

1975年，Fagerlund提出了关于混凝土抗冻性的临界水馆和度理论。混凝土与水接触时，毛细孔先吸水馆和，然后小气泡中吸水，大气泡的孔壁也吸附水，随空气泡吸水的增加，平均气泡间隔系数L逐渐增大。当L增加到某个极限值时，冻结将引起材料破坏。因此从理论上讲，混凝土的水饱和度S必然存在一个与极限平均气泡间隔系数相对应的临界值。当混凝土的水饱和度小于这个临界值时，混凝土不会发生冻害，超过临界值时将迅速破坏，这一临界值称为混凝土的临界水饱和度Scr。

临界水饱和度Scr可由如下试验测定：先使试件真空吸水饱和，再烘干至各种不同的水饱和度S，用塑料袋密封保持这种水饱和度在冻融试验中不变，根据混凝土经受6次冻融循环后的相对动弹模量E6/E0的变化确定临界水饱和度，图2－41为典型的S－E6/E0曲线，拐点对应的水饱和度即为临界水饱和度Scr。

Fagerlund曾做过这样一个试验：测定各种不同水饱和度的混凝土

在降温时的体积变形，当S

积并不膨胀反而收缩；当S－Sr时，冻结引起的变形为0；只有当S＞Scr

时，冻结引起膨胀。

2.4.2影响混凝土抗冻性的因素

由混凝土冻融破坏的机理可知，混凝土的抗冻性与空气泡间距、降温速度、可冻水的含量、材料的渗透系数以及抵抗破坏的能力等因素有关。主要影响因素是平均气泡间距，水灰比、骨料、水泥品种、掺合料。水泥用量等均有一定影响。下面讨论各种因素对混凝土抗冻性的影响。

1）平均气泡间距

由冻融破坏的机理可知，平均气泡间距

是影响混凝土抗冻性最主要的因素，平均气

泡间距越大，则冻融过程中毛细孔中的静水

压和渗透压越大，混凝土的抗冻性越低。以

耐久性指数DF（在后面说明其定义，DF越

大则抗冻性越好）表示混凝土的抗冻性，许

丽萍等人收集不同试验数据分析得到的耐久

性指数与平均气泡间隔系数的关系如图2－

42所示。

很多学者对临界平均气泡间隔

系数的取值提出了不同看法。Powers测定当水灰比为0．5、降温速度为11o C/h 时的临界平均气泡间隔系数为250 pm，Pigeon等认为这个临界值主要受水灰比和降温速度影响，他测定水灰比为0．3时临界平均气泡间隔系数为400 pm，而Foy测定对同样的材料，当水灰比为0.25时，临界平均气泡间隔系数增大到750um。我国严提东、孙伟研究了水胶比为0.50、粉煤灰掺量在0～55％范围内的大掺量粉煤灰水工混凝土的气泡参数和抗冻性，认为不管对普通混凝土还是粉煤灰混凝土，平均气泡间隔系数在500 pm以下都是高抗冻混凝土。

由式（2－75）可见，平均气泡间隔系数与含气量、水泥浆体含量和平均气泡半径有关，而水泥浆含量又取决于水灰比和水泥用量，平均气泡半径主要取决于引气剂的质量及工艺条件（搅拌和振动时间）。其中影响平均气泡间隔系数的主要因素是水灰比和含气量，许丽萍等人得到不同水灰比下含气量与平均气泡间隔系数的关系如图2－43所示。当含气量相等时，对不同的水灰比，其气泡间距是不同的，水灰比大，浆体中的可冻水增加，形成的气泡结构差，气泡直径增大，气泡数量减少，则气泡间距增大。

2）水灰比

水灰比是设计混凝土的一个重要参数，它的变化影响混凝土可冻水的含量、平均气泡间距及混凝土强度，从而影响混凝土的抗冻性。水灰比越大，混凝土中可冻水的含量越多，混凝土的结冰速度越快；气泡结构越

差，平均气泡间距越大；混凝土强度越低，抵抗冻融的能力越差。可见，水灰比是影响混凝土抗冻性的主要因素之一，在含气量一定时，其对抗冻性的影响规律如图2－44所示。可见水灰比越大，抗冻性越差，但水灰比在0.45～0.85范围内变化时，不掺引气剂的混凝土的抗冻性变化不大，只有当水灰比小于0.45以后，混凝土的抗冻性才随水灰比降低而明显提高。我国铁科院、水科院等单位的研究结果也表明：混凝土的抗冻性随水灰比降低而提高，但水灰比较大时，抗冻性变化不明显。

国内外规范对混凝土抗冻性有要求的混凝土结构都规定了水灰比最大允许值，我国各行业规范都根据不同受冻环境提出了水灰比最大允许值，如《水运工程混凝土施工规范》（JTJ268－96）规定海水水位变动区的钢筋混凝土结构的水灰比最大允许值为0.45～0.55；《混凝土结构设计规范》（GB50010－2002）规定非海水受冻环境的混凝土结构的水灰比最大允许值为0.5～0.6。

水灰比小于0.35、完全水化的混凝土，即使不引气，也有较高的抗冻性，因为除去水化结合水和凝胶孔不冻水外，混凝土中的可冻水含量很少。

3）外加剂

平均气泡间距是影响混凝土抗冻性的最主要因素，而影响平均气泡间距的一个主要因素是含气量。混凝土中封闭空气泡除搅拌、振搞时混入外，主要是引气剂等外加剂人为引入的。引气剂引入的空气泡越多，平均气泡间距就越小，毛细孔中的静水压和渗透压就越小，混凝土的抗冻性

就越好。大量试验表明，掺引气剂的混凝土比相同条件下不掺引气剂的混凝土的抗冻性成倍地提高（见图2－45）；大量工程实践也表明，接引气剂混凝土的抗冻性明显高于普通混凝土，如美国伊利诺斯试验站每年冬季可能经受冻融120～240次，普通混凝土经受不了一个冬季的暴露，而引气混凝土经16年后仍完好无损。

在一定范围内，含气量越多，混凝土的抗冻性越好，图2－45为中国水科院的试验结果。但含气量超过一定范围时，混凝土的抗冻性反而下降，原因是含气量增加在降低平均气泡间距的同时，降低了混凝土的强度，一般混凝土含气量每增加1％抗压强度下降3％～5％。因此，国内外部分规范都规定了含气量的合理范围（见表5－11）。

减水剂对混凝土抗冻性也有一定影响，特别是带有引气作用的减水剂（如木钙等）。但由于这些减水剂引入的空气泡直径一般较大，且易破灭，故对混凝土抗冻性的改善效果并不明显。

4）强度

当静水压力和渗透压力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土即产生冻融破坏。因此，作为表征抵抗冻融破坏能力的混凝土强度对混凝土抗冻性也有影响。当含气量或平均气泡间距相同时，强度高的混凝土的抗冻性高于强度低的混凝土。但相对而言，强度对混凝土抗冻性的影响程度远没有气泡结构（平均气泡间距、含气量等）大，因此，强度高的普通混凝土的抗冻性可能低于强度低的引气混凝土。

5）骨料

骨料的冻害机理可用静水压假说来解释。当骨料吸水饱和，受冻后在骨料孔隙和骨料一水泥浆界面产生静力压力，超过骨料或界面强度时就产生冻害。因此，影响骨料抗冻性的主要因素是骨料吸水率和骨料尺寸。

美国ACI201委员会指出，如果使用吸水性骨科，而混凝土又处于连续潮湿的环境中，则当粗骨料饱和时，骨料颗粒在冻结时排出水分所产生的压力使骨料和水泥砂浆破坏。如果受破坏的骨料接近混凝土表面，就会产生剥落。由此看来，轻骨料混凝土的骨料可能成为抗冻的薄弱环节。但通过掺入适量弓洗剂、保证一定的含气量等措施，使骨料受冻后将孔隙水排问周围的空气泡，轻骨料混凝土还是可以配制成高抗冻混凝土的。

