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铺面水泥混凝士抗冻设计指标研究 【摘要】 摘要 以冻融耐久性裂纹和盐冻剥蚀损坏为代表的冻融损坏是冰冻地区铺面水泥混凝土( 以下简 称混凝土) 的主要损坏类型之一。但迄今为止，我国铺面领域尚对之缺乏深入系统研究，铺面 混凝土抗冻技术规定不完善。本文在充分借鉴国内外已有混凝土抗冻技术研究成果及实践经验 基础上，致力于铺面混凝土定量抗冻设计指标与抗冻设计方法的研究，为今后抗冻铺面混凝土 的设计与研究提供参考。 论文首先对两种典型损坏的外观特征、内部形态以及发展特点进行了归纳，对两种损坏的 作用机理进行了分析，在比较基于损坏机理的两种不同抗冻策略优劣的基础上，认为我国铺丽 混凝土应采用以引气技术为核心的抗冻策略；然后在分析引气策略下铺面混凝土抗冻耐久性影 响因素基础匕提出了将铺面混凝土冻融工作环境、使用寿命、混凝土材料抗冻性能及其配合 比参数有机结合的铺面混凝土抗冻设计指标体系，论文的主要内容围绕该指标体系的建立与应 用展开。 自然冻融循环及可能使用除冰盐( 液) 为铺面混凝土冻融环境的主要特点。利用d e s t 软 件生成的年逐时变化气候资料，应用差分法计算铺面混凝土内部的年逐时变化温度，在此基础 上对铺面混凝土自然冻融循环及其特征值进行定义并加以量化分析，统计分析得到根据铺面结 构所在地最冷月平均气温估算铺面混凝土年自然冻融循环次数的估算方程，及冰冻降温速率、 冰冻时长与最低冰冻温度等铺面混凝土自然冻融循环特征参数的统计值。通过比较分析确定了 铺面混凝土普通抗冻性能评价及抗盐冻剥蚀性能评价的试验方法和指标。建立了半定量铺面混 凝土冻融损伤模型，理论推算得到铺面混凝士抗冻标号与自然冻融循环次数之间的定量关系约 为1 ：1 3 9 ，参考实际室内外对比实验结果及考虑一定安全系数，将铺面混凝士抗冻标号与自然 冻融循环次数之间的对应关系取值为1 ：1 3 。应用b p 神经网络与多元非线性回归相结合的方法， 建立了以引气混凝土主要配合比参数为自变量的抗冻标号预估方程。 以上述研究为基础，论文提出了基于气候环境和使用寿命的铺面混凝土定量抗冻设计标 准：设计抗冻标号要求以及对应设计抗冻标号的含气量、水灰比、水泥用量等配合比参数限值 要求。最后结合引气混凝土特性给出了完整的基于定量抗冻设计标准的抗冻铺面混凝土配合比 设计方法和算例，可供铺面混凝士的抗冻定量化设计参考。 关键词：铺面水泥混凝土；抗冻设计指标体系：冻融耐久性裂纹：盐冻剥蚀损坏；差分法：自 然冻融循环；快速冻融试验；抗冻标号；抗盐冻剥蚀试验；冻融损伤模型；b p 神经网 络；多元非线性回归：引气混凝土；混凝土抗冻设计 同济大学博士学位论文 s t u d yo f t h ef r o s tr e s i s t a n c ed e s i g nc r i t e r i af o rp a v e m e n tc e m e n tc o n c r e w a b s t r a c t a b s t r a c t f r e e z e - t h a wd e t e r i o r a t i o n , w h i c hi st y p i c a l l yb e h a v e da st w ot y p e so fd i s t r e s s ：d u r a b i l i t yc r a c k a n dd e i c e rf r o s ts c a l i n g i so 豫o f 仕圮m a i nd a m a g ec a u s e so fc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n ti nf = e 面n g a r e a h o w e v e r , f e w 代辩越c t i e sh a v eb e e nc o n d u c t e di nc h i n aa n dt h e 嘲s t i f 噜s p e c i f i c a t i o n so f f r o s t - r e s i s t a n c ep a v e m e n tc 0 州您t ea r eq u i t ei n s u f f i c i e n t b a s i n go i lac r i t i c a lr e v i e wo ff o r m a lr e s e a r c h r c s u l t sa n dp r a c t i c a la 中e r i 黜，t h eq u a n t i t a t i v ef r o s tr e s i s t a n c ed e s i g nc r r c l i af o rp a v e m e n tc , o n c r c t e a n dc o - - m i x d e s i g nm e t h o dw e t es t u d i e di nt h i sd i s s e r t a t i o n a f t e rad e t a i l e dd e s c r i b i n go ft h es u r f a c ep a t t e r n , i m i d ec h a r d c t 贫a n da g g r a v a t 证gp r o c e s so ft h e t w ot y p e so fd i s t r e s s e s , t h ed a r f l a g em e c h a n i s m sw e r ea l s od i s c u s s e dr e s p e c t i v e l y d e r i v i n gt i o mt h e d a m a g em e c h a n i s mt h e r e 锄陀t w od i f f e r e n tk i n d so fc o t m t e r m e a s u r e st o r e l e a s ec o n c r e t ef r o s t d e t e r i o r a t i o n , b u ta c c o r d i n gt ot h ec u r r e n tt e c h n o l o g ys i t u a t i o ni nc h i n at h ea i r - e n l a a i n e dt e c h n o l o g yi s m o 犯s u i t a b l ef o rp a v e m e n tc ( m 凹e i 己d 聊d i i l gu p o na l r - e n t r a i r l e dt a c t i c , t h ec o m p r e h e n s i v e f r o s t - r e s i s t a n c ed e s i g nc r i t e r i af o rp a v e m e n tc o n c r e t e ，m h i e hi n t e g r a t ep a v e m e n te x t x 蟋i n ge n v i r o n m e n t , p a v e m e n ts e r v i c el i f e , c o n c r e t er 蒯o r m a n c ea n di t sm i xp a r a m e t e r sw i t he a c ho t h e r , w u * t ep u tf o r w a r d t h ef o l l o w i n g 燃hf o c u s e do nh o wt oq u a n t i f yt h ec r i t e r i aa u da p p l yt h e m e x p o s i n gt on a t u r a lf r e e z e t h a wc y c l ea n ds o m e t i m e ss u f f e r i n gf r o md e i c e r 卸弓t h em a i n c h a r a c t e r i s t i c so f p a v e m e n tc o n c r e t ef r e e z i n ge n v i r o n m e n t u t i l i z i n gt h eh o u r l yc l i m a t ed a t ac r e a t e db y d e s ts o r w a r e t h ea n n u a lh o u r l yt e m p e r a t u r e sw i t h i np a v e m e n to m x i 呛w e r ec a l c u l a t e db yf i n i 伦 d i f f e r e n c em e t h o d , a n do a e nt h en a t u r a lf r e e z e - b h a wc y c l eo f p a v e m e n tc o n c i e t ea n di t sp z g d m e t e r s 锄 d e f m e da n dq u a n t i t a t i v e l ya n a l y z e d s oa ne q u a t i o n , w h i c hc a l c u l a t e st h ea n n u a lt i m e so fp a v e m e n t c o n c r e t en a t u r a lf r e e z e - t h a wc y c l ew a sd e v e l o p e da n dt h ec y c l ep a r a m e t e r s , i n c l u d i n gt e m p e r x a r e d e c r e a s i n g s p e e do ff r e e z i i l g ，l e l l g mo ff r e e z i n gt i m ea n dl o w e s tf r e e z i n gt e m p e r a t u r ew e r es t a t i s t i c a l l y c a l c u l a t e d v n r o u g l ls u m m a r i z a t i o na n dc o m p a r i s o n , t h et e s tm e t h o da n de v a l u a t i o ni n d e x e so f t h e c o m m o nf r o s tr e s i s t a n c ea n dd e i c e rf r o s tr e s i s t a n c ep e r f o r m a n c eo fp a v e m e n tc o n c r e t ew