用静水压假说可以说明，骨料尺寸越大，受冻后越容易破坏，从理论上讲骨科尺寸也有一个临界值，骨料尺寸大于这个临界值时，骨料受冻后会产生破坏，而一般细骨料在焦融中不产生破坏，正是由于细骨料的尺寸都小于这个临界值。

骨料质量对抗冻性也有一定影响，包括骨料的坚实性、风化程度、粘土含量、杂质含量等。

6）水泥品种和用量

美国波特兰水泥协会的试验结果表明，水泥的化学组成、水泥品种对混凝土的抗冻性无显著影响，这主要是因为美国的水泥质量稳定，且很少掺混合材。而我国则不同，我国生产的水泥大部分掺混合材，且掺量较大，很多单位就水泥品种对混凝土抗冻性的影响进行了试验研究，得出较为一致的结论是：水泥品种对混凝土抗冻性有一定影响，且随水泥中混合材掺入量的增加，混凝土的抗冻性降低。

原水电部东北勘测设计院科研所的试验成果指出：水灰比为0.6的混凝土试件，经过同样的冻融次数，硅酸盐水泥混凝土强度损失最小。铁科院的试验表明，不同品种水泥制成的混凝土，其抗冻性差异较大。水灰比为0.50的普通硅酸盐水泥混凝土可经爱150次以上的冻融试验，而同样条件下矿渣水泥混凝土只能承受50次，对矿渣掺量很大的低熟料矿渣水泥混凝土则不足25次。应该指出的是，上述试验结论主要是针对非引气混凝土，对于引气混凝土，水泥品种对抗冻性的影响没有这么明显，而美国等国家的混凝土多采用引气混凝土，这也许是国内外试验结果差异的一个因素。

由式（2－75）可知，平均气泡间距随水泥浆体的含量增大而增大，应该得出抗冻性随水泥用量增加而降低的结论，但试验结果并非如此。我国水工部门的试验表明水灰比相同条件下，混凝土抗冻性随水泥用量增加而增加，而日本的一项研究则认为，在水灰比和含气量基本相同的条件下，随着水泥用量增加，混凝土的抗冻性变化很小。可见目前就水泥用量对混凝土抗冻性的影响还无统一结论。

上述情况表明，水泥品种和用量对抗冻性影响的试验结果可能会得出不一样的结论：对于非引气混凝土，水泥品种和用量对抗冻性有一定影响，而对于引气混凝土，这种影响很小。可见，相对于含气量、水灰比等，水泥品种和用量不是影响混凝土抗冻性的主要因素。

7）混合材

美国等国的试验结果表明，在强度和含气量相同的条件下掺与不掺粉煤灰的混凝土的抗冻性基本相同。表2－9列出中国水科院对粉煤灰混凝土抗冻性的试验结果，在等量取代的条件下，粉煤灰掺量为15％时，混凝土的抗冻性可得到改善，但当粉煤灰掺量超过一定范围时，混凝土的抗冻性反而下降。这个结论与图2－46所示日本学者的试验结果基本相似。而严择东等在粉煤灰掺量0～55％、引气量7.6％的试验条件下，得到了混凝土抗冻性随粉煤灰掺量增加而提高的结论。可见，粉煤灰对混凝土抗冻性影响程度，目前尚无统一的结论，但有一点是可以肯定的，对掺粉煤灰的混凝土，只要加入适量的引气剂，还是可以设计出高抗冻混凝土的。

掺入硅粉的混凝土，由于改变了气泡结构，降低了气泡间距系数，从而可改善混凝土的抗冻性。但很多国家的试验表明，当硅粉掺量不超过10％时，混凝土的抗冻性有所提高，掺量为15％时其抗冻性基本相同，掺量超过20％时的抗冻性则会明显降低。

8）冻结温度和降温速度

由式（2－73）可知，静水压力与结冰速度（温度每降低l o C冻结水的增量）及降温速度成正比。孔隙水的冻结是由大孔开始逐步向小孔扩展的，显然，大孔冻结时的结冰速度大，而小孔冻结肘的结冰速度小，因此，结冰速度随温度降低而降低。蔡吴通过测定混凝土试件在冻融过程中的相对电导率研究不同温度下的结冰速度，得到结论：普通混凝土孔溶液结冰速度在－10o C以上较高，在－10o C 以下较低。图2－47所示中国水科院关干冻融最低温度对普通混凝土抗冻性影响的试验结果表明，当冻融循环最低温度为－5o C时，水灰比为0.65的混凝土能承受133次冻融循环，最低温度降为－10o C时，同样的混凝土仅能承受12次冻融

循环，而

最低温度为－17o C时能承受7次。这两个试验都前说明，混凝土的冻害主

要发生在－10o C以上，－10o C以下发生的冻害是十分有限的。

降温速度增大使混凝土抗

冻性降低。试验室用冻融循环

法（即下节介绍的快冻法与慢

冻法）测定混凝土的抗冻性时

降温速度在（6～60oC）/h之

间，比实际环境的降温速度（一

般不超过3o C/h）快得多，因此，

直接用冻融循环法的试验结果

来评价实际工程混凝土的抗冻

性是过于苛刻的，试验室试验

环境与实际环境的相关性值得

深人研究。

冻融对混凝土结构的劣化破坏

混凝土结构冻融破坏研究 桥梁与隧道工程1210 摘要：本文主要介绍了混凝土宏观和微观冻融的机理、混凝土构件冻融影响因素，通过对冻融破坏机理和影响因素分析，提出提高混凝土的抗冻性的对策 绪论 混凝土冻融破坏是由于混凝土中的游离水受冻结冰后体积膨胀，在混凝土内部产生应力，由于反复作用或内应力超过混凝土抵抗强度致使混凝土破坏。建筑材料的冻融行为，贯穿于人类社会的整个时代。也就是说，有了人类社会，就有了材料与结构的冻融行为。这对结构的维护和管理，无疑是一个很大的问题。在工业发展的过程中，对建筑材料的抗冻融抗除冰盐冻融的性能，进行了大量的摸索，建立了快速评价的经济方法。在此基础上又开展了混凝土冻融劣化、除冰盐冻融劣化机理研究。 混凝土冻融的机理 发生了宏观的应力 热膨胀系数不同 构成混凝土的水泥石和集料的热膨胀系数a T是很不同的,其在潮湿状态，水泥石和集料可能有不同点 表1-1 水泥石和集料的热膨胀系数 水泥石 集料 水泥石和冰的热膨胀不同而产生应力，在微小范围内，多次冻融循环进行过程中

有可能适应力进一步增长。水泥石和冰的不同热膨胀系数，清楚的显示出冻害劣化作用。通过扫描电镜检验，也证明了产生的应力使组织结构劣化。 层状的冻结 混凝土结构处于低温下，毛细管中的水分由热端向冷端迁移，也就是由内部向表面迁移。在受冻时混凝土表层先受冻，形成结冰层。在经过多次冻融循环下，混凝土表面发生剥离，又露出新的表面层，进一步剥离。这种部分的很大很深的剥落，是过去海水作用海岸钢筋混凝土结构物特有的一种冻融裂化形式。 温度急降的结果 除冰盐把雪和冰溶解时必须要有一定的热量。在混凝土道路上，在无风干燥的空气下也会有1000倍的蓄热量。故冰雪溶解时所需要的热量，混凝土表层温度急剧下降，从混凝土表面夺取热量，造成混凝土内部发生压应力和拉应力。微观劣化机理 水压 水的密度对温度来说，显示出一种特异的行为，水变成冰时，体积膨胀9%，也就是说，这时就必须排除相同体积的水。但是，在冰生成的周围都是饱和状态，没有适当缓和空间。按照powers的观点，发生了以水压力表征的内部压力。 当水压力超过了混凝土抗拉强度时就发生冻害。，水的压力大小，首先，被排除在周围没有膨胀的空间。因此，powers为了附加膨胀空间而掺入引气剂，而且气泡之间要有一定的距离，也就是气泡间隔系数。 水的压力还与受冻结水的量和冻融时冷却速度有关。在混凝土中有广泛深长的毛细管孔隙率与高的饱和度，冰形成速度高时，认为具有大的压力。但是试件中含水率91%以下时，也会导致劣化。对此powers认为，这是由于孔隙溶液最初在很大的孔隙中受冻的原因。然后冻结进一步进行，在比较小的孔隙中的溶液也开始受冻时，水的排除受到已有大孔隙中冰的阻碍。如果排除的水完全受到阻碍时，理论上认为发生的水压力是200N每平方毫米。 实际上发生的水压力非常小，因为冰的生成不是突然发生的，还有水泥石孔隙的水，并不是一次就完全冻结，而是处于不同温度下不同层次的冻结。即使如此，还必须考虑到特细毛细管受到前面已冻结冰的封堵，孔隙内还有液相存在，会再短的内压力可能达到峰值。

结构设计原理课后题答案8—20

8-1大小偏心受拉构件的界限如何区分？它们的特点与破坏特征各有何不同？ 答：当偏心拉力作用点在As合力点与A’s合力点之间时为小偏心受拉情况，否则为大偏心受拉。小偏心情况下，构件破坏前混凝土已全部裂通，拉力完全由钢筋承担；大偏心情况下，裂缝不会贯通整个截面，裂缝开展很大，受压区混凝土被压碎。 8-2《公路桥规》对大小偏心受拉构件纵向钢筋的最小配筋率有哪些要求？ 答：规定小偏心受拉构件一侧受拉纵筋的配筋率按构件毛截面面积计算，而大偏心受拉构件 一侧受拉纵筋的配筋率按As/bh 0计算,他们的值都不应小于45f td /f sd ，同时不小于0.2. 9-1对于钢筋混凝土构件，为什么《公路桥规》必须进行持久状况正常使用极限状态计算和短暂状况应力计算？与持久状况承载能力极限状态计算有何不同之处？ 答：因为钢筋混凝土构件除了可能由于材料强度破坏或失稳等原因达到承载能力极限状态以外，还可能由于构件变形或裂缝过大影响了构件的适用性及耐久性，而达不到结构正常使用要求。不同点：○1极限状态取构件破坏阶段○2截面承载能力大于最不利荷载效应○3作用效应取短期和长期效应的一种或两种组合，汽车荷载不计冲击系数。 9-2什么是钢筋混凝土构件的换算截面？ 答：将钢筋和受压区混凝土两种材料组成的实际截面换算成一种拉压性能相同的假想材料组成的匀质截面。 9-3引起钢筋混凝土构件出现裂缝的主要因素有哪些？ 答：作用效应、外加变形或约束变形、钢筋锈蚀。 9-4影响混凝土结构耐久性的主要因素有哪些？混凝土结构耐久性设计应考虑什么？ 答：混凝土冻融破坏、混凝土的碱集料反应、侵蚀性介质的腐蚀、机械磨损、混凝土的碳化、钢筋锈蚀。混凝土耐久性设计可能与混凝土材料、结构构造和裂缝 12-1何为预应力混凝土?为什么要对构件施加预应力？预应力混凝土的主要优点是什么？其基本原理是什么？ 答：所谓预应力混凝土，就是事先人为地在混凝土或钢筋混凝土中引入内部应力，且其数值和分布恰好能将使用荷载产生的应力抵消到一个合适程度的配筋混凝土。 对构件施加预应力原因：使之建立一种人为的应力状态，这种应力的大小和分布规律，能有利于抵消使用荷载作用下产生的拉应力，因而使混凝土构件在使用荷载作用下不致开裂，或推迟开裂或者使裂缝宽度减小。 基本原理：由于预先给混凝土梁施加了预压应力，使混凝土梁在均布荷载q作用使下边缘所产生的拉应力全部被抵消，因而可避免混凝土出现裂缝，混凝土梁可以全截面参加工作，这就相当于改善了梁中混凝土的抗拉性能，而且可以达到充分利用高强钢材的目的。 12-2什么是预应力度？《公路桥规》对预应力混凝土构件如何分类？ 预应力度：由预加应力大小确定的消压弯矩与外荷载产生的弯矩的比值。分三类：○1全预应力混凝土构件—在作用（荷载）短期效应组合下控制的正截面受拉边缘不允许出现拉应力（不得消压）○2部分预应力混凝土构件—在作用（荷载）短期效应组合下控制的正截面受拉边缘出现拉应力或出现不超过规定宽度的裂缝○3钢筋混凝土构件—不预加应力的混凝土构件 12-4什么是先张法？答：先张法，即先张拉钢筋，后浇筑构件混凝土的方法。 12-5什么是后张法？答：后张法是先浇筑构件混凝土待混凝土结硬后再张拉预应力钢筋并锚固的方法。 13.3何谓预应力损失？何谓张拉控制应力？张拉控制应力的高低对构件有何影响？ 答：预应力损失：预应力钢筋的预应力随着张拉、锚固过程和时间推移而降低的现象 张拉控制应力：指预应力钢筋锚固前张拉钢筋的千斤顶所显示的总拉力除以预应力钢筋截面积所求得的钢筋应力值。影响：张拉控制应力能够提高构建的抗裂性、减少钢筋用量。过高使钢筋在张拉或施工过程中被拉断、应力松弛损失增大、构件出现纵向裂缝也降低了构件的

混凝土损伤的研究现状

混凝土结构损伤的研究现状 一、混凝土结构的损伤机制及分类 混凝土是由粗骨料、细骨料和水泥浆组成的非均质混合物，其表现出来的力学性能并不仅仅是这几种材料性能的简单叠加，而是与其内部的组成结构紧密相关。这一特点决定了混凝土材料的非均质性和物理性态的复杂性。这使得混凝土在承受外载之前，由于干缩、泌水等原因，已存在大量的微孔隙和界面裂缝，且这些缺陷的分布完全是随机的。当混凝土受到外界作用以后，弥散在材料内部的微裂缝开始逐渐长大，并随着荷载的变化，在部分区域出现贯通，直至形成宏观大裂缝。混凝土的破坏是结合缝的产生、成核、扩展、分叉、和失稳的过程。 混凝土具有微观、细观、宏观等不同的层次结构，以往对于混凝土的研究大多基于宏观层次，把混凝土均匀化为宏观均质连续材料，不考虑混凝土内部的细观结构及其演化。这种均匀化的处理方法对于研究混凝土结构的宏观力学性能无疑是行之有效的，但是要想深入研究混凝土的工作机理还应从混凝土的细观组成结构入手，抓住材料非均质性的特点，揭示混凝土结构宏观表现的内在机制。现在通常先在细观层次建立了混凝土的数值模型，分析混凝土损伤破坏机理，并以此为基础在宏观层次提出了混凝土损伤断裂理论分析模型，通过宏、细观两个层次的相互联系与补充对混凝的破坏行为进行研究。 从细观角度看，混凝土材料的力学特性是由其内部的细观结构及其变化决定的。作为一种典型的非均质材料，混凝土在多种尺度下都表现出了非均质性。根据复合材料的观点，将混凝土结构分为三级。第一级，即混凝土。可将砂浆视为基相，骨料视为分散相。骨料和砂浆的结合面为薄弱面，该处常因各种原因产生结合缝。混凝土的破坏首先从这里开始。第二级，即砂浆」将水泥视为基相，砂视为分散相。砂和水泥的结合面也是薄弱面，也产生结合缝，但其尺寸笔砂浆和骨料之间的结合缝至少小一个量级。第三级，即硬_ 化水泥浆。硬化水泥浆也不是匀质材料，其中包裹着一些未被水化的水泥颗粒及孔隙，他- 们就是缺陷。因此可将硬化水泥浆胶体视为基相，将这些缺陷视为分散相。水泥浆体的破坏可能从这些缺陷开始，裂纹由于克服硬化水泥浆分子间的引力而扩展。未被水化的水泥颗粒尺寸通常比砂和水泥浆的结合缝至少小几个量级。 从损伤力学的观点来看，如果混凝土体受到外界因素的作用，则混凝土体中原有损伤将会有所发展并会导致出现新的损伤，当损伤积累到一定程度时，混凝土体中将会出现宏观裂缝，而宏观裂缝的端部又将会发生新的损伤及产生新的损伤区，再经积累而引起裂缝的扩展，直至混凝土体的破坏，由上可见，混凝土的破坏过程实际上是损伤、损伤积累、宏观裂纹出现、宏观裂纹扩展交织发生的过程。 二、混凝土结构的破坏机理 在上述损伤机制下，混凝土的裂纹扩展存在四个阶段： （1）预存微裂纹阶段。即在混凝土成形过程中，由于水泥浆硬化干缩，水分蒸发留下裂隙等原因，使构件中预存原始微裂纹。它们大都为界面裂纹，极少量为砂浆裂纹，这些裂纹是稳定的。这些裂纹的存在是混凝土具有初始损伤的原因之一。 （2）裂纹的起裂和稳定扩展阶段。在较低的工作应力下，构件内部的某些点会产生拉应力集中，致使相应的预存微裂纹延伸或扩展，应力集中则随之缓解，如果荷载不再增加，