e r ec h o o s e a f t e rf o r m a t i o nas e m i - q u a n t i t yc o n c r e t ef r o s td a m a g em o d e l ，t 1 1 eq u a n t i t a t i v er e l a t i o n s h i pb e b v e e r l f r o s tr e s i s t a n c eg r a d ea n dn a t u r a lf r e e z e - t h a wc y c l ew a st h e o r e t i c a l l yd e d u c e dt ob e1 ：1 3 9 ，a n d w i t hc o m p a r e dt of i e l dl e s tr e s u l t sa n ds a f e t yc o n s i d e r i i l gt h i sv a l u ew a ss u p p o s e d 幻b e1 ：1 3 c o m b i n i n gb pn e u r a ln e t w o r kw i t hm u l t i - n o n l i n e a rr e g r e s s i o nm e t h o d , af r o s t - r e s i s t a n c eg r a d e p r e d i c t i n gm o d e l ，w h i c hd e p e n d so n t h em a i n m i xl ：娜 a n l e t e r so f a i r - e n l r a i n e dc o n c r e t e , w a sd e v e l o p e d h a t e 舀a a n gu p w a r d sr e s e a r c hr e s u l t s , t h eq u a n t i t a t i v ef r o s t - r e s i s t a n c ed e s i g nc r i t e r i a , w h i c h i n c l u d e sd e s i g nf r o s tr e s i s t a n c eg r a d er e q u i r e db ys p e c i f i ce n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o na n dp a v e m e n t s e r v i c el i f ea n dc o r r e s i x ) n d i n gv a l u er a n g o f a i rc o n t e n t , w a t e r c e m e n tr a t i oa n dc e m e n tc c m t e n t , w f r e d e t e r m i n e d a tl a s t , t h ew h o l em i xd e s i g nm e t h o do ff r o s tr c s i s t a w ：ep a v e m e n tc o n c r e t ea n da d e m o n s t r a t i o no f t h i sq u a n t i t a t i v ed e s i g np r o c e s sw e r eg i v e n k e y w o r d s ：p a v e m e n tc e m e n tc o n c r e t e ；f r o s t - r e s i s t a n c ed e s i g nc r i t e r i a ；1 ) l l r a b i l i t yc r a c k ； d e i c e rf r o s ts c a l i n g ；研n 洳d i f f e r e n c e ；n a t u r a lf r e e z e - t h a wc y c l e ；r a p i df r e e z i n ga a d t h a w m gt e s t ；f r o s t - r e s i s t a n c eg r a d e ；d e i c e rf r o s tt e s t ；f r m td a m a g em o d e l ；b p n e u r a ln e t w o r k ；m u l t i - n o n l i n e a rr e g r e s s i o n ；a i r - e n t r a i n e dc o n c r e t e ；f r o s t - r e s i s t a n c e c o n c r e t em i xn 蛐印 同济大学博士学位论文 i i 铺面水泥混凝土抗冻设计指标研究 【第一章绪论】 第一章绪论 水泥混凝土( 以下简称混凝士) 通常被认为是一种耐久性材料，但自2 0 世纪7 0 年代以 来，美国等一些国家( 包括中国) 发现，由于耐久性的不足，大量混凝土材料修建的设麓过 早地损坏，造成巨大的经济和社会损失，混凝土耐久性成为当前国际工程界关注的重大课题 【l 州。混凝土的研究，过去过分强调力学性能，现在已全面考虑包括耐久性在内的综合性能， 特别重视混凝土性能在实际使用环境中的变化，混凝土结构的耐久性设计引起了广泛的重 视，其中混凝士的抗冻性是混凝土耐久性的重要指标，混凝士抗冻耐久性设计是混凝土结构 耐久性设计的主要方面之一1 4 ，引。 