混凝土结构的损坏机理及检测

混凝土结构的损坏机理及检测 摘要：从物理学和化学角度对混凝土结构锈蚀、碳化、氯离子侵蚀、冻融破坏、碱-骨料反应的损坏机理进行探究，分析了不同破坏原因的影响因素及其作用原理，并且针对不同的影响因素及作用机理寻求相应的结构破坏外在表现，进而探寻对于工业与民用建筑混凝土结构强度、耐久性的检测方法，为混凝土结构的鉴定与加固工作奠定基础。 关键词：混凝土结构；损坏机理；检测 Damage Mechanism and Detection of Concrete Construction Chen Hanbing Abstract: Exploring the reaction mechanism of concrete construction such as corrosion, carbonation, chloride ion penetration, freeze-thaw damage, alkali-aggregate reaction from different aspects of physics and chemistry. And analyzing the influence factors of different reasons, then try to find corresponding outward manifestation of those damages of construction, as well as the detection method of the structural strength and durability of industrial and civil construction., which lay the foundation of authentication and reinforcement of concrete construction. Key wards: concrete construction; reaction mechanism; detection E-mail:anyeruge_9401@https://www.doczj.com/doc/d08610143.html, 引言 建筑结构的检测、鉴定与加固是当代建筑结构领域的热门技术之一，它包含了结构检测、结构鉴定、结构加固三个方面的知识和技能。多数情况下结构的检测是结构鉴定的依据，鉴定过程中要进行相关的检测工作。而结构的检测和鉴定又往往是结构加固的必要前提。 1.混凝土结构的损坏机理 混凝土结构是钢筋混凝土结构、预应力混凝土结构和素混凝土结构的总称，也是目前我国应用最广泛的一种结构形式。在讨论混凝土结构的检测前先了解混凝土结构的损坏机理是有益的。混凝土是结构工程中广泛应用的一种工程材料，它具有较高的抗压强度，但它的抗拉强度较低，因而在混凝土结构的受拉区通常都要配置抗拉强度较高的钢筋。因此混凝土结构的损坏，既包含了混凝土的风化和侵蚀，又包含了钢筋的锈蚀，在多数情况下，钢筋的锈蚀更为突出。 1.1混凝土结构中钢筋的锈蚀机理 为了保证混凝土结构的耐久性，受力钢筋在混凝土结构中规定了混凝土保护层最小厚度。混凝土保护层具有防止钢筋锈蚀的保护作用，这是因为混凝土中水泥水化产物的碱性很高，pH值为12～13，在这种高碱性的环境中，钢筋表面形成一层致密的氧化膜处于钝化状态，从而防止了混凝土中钢筋的锈蚀。 但是，通常钢筋混凝土结构是带裂缝工作的，即使处在正常使用阶段，在受拉区的混凝土仍会出现裂缝，但裂缝的宽度受到限制。过去认为混凝土开裂后，裂缝处的钢筋会逐步锈蚀，但是混凝土结构规范的耐久性专题研究组经过大量调查发现，尽管混凝土的裂缝宽度达到0.4 mm以上，只要构件处于干燥的环境，裂缝处的钢筋几十年也没有出现锈蚀的现象。只有在潮湿的环境，在有水和氧气侵入的条件下，钢筋才会锈蚀。首先形成氢氧化铁，随着时间的推移，一部分氢氧化铁进一步氧化，生成疏松的、易剥落的沉积物——铁锈，铁锈的体积膨胀（一般增加2～4倍）可把混凝土保护层胀开，而使钢筋外露。 随着钢筋锈蚀的发生，混凝土开裂、剥落，钢筋和魂混凝土的粘结力就不断丧失、钢筋截面积减小、承载力下降，从而降低了结构的安全程度，结构损坏事故就有可能发生。

不同类型的水对混凝土冻融破坏的影响

龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/d08610143.html, 不同类型的水对混凝土冻融破坏的影响 作者：杨鹏飞 来源：《科技创新与应用》2013年第20期 摘要：文章论述了混凝土冻融破坏问题的重要性，着重研究影响混凝土冻融破坏因素中 不同类型的水对混凝土冻融破坏的影响，总结对混凝土冻融破坏的认识，为解决实际工程中冻融对混凝土的影响提供相关借鉴。 关键词：混凝土；冻融破坏；耐久性 1 混凝土冻融破坏现状 我国地域辽阔，在寒冷冬季的北方地区，尤其东北三省、内蒙古、以及西北五省等省市 自治区，气温均在零度以下。而混凝土在零度以下的环境中易发生冻融破坏，这些地区的混凝土结构破坏基本上均与冻融相关[1]。 2008年初，我国长江以南大部分地区持续冰冻灾害，由于持续的冰冻天气，混凝土输电 塔出现不同程度的结冰现象，在长江以南地区出现这样的现象让人难以预料。无论是冬季严寒的北方，还是特殊情况下的南方，冻融破坏的现象在全国各地均有存在，并且对混凝土耐久性造成了极大的影响。研究冻融破坏对混凝土的影响，对混凝土耐久性研究具有重要意义。 2 混凝土冻融破坏机理研究状况 混凝土的冻融破坏，是一系列物理变化的结果。从大约二十世纪中叶开始，美国与欧洲等科技较为领先的国家或地区均注重研究混凝土冻融破坏机理，并且提出了多种混凝土冻融破坏理论[2]。在此领域以T.C.Powers为代表的理论成为最基本的混凝土冻融破坏理论。截止目前，混凝土的冻融破坏基本理论[3]有膨胀压、渗透压、水的离析成层等理论，但目前学术界 认可度比较高的，仍然是膨胀压理论和渗透压理论。 2.1 膨胀压力理论 混凝土一般是在集料中掺入适当比例的水与水泥，并且引入适当的外加剂所共同组成的。一方面无论是何种集料，在其内部总会或多或少地存在一定的孔隙；另一方面混凝土在拌合、浇筑、振捣和成型过程中，也会残留一定的孔隙。混凝土的这些孔隙中经常含有水，当温度低于零度时，毛细孔中的水会生成冰。由于水冻结成冰体积会增大约9%，随着外界环境温度的逐渐降低，越来越多的水逐渐变成体积膨胀的冰，未结冰的水持续受压，由于四周密闭而无处流动，使得混凝土毛细孔中逐渐产生越来越大的内应力。此内应力积累到一定程度，便会逐渐平衡混凝土内部所能承受的最大涨裂应力，进而使混凝土因涨裂产生破坏。 2.2 渗透压力理论