近年来，国际上已逐渐公认，对于铺面结构的设计仅仅考虑荷载引起的破坏是不够的， 还要考虑环境因素引起的破坏，两者同样重要，环境因素主要指温度和湿度。铺面结构无遮 盖袒露在大气中，长期受风霜雨雪的侵蚀，在冰冻地区，综合温度与湿度共同作用的冻融循 环破坏成为影响铺面混凝土长期耐久性的主导因素p 1 1 l 。所以，为了提高我国冰冻地区水泥 混凝士铺面的使用性能和使用寿命，应重视和加强混凝土抗冻耐久性的研究，铺面混凝土在 原有以力学性能为核心的设计基础上，增加混凝士的抗冻耐久性设计。 混凝土结构耐久不耐久是相对于特定的环境及使用寿命要求而言的，混凝土宏观性能和 微观结构随时间变化而达到使用寿命，是混凝土材料与周围工作环境长期相互作用的结果 l l 。研究铺面水泥混凝土抗冻设计指标，就是在深入分析自然冻融循环对铺面混凝土损坏 作用机理基础上，提出提高铺面混凝土抗冻性能措施，结合铺面混凝土自然冻融循环环境的 特点和使用寿命要求，提出经济合理的保证铺面混凝土在使用寿命内具有足够抗冻耐久性的 抗冻设计标准，进而提出铺面混凝土抗冻耐久性设计方法。 本章作为全文的引言，首先介绍水泥混凝土铺面在我国的使用状况及铺面混凝土冻融损 坏情况的研究背景，明确论文研究的意义；然后分析国内外铺面混凝土抗冻耐久性技术的研 究状况及存在的问题：在此基础上，提出全文的研究目的和主要研究内容，阐明研究所采用 的技术路线及全文的章节安排。 1 i 1 研究背景 1 ，1 研究背景与意义 铺面是铺筑在地表上用以满足运载工具( 汽车、飞机、装载车辆) 的地面行驶要求或堆 载( 各种货物、车辆等) 的地面堆放或停放要求的工程结构物【1 2 l ，主要以公路路面和机场 道面为代表。水泥混凝土是最重要的铺面建筑材料之一。以水泥混凝土为面层材料的铺面， 由于具有刚度大、强度高、使用耐久和日常养护工作量小等优点而成为一种常用的铺面，至 2 0 0 1 年底，全国水泥混凝土路面铺筑里程达1 5 0 1 7 公里，占高等级路面工程的5 9 5 蚶1 3 1 ， 同济大学博士学位论文 铺面水泥混凝土抗冻设计指标研究 【第一章绪论】 我国机场道面更是大部分为水泥混凝土铺面。 在我国冰冻地区，特别是三北地区( 东北、华北以及两北) ，水泥混凝土公路路面和机 场道面都已出现不同程度和范围的冻融损坏：上世纪9 0 年代初的军用机场道面损坏研究中 发现冻融损坏是水泥混凝土机场道面的主要损坏类型之一【1 4 r1 5 l ；2 0 0 1 年进行的东北地区民 用机场道面损坏研究在现场损坏情况调查中发现：所有调查机场均发现不同程度和范围的冻 融损坏，某机场开通不足1 0 年，其道面9 0 以上混凝土板块发生冻融耐久性裂纹损坏，在 某机场停机坪发现较大面积严重的盐冻剥蚀损坏【1 6 l ；黑龙江省交通部门发现，混凝土公路 路面修建7 8 年远没达到路面使用寿命时就遭受较为严重的冻融破坏；为了保证冰冻季节铺 面结构的抗滑性能，使用除冰盐更是将普通混凝土的冻害急剧放大，为了保证冬季亚运会顺 利召开，黑龙江哈绥公路使用大量除冰盐致使整条道路投入运行仅一年就发生大面积盐冻破 坏1 1 7 】，盐冻和冰冻破坏成为北京市立交桥过早损坏的主导原因l l 引。 1 1 2 研究意义 铺面结构无遮盖袒露在大气中，长期受风霜雨雪的侵蚀，冻融损坏是冰冻地区混凝士铺 面( 包括公路路面和机场道面) 的主要损坏类型之一，若混凝土抗冻性能不足，则会引起混 凝士的剥落、开裂甚至整体崩解，对水泥混凝土铺面的功能性能和结构性能都造成很大的影 响，特别在使用除冰盐( 液) 的情况下，混凝土的冻害将被急剧放大，并且这种情况一旦发 生，损坏难以修复，将极大地降低铺面的使用性能和缩短铺面的使用寿命。但迄今为止，我 国铺面领域还没有对混凝士冻融损坏进行深入系统的研究，在相关技术规范中缺乏保证混凝 土铺面抗冻安全性的有效措施，铺面水泥混凝土的抗冻耐久性问题成为我国铺面工程领域急 待解决的技术问题之一。 在我国铺面工程领域全面引入国内外水泥混凝土冻融损坏方面的研究成果与实践经验， 并结合铺面工程的：t = 作环境特点以及我国的气候条件，提出一套科学合理而又较为完整的铺 面水泥混凝土抗冻设计指标与抗冻设计方法。对提高我国冰冻地区水泥混凝土铺面的使用性 能，延长水泥混凝土铺面的使用寿命具有重要意义，特别是在当前我国大规模开展基础设施 建设，西部大开发战略的实施使基础设施大量向环境严酷地区延伸等背景条件下更加具有现 实意义【3 1 。 1 2 研究现状与存在问题 1 2 1 混凝土抗冻技术研究现状 国外对水泥混凝土冻融损坏的研究迄今已有超过6 0 年的历史，研究基本上以1 9 8 0 年为 界分为两个阶段：二十世纪8 0 年代以前，特别是五、六十年代，以美国的p o w e r st c 为代 表的学者对混凝土抗冻性开展了大量研究，研究内容主要围绕混凝土冻融破坏的机理以及以 引气技术为核心的预防措施，取得了大量的成果1 1 ，在这些研究成果基础上，各国制定 了一系列的设计和施工标准以及相应的试验方法【1 1 ；8 0 年代以后，随着混凝土耐久性问题的 同济大学博士学位论文 2 铺面水泥混凝十抗冻设计指标研究【第一章绪论】 日益突出，混凝士冻融破坏作为影响混凝土耐久性的主要因素之一，成为混凝土耐久性研究 的重点，同时，与结构使用环境与使用寿命有机结合的耐久性研究方法也成为混凝土冻融损 坏研究的基本方法，形成了图1 1 所示的混凝土抗冻技术基本框架。 li 工 = = = 刮环境对混凝士作用k = = =混 作 il 凝 环