混凝土损伤理论的分析研究

SHANGHAI UNIVERSITY 结构非线性分析课程论文 UNDERGRADUATE PROJECT (THESIS) 题 目:钢筋混凝土结构有限元分析及其断裂损伤理 论应用 学 院 土木工程系 专 业 建筑与土木工程 学 号 xxxxxxxx 学生姓名 xxx 指导教师 xx 日 期 2017.12.24

上海大学2017～2018学年冬季学期研究生课程考试 小论文 课程名称：结构非线性分析课程编号：18Z147004 论文题目:钢筋混凝土结构有限元分析及其断裂损伤理论应用 研究生姓名: xxx 学号: xxxxxxxx 论文评语: 成绩: 任课教师: xx 评阅日期:

目录 一混凝土损伤理论的研究背景 (1) 二国内外对混凝土损伤理论的研究现状 (2) 1）国外混凝土损伤理论研究现状 (2) 2）国内混凝土研究现状 (2) 三混凝土损伤理论研究中的问题和研究方法 (3) 1）试验条件相差较大时混凝土的本构关系将发生变化 (3) 2）复杂的多轴应力状态下的损伤理论 (3) 3）试验难度大 (3) 4）研究方法 (3) 四钢筋混凝土非线性损伤理论及有限元法 (4) 1）混凝土非线性本构模型 (4) 2）规范中的混凝土损伤理论 (5) ①混凝土单轴受压时的本构模型及dc的选取 (5) ②混凝土单轴受拉时的损伤理论 (6) 2）ABAQUS算例 (6) ①混凝土塑形损伤模型 (6) ②数值分析 (7) 五研究成果与创新 (8) 1)当今国际的研究成果 (8) 2)理论研究的新进展 (8) 3)在有限元中的应用 (8) 六研究混凝土损伤理论的意义和结论 (9) 1)社会意义 (9) 2)经济效益 (9) 3)结论 (9) 七展望 (9) 八建议 (10)

混凝土复习题目

一单选题 1. 混凝土构件的平均裂缝间距与下列哪个因素无关（ A）。 (4.0 分) a 混凝土强度等级 b 混凝土保护层厚度 c 纵向受拉钢筋直径 d 纵向钢筋配筋率。 2. 混凝土的组成结构为 A (4.0 分) a 水泥、石、砂、水 b 水泥、石、粉煤灰、水 c 水泥、石、砂、粘土 d 水泥、矿渣、砂、水 3. 为了避免斜拉破坏，在受弯构件斜截面承载力计算中，通过规定下面哪个条件来限制（D ）。 (4.0 分) a .规定最小配筋率 b 规定最大配筋率 c 规定最小截面尺寸限制 d 规定最小配箍率。 4. ．普通钢筋混凝土结构裂缝控制等级为（ C）。 (4.0 分) a 一级 b 二级 c 三级 d 四级

5. 配有普通箍筋的钢筋混凝土轴心受压构件中，箍筋的作用主要是（ C）。 (4.0 分) a 抵抗剪力 b 约束核心混凝土 c 形成钢筋骨架，约束纵筋，防止纵筋压曲外凸 d 以上三项作用均有。 6. 混凝土的弹性模量是指 A (4.0 分) a .原点弹性模量 b 切线模量 c 割线模量 d 变形模量 7. 与素混凝土梁相比，钢筋混凝上梁承载能力 B (4.0 分) a 相同 b 提高许多 c 有所提高 d 不确定 8. （ A）作为受弯构件抗裂计算的依据 (4.0 分) a Ⅰa状态 b Ⅱa状态 c Ⅲa状态 d 第Ⅱ阶段。 9. 下列哪项不属于钢筋混凝土结构的优点 C (4.0 分) a 充分利用钢筋的抗拉强度和砼的抗压强度，节约钢材，降低成本

b 可模性好，根据要求可浇筑成任何形状 c 自重大 d 材源广泛，易于就地取材，成本合理。 10. 偏压构件的抗弯承载力（D ）。 (4.0 分) a 随着轴向力的增加而增加 b 随着轴向力的减少而增加 c 小偏压时随着轴向力的增加而增加 d 大偏压时随着轴向力的增加而增加。 二判断题 1. 钢筋混凝土受弯试件的刚度随配筋率ρ 的降低而增大A (4.0 分) a 错 b 对 2. 轴心受压构件中的箍筋应作成封闭式的。B (4.0 分) a 错 b 对 3. 对截面形状复杂的柱，不得采用具有内折角的箍筋，以避免箍筋受拉时产生向外的拉力，使折角处混凝土破损。 B (4.0 分) a 错 b 对 4. 梁剪弯段区段内，如果剪力的作用比较明显，将会出现弯剪斜裂缝。A (4.0 分) a 错 b 对

对混凝土冻融破坏的几点看法

对混凝土冻融破坏的几点看法 发表时间：2009-09-30T08:36:14.000Z 来源：《农民致富之友》2009年第3-4期供稿作者：王敏[导读] 我国幅员辽阔，环境条件复杂 我国幅员辽阔，环境条件复杂，尤其我省冬季漫长,结冰期达200d以上,严寒日达100多天,冻土深度为1·5~3·0m,最冷的1月份个别地区最低气温达-40℃以下,是全国气温最低的省份。在如此高寒气候环境下,混凝土防渗渠道冻害破坏十分普遍。混凝土的冻融破坏严重影响了建筑物的长期使用和安全运行，为使这些工程继续发挥作用和效益，各部门每年都耗费巨额维修费用，而这些费用为建设费用的1～3 倍，不仅影响工程的正常运行和效益的发挥,还造成人力、物力和财力的严重浪费。如何更好的解决这一问题，笔者通过调查做以下分析； 一、混凝土冻融破坏机理分析 混凝土的抗冻性是混凝土受到的物理作用（干湿变化、温度变化、冻融变化等）的一方面，是反映混凝土耐久性的重要指标之一。吸水饱和的混凝土在其冻融的过程中，遭受的破坏应力主要由两部分组成。一是当混凝土中的毛细孔水在某负温下发生物态变化，由水转变成冰，体积膨胀９％，因受毛细孔壁约束形成膨胀压力，从而在孔周围的微观结构中产生拉应力；二是当毛细孔水结成冰时，由凝胶孔中过冷水在混凝土微观结构中的迁移和重分布引起的渗管压。 二、混凝土冻融破坏的影响 它的影响因素为多方面。一是组成混凝土的主要材料性质的影响，如水泥品种、水泥中不同矿物成份对混凝土的耐久性影响较大；二是外加剂的影响，在混凝土施工过程中掺入引气剂或减水剂对改善混凝土的内部结构，改善混凝土的内部孔隙结构可起到缓冲冻胀的作用，提高混凝土的抗冻性；三是施工工艺影响，配合比、混凝土的施工、硬化条件等都与混凝土的耐久性有密切的关系;四是防止受水位变化影响，寒冷季节水位变化会引起混凝土的严重冻融破坏需采取有力措施防止；五是控制施工质量，混凝土施工质量的好坏，将影响它的抗冻性，必须严把质量关，不允许出现蜂窝、麻面，力求密实，表面光滑。 三、混凝土渠道防渗防治冻害的措施 一是避免冻胀。1.尽可能避开粘质土壤，松软土层、淤泥沼泽和高地下水位的地段，选择透水性较强的不易产生冻胀或地下水位埋藏较深的地段，将混凝土渠底冻结层控制在地下毛管水补给高度以上。2. 尽可能采用填方渠道3 .渠线选择在地形较高的脊梁地带。4.有渗水和地面回归水入渠的渠段，尽量有排水设施。 二是削减冻胀。1.换填法。在冻结深度内将混凝土板下的冻胀性土换成非冻胀性材料如碎石、砂砾等。2.隔热保温。将隔热保温材料布设在混凝土板衬砌体背后，减轻或消除寒冷，并可减少换填垫层深度，隔断下层土的水分补给，从而减轻或消除渠床的冻深和冻胀。(作者单位：152013 黑龙江省绥化市北林区永安满族镇农业服务中心）

混凝土冻融循环破坏研究进展

第26卷 第6期Vo l 126 No 16材 料 科 学 与 工 程 学 报Jo urnal o f Mater ials Science &Eng ineer ing 总第116期Dec.2008 文章编号:1673-2812(2008)06-0990-05 混凝土冻融循环破坏研究进展 张士萍,邓 敏,唐明述 (南京工业大学材料科学与工程学院,江苏南京 210016) =摘 要> 本文对目前混凝土冻融破坏研究新进展进行了全面综述,介绍了已有的关于冻融破坏机理的几种 假说,并且对静水压理论和渗透压理论的适用条件以及合理性提出了质疑。同时论述了孔结构、饱水度、含气量和环境条件对冻融破坏的影响,国内外冻融循环试验方法和判据以及预防冻融破坏的措施。 =关键词> 混凝土;冻融循环;机理 中图分类号:T U 528 文献标识码:A Advance in Research on Damagement of Concrete Due to Freeze -thaw Cycles ZHANG Sh -i ping,DENG Min,TANG Ming -shu (College of Materials Science and Engineering,Nanjing University of Technology,Nanjing 210009,C hina) =Abstract > T he advance in research on damag ement o f co ncr ete caused by freeze -thaw cycles is reviewed.T he ex isting hy po theses fo r deter io ratio n of concrete due to fr eeze -thaw cycles is discussed,and ther e is do ubt on the applicability and ratio nalit y of hydraulic pressur e and osmo tic pressur e.T he effect o f pore st ruct ur e,w ater satur ation,air -entr aining and env iro nmental co nditions o n f reeze -thaw damag ement,the testing methods and cr iteria fo r fr eeze -thaw cycles and prev entiv e measures ar e also present ed. =Key words > concrete;f reeze -thaw cycles;mechanism 收稿日期:2007-11-14;修订日期:2008-03-03 作者简介:张士萍(1982-),女,江苏南京人,博士研究生,从事水泥混凝土耐久性方面的研究。E -m ail :zhang shipi ng1982@126.co m. 1 引 言 混凝土用于工程建设迄今已有150年左右的历史。人们对混凝土性能的改善和提高随着工程实践的增多和科学技术的发展而不断完善。随着时间的推移,人们认识到已建工程并非都是耐久的,远低于设计寿命、过早破坏的事例层出不穷。这些过早/衰老0的工程不仅需要耗用庞大的重建与维修费用,还会造成间接经济损失和安全隐患,专家们把这种现象称为/混凝土耐久性危机0,发达国家已经为此付出了巨大代价。 抗冻性是混凝土耐久性的最重要的指标之一。因此,工程界对提高混凝土抗冻性非常关心。混凝土的抗冻耐久性引起国内外众多学者的兴趣,不仅因为它是影响混凝土使用寿命与性能的一个非常重要的因素,同时也因为混凝土的冻害发生的范围极其广泛。我国地域辽阔,有相当大的地区处于严寒地带,不少水工建筑物出现了冻融破坏现象。寒冷地区的水工、港工、道路和桥梁等工程中的混凝土 结构物或构筑物在冻融循环作用下的冻融破坏是运行过程 中的主要病害[1]。但是,目前关于混凝土冻融破坏机理众说纷纭,高性能混凝土抗冻性试验结果也不一致。这使得在工程实践中对如何提高混凝土抗冻性,以及对掺粉煤灰混凝土在一些重要工程部位的应用是否适当等问题存在不同看法。 2 冻融破坏机理 混凝土的冻融破坏过程是比较复杂的物理变化过程。 一般认为,冻融破坏主要是因为在某一冻结温度下,水结冰产生体积膨胀,过冷水发生迁移,引起各种压力,当压力超过混凝土能承受的应力时,混凝土内部孔隙及微裂缝逐渐增大,扩展并互相连通,强度逐渐降低,造成混凝土破坏[2]。 目前提出的冻融破坏理论主要有静水压经典理论、渗透压理论、冰棱镜理论、基于过冷液体的静水压修正理论、饱水度理论等等[3-7]。但目前公认程度较高的,仍是由美国学者T.C.Po wer s 提出的膨胀压理论和渗透压理论,他认为

钢筋混凝土梁受弯破坏机理尺寸效应试验研究

文章编号: 1005- 0930( 2012) 06-1051-012 d o i : 10． 3969 / j ． i ss n ． 1005-0930． 2012． 06． 011 中图分类号: T U 375． 1 文献标识码: A 钢筋混凝土梁受弯破坏机理 尺寸效应试验研究 周宏宇， 李振宝， 杜修力， 郭二伟 ( 北京工业大学建筑工程学院，北京 100124) 摘要: 针对尺寸效应特性对梁构件受弯破坏的影响机理，对不同截面尺寸简支梁 相似试件开展单调加载试验，测试构件在不同加载阶段的承载力、挠度和截面应 变等试验数据． 按不同加载阶段分析其力学性能的影响因素，并阐述其破坏机理 的尺寸效应． 试验分析表明，混凝土材料抗压特性在受弯构件力学性能中表现为 负面尺寸效应，这种负面尺寸效应对构件整体力学行为的影响并不显著． 相比之 下，内力臂和钢筋等因素对试件承载力和延性均产生显著的正面影响． 随截面尺 寸增大，受弯承载力和延性均呈增长趋势． 根据试件在不同尺度上表现出的显著 破坏特征和实测数据，推导相关计算参数随试件尺寸的关系，建立考虑尺寸效应 的极限承载力计算方程． 同时也验证了现有极限承载力计算理论的安全性． 关键 词:钢筋混凝土梁;抗弯性能;尺寸效应;试验研究;破坏机理 现阶段对钢筋混凝土结构的设计依据主要基于小尺寸构件试验结果，这与工程实际 使用的大构件存在差异． 目前，在实验室开展大体积的钢筋混凝土结构试验依然比较困 难，相关试验对加载设备性能、边界条件模拟等都不同于常规试验． 就钢筋混凝土梁正截 面承载性能而言，虽然部分结论认为梁受弯破坏由受拉纵筋屈服引起，尺寸效应对钢筋混 凝土梁受弯承载性能影响不显著［1-5］． 但相关结论大部分基于小尺寸试件试验结果，对大 尺 寸受弯构件承载性能尺寸效应的细致分析资料更为欠缺． 此外，受弯构件正截面承载性 能还受到构件层次尺寸效应的影响． 就尺寸效应而言，无论是混凝土材料的影响还是构件 因素发挥作用，在构件受力过程中，如何评价其影响程度，均需开展细致研究工作才能解 决． 因此，有必要开展对受弯构件正截面破坏机理尺寸效应的分析研究． 试验概况 依据钢筋混凝土结构设计原理［6-13］，试验试件采用简支梁，如图 1 所示，纯弯段 l 是 1 m 试验观察的主要区段，该区段只有弯矩 M 作用． 结合相似关系，共设计 5 组不同尺寸的简 收稿日期:2011- 08-01;修订日期:2011-12-05 基金项目:国家自然科学基金重点项目( 50838001) ; 北京工业大学青年科学研究创新平台项目( X1004012201001) ; 北

钢筋混凝土冻害事故分析与处理[详细]

钢筋混凝土冻害事故分析与处理 蚌埠市某综合加工楼在结构施工期间,由于缺乏冬期施工措施,致使屋面结构大面积严重冻损,后经加固处理,取得了良好的结果. 第1章工程概况 该工程总面积3316米2,全部为现浇钢筋混凝土梁、板、柱框架结构.1月份浇灌屋面混凝土,采用矿渣硅酸盐水泥,骨料为河砂、卵石,施工使用钢模板.浇灌混凝土当日气温为5℃左右,下午因大风气温降至－5℃以下.操作中途振捣器损坏,仍继续施工,完工后也未进行保温养护.因为急于归还模板,在低温情况下,提前拆模.拆模时即发现板反面呈麻面状,但未引起注意.春节后检查,发现板面剥落,裂缝很多. 第2章钢筋混凝土冻害分析 现场检查混凝土有以下冻害现象： 1.板面剥落.板面剥落正反两面都存在.板反面覆盖着一层白色的钙化物,用手擦时表层呈粉状脱落并形成麻面.板正面疏松,用木板刮时表层剥落,露出的石子稍加晃动即脱离.混凝土剥落的原因可能是混凝土硬化初期,了由于振捣和抹平,在板表面形成了含水泥量较多的不透水致密层;另一方面固体颗粒下沉挤密和混凝土硬化收缩后产生泌水,泌出的水由于温度低,不易被蒸发而积存在表层的下边,形成局部多孔体.如果气温下降,则多孔质部分的自由水结冰冻胀,从下向上推挤表层,从而使板面剥落.剥落使板的有效厚度减小 ,刚度降低,其次板面密实性差,易渗漏水造成板内钢筋锈蚀,影响结构的耐久性. 2.混凝土强度降低.用回弹仪进行普遍检测,混凝土强度等级大部在C10~C13之间,个别较差部位低于C6.对回弹仪测定强度等级低于C8部位凿取块体试压,强度等级低于C6,其它部位凿取块体试压,强度等级约为C10,表明混凝土强度普遍低于设计强度等级C18.观察混凝土内部时发现,在强度等级比较低的部位,混凝土骨料砾石表面有明显的结冰痕迹,敲击易碎,且与钢筋几乎没有粘结力.其它部位虽未见明显结冰痕迹,但混凝土内部多孔隙,且较大 ,说明混凝土水灰比过大 .另一方面搅拌振捣也比较马虎. 混凝土强度降低的原因是混凝土硬化过程中,水和水泥矿物的化学反应随水的活性下降而减弱,但水的活性又随温度的变化而改变,水结冰,水化反应停止.水的冰点温度为0℃,但混凝土混合物中的水总是要溶解一些其它物质,因此水的冰点温度低于0℃,约为－1℃.在低温环境中浇灌混凝土,由于混凝土在硬化前冻结,所以水化反应很弱,同时新生成的水化物初始结构强度也低,不足以抵抗冻胀力,因而使混凝土内部结构遭到破坏.随着温度回升,混凝土中水化反应又恢复,结构强度不断提高,抗冻融能力也增强,但终因混凝土初始阶段强度已遭损伤而使强度下降.如果混凝土中水灰比过大 ,搅拌不匀,振捣不实,混凝土中孔隙和自由水增加,混凝土混合物中水的冰点温度会相应提高,故易遭到反复冻融,导致内部结构不断损伤,此时混凝土抗拉强度和与钢筋的粘结强度也会大大降低,混凝土变得疏松易碎. 3.裂缝情况.由于收缩和冻胀,板面不规则的网状龟裂较多.比较大的裂缝分布如图7-14-1所示,缝宽为0.l~0.5米米.贯通的裂缝所在板反面覆盖着一层白色的矿物质,略呈咸味.板面混凝土硬化收缩和温度变化引起的收缩,受到楼面结构梁、柱和板相互约束产生的应力,当混凝土抗拉强度低于收缩应力时,便产生了裂缝.由于水沿贯通性的裂缝渗流,混凝土中的矿物盐溶解于水并渗流到板反面凝固,从而沿缝形成一层白色的矿物盐.

混凝土冻害事故分析与处理

钢筋混凝土冻害事故分析与处理 陕西恒源矿业公司浸出过滤车间厂房，2006年建设时主体部分冬季在结构施工期间，由于缺乏冬期施工措施，致使屋面结构大面积严重冻损，后经加固处理，取得了良好的结果。 一、工程概况 该工程总面积1620m2，全部为现浇钢筋混凝土梁、板、柱框架结构。1月份浇灌屋面混凝土，采用矿渣硅酸盐水泥，骨料为河砂、卵石，施工使用钢模板。浇灌混凝土当日气温为5℃左右，下午因大风气温降至－5℃以下。操作中途振捣器损坏，仍继续施工，完工后也未进行保温养护。因为急于归还模板，在低温情况下，提前拆模。拆模时即发现板反面呈麻面状，但未引起注意。春节后检查，发现板面剥落，裂缝很多。 二、钢筋混凝土冻害分析 现场检查混凝土有以下冻害现象： 1.板面剥落。板面剥落正反两面都存在。板反面覆盖着一层白色的钙化物，用手擦时表层呈粉状脱落并形成麻面。板正面疏松，用木板刮时表层剥落，露出的石子稍加晃动即脱离。混凝土剥落的原因可能是混凝土硬化初期，了由于振捣和抹平，在板表面形成了含水泥量较多的不透水致密层；另一方面固体颗粒下沉挤密和混凝土硬化收缩后产生泌水，泌出的水由于温度低，不易被蒸发而积存在表层的下边，形成局部多孔体。如果气温下降，则多孔质部分的自由水结冰冻胀，从下向上推挤表层，从而使板面剥落。剥落使板的有效厚度减小，刚度降低，其次板面密实性差，易渗漏水造成板内钢筋锈蚀，影响结构的耐久性。 2.混凝土强度降低。用回弹仪进行普遍检测，混凝土强度等级大部在C1 0~C13之间，个别较差部位低于C6。对回弹仪测定强度等级低于C8部位凿取块体试压，强度等级低于C6，其它部位凿取块体试压，强度等级约为C10，表明混凝土强度普遍低于设计强度等级C18。观察混凝土内部时发现，在强度等级比较低的部位，混凝土骨料砾石表面有明显的结冰痕迹，敲击易碎，且与钢筋几乎没有粘结力。其它部位虽未见明显结冰痕迹，但混凝土内部多孔隙，且较大，说明混凝土水灰比过大。另一方面搅拌振捣也比较马虎。 混凝土强度降低的原因是混凝土硬化过程中，水和水泥矿物的化学反应随水的活性下降而减弱，但水的活性又随温度的变化而改变，水结冰，水化反应停止。水的冰点温度为0℃，但混凝土混合物中的水总是要溶解一些其它物质，因此水的冰点温度低于0℃，约为－1℃。在低温环境中浇灌混凝土，由于混凝土在硬化前冻结，所以水化反应很弱，同时新生成的水化物初始结构强度也低，不足以抵抗冻胀力，因而使混凝土内部结构遭到破坏。随着温度回升，混凝土中水化反应又恢复，结构强度不断提高，抗冻融能力也增强，但终因混凝土初始阶段强度已遭损伤而使强度下降。如果混凝土中水灰比过大，搅拌不匀，振捣不土中孔隙和自由水增加，混凝土混合物中水的冰点温度会相应提高，故易遭到反复冻融，导致内部结构不断损伤，此时混凝

浅析混凝土冻融破坏及治理措施

描述：本文分析了混凝土的冻融破坏及影响混凝土抗冻性能的因素，并介绍唐河灌区在实践中处理混凝土的冻融破坏的方法。 摘要：本文分析了混凝土的冻融破坏及影响混凝土抗冻性能的因素，并介绍唐河灌区在实践中处理混凝土的冻融破坏的方法。 一、引言 混凝土是当代最主要的土木工程材料之一。由于其良好的抗渗性、耐久性及原材料来源广且生产工艺简单、能耗低的特点被广泛应用于渠道衬砌及渠系建筑物的改造中。 唐河灌区在续建配套与节水改造工程中就大量的使用了混凝土及钢筋混凝土。起到了很好的防渗及抗冲效果，使全灌区渠道轮灌周期减少了5～7天。已实施的灌区节水工程衬砌段渠道水利用系数平均提高0.156，全灌区渠道水利用系数由0.42提高到0.443，减少了水量的损失。但是我们也应该看到由于混凝土结构的工作环境比较恶劣，必然受到水流、气温、风砂等的影响。当野外温度较低时，混凝土会因为冻融循环而发生破坏，由此需要很大的代价来维修和重建，这已成为灌区反复投入大量的人力、物力而未能根本解决的问题之一，造成极大的浪费。 二、混凝土的冻融破坏 （一）冻融破坏的特征 表面剥落是混凝土发生冻融破坏的显著特征，严重时可能露出石子。在混凝土受冻过程中，冰冻应力使混凝土产生裂纹。冰冻所产生的裂纹一般多而细小，因此，在单纯冻融破坏的场合，一般不会看到较粗大的裂缝。但是，在冻融反复交替的情况下，这些细小的裂纹会不断地扩展，相互贯通，使得表层的砂浆或净浆脱落。冻融破坏不仅引起混凝土表面剥落，而且导致混凝土力学性能的显著降低。大量试验研究表明：随着冻融次数的增加，混凝土的强度特性均呈下降趋势，其中反映最敏感的是抗拉强度和抗折强度，即随着冻融次数的增加，混凝土的抗拉强度和抗折强度迅速下降，而抗压强度下降趋势较缓。 （二）影响混凝土抗冻性的因素 混凝土的抗冻性是指混凝土在含水饱和状态下能经受多次冻融循环而不破坏，同时强度不严重降低的性能而且其质量也不显著减小的性质。影响混凝土抗冻性能的因素有以下几个方面的：一是水泥的品种；二是骨料的性质；三是混凝土的密实度；四是混凝土的强度等级；五是混凝土的孔隙构造和数量以及孔隙的

水工建筑物混凝土的冻融破坏及防治

水工建筑物混凝土的冻融破坏及防治 【摘要】通过对混凝土的冻融破坏机理及影响因素分析，提出了水工建筑物混凝土冻融破坏的防治措施，原则上应为防重于治，以达到或延长工程的使用寿命。 【关键词】防治；混凝土；冻融破坏；水工建筑物 The jelly of water work building concrete melt to break and prevention and cure Yao Hong (Tulufan Xinjiang Marine hydraulic engineering quality direct station Tulufan Xinjiang 841000) 【Abstract】Pass to freeze concrete to melt to break mechanism and impact factor analysis, put forward the concrete jelly of the water work building to melt break of prevention and cure measure, in principle should for defend heavy in cure to attain or extension engineering of service life. 【Key words】Prevention and cure;Concrete;The jelly melt to break;Water work building 1. 前言 水工建筑物多以混凝土结构组成，而这些混凝土结构多处在气候恶劣的环境中，受泥沙、水流、物理、化学、气温等影响因素颇多。混凝土的破坏以、冻融破坏为常见，致使许多水工建筑物的运行寿命大为缩短，造成极大浪费。如某灌区混凝土渠某些地段也发生严重冻融破坏等等，所以有必要进一步探讨水工建筑物混凝土的冻融破坏机理及防治措施。 2. 混凝土冻融破坏机理分析 混凝土的抗冻性是混凝土受到的物理作用（干湿变化、温度变化、冻融变化等）的一方面，是反映混凝土耐久性的重要指标之一。对混凝土的抗冻性不能单纯理解为抵抗冻融的性质，不仅在严寒地区混凝土建筑物有抗冻的要求，温热地区混凝土建筑物同样会遭到干、湿、冷、热交替的破坏作用，经历时间长久会发生表层削落，结构疏松等破坏现象，都发生过不同程度的冻融破坏。所以对混凝土的冻融破坏的研究显得尤为重要。对混凝土冻融破坏的机理，目前的认识尚不完全一致，按照公认程度较高的，由美国学者T．C．Powerse提出的膨胀压和渗透压理论，吸水饱和的混凝土在其冻融的过程中，遭受的破坏应力主要由两部

混凝土冻融损伤过程研究

广东建材2018年第9期 混凝土冻融损伤过程研究 马开志 （中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司） 【摘要】总结了混凝土冻融损伤机理的理论；结合相关学者的冻融损伤实验，分析了冻融循环过程中混凝土材料内部水分的状态转换及含量变化过程；探讨了在温度变化情况下，冰的热胀冷缩性质对混凝土冻融损伤的影响；论述了混凝土材料冻融损伤的过程。 【关键词】混凝土；冻融循环；损伤过程 1引言 混凝土的抗冻性是混凝土耐久性最重要的指标之一[1]。在寒冷地区，当建筑物环境温度和湿度变化较大时，混凝土材料必须具有足够的抗冻性。长期以来，通过对实践经验的总结和混凝土材料性能的研究，工程界已经基本掌握了提高混凝土的抗冻性能，控制混凝土结构的冻害程度的技术，例如在混凝土配合比设计时控制水灰比、引入含气剂等。但是，目前学术界对混凝土的冻融损伤过程仍不十分清楚，在混凝土冻融损伤机理方面的研究进展缓慢，国内外很多学者虽然提出了各种假说，但还没能形成共识。 2混凝土冻融破坏理论 最早开始混凝土冻融损伤机理研究的是美国学者T.C.powers，他在1945年提出了混凝土材料冻融损伤的静水压理论[2,3]，认为在水分冻结过程中，混凝土内部的水分由气泡向外部空隙移动，激发巨大的静水压力导致混凝土的破坏。在提出了静水压力理论后，Powers 在试验中发现，水泥浆体中的水在冻结时并不是向外排出，而是向着冰冻区移动，基于这一现象，Powers和Helmuth于1953年提出了混凝土的冻融损伤机理的渗透压理论[4]。 在19世纪70年代，瑞典学者Fagerlund提出了临界饱和湿度的概念。认为对空隙材料存在一个临界的饱和湿度，当气泡中的湿度超过这个临界饱和湿度时，即使冻融一次，也会导致材料退化甚至产生裂缝。临界饱和湿度的概念是基于静水压理论提出来的，由于它的一般性，使其对所有的冻融损伤理论都适用[5,6]。同时代的G.G.Litvan根据等温吸附理论和实验研究指出，在多孔材料中，气泡中吸附的水分不能在原位冻结。由于气泡内未冻液和气泡外的蒸汽压的差别，会发生解吸附过程，使水分向气泡外迁移。因此，水分不能在气泡中结冻，而是在气泡外部附近发生冻结。但当温度低于-20℃时，周围小空隙的中的水分将会向大气泡中流动并在其中冻结[7,8]。 M.J.Setzer根据空隙中的未冻水、蒸汽和冰在冰点以下的三相稳定平衡原理，提出了冻融破坏的微观冰棱镜理论[9]。认为在冻融循环过程中，温度变化会产生活塞效应，在温度降低时将凝胶孔中的水分挤出至微冰晶部分冻结，而升温时吸入周围环境中的水分。微观冰晶则像一个阀门一样，阻碍水分的流动。活塞效应使混凝土湿度不断增大，最终冰的膨胀造成混凝土的破坏。 Bernard Erlin和Bryant Mather考虑了冰的体积随温度变化的特点，综合静水压力和渗透压力理论，分析了混凝土冻融破坏过程[10]。认为在冻融循环的降温过程中，冰的体积收缩所产生的新的空间使周围的水分向冻结区流动，这构成了渗透压的主要组成部分。 虽然静水压理论和渗透压理论本身还有很多缺陷，例如它们不能解释混凝土在冻结体积不发生变化液体中的冻融破坏，并且两者在水分流动方向上有本质的矛盾，但它们是混凝土抗冻破坏中的经典理论，一般认为，水胶比大、强度较低以及龄期较短、水化程度较低的混凝土，静水压力破坏是主要的；而对水胶比较小、强度较高及含盐量大的环境下冻融的混凝土,渗透压起主要作用[1]。其他的一些理论目前仍在发展中，在学术界还没有取得共识。 3混凝土冻融损伤过程的宏观表象 一般认为，混凝土的循环冻融损伤过程是一个物理 材料研究与应用 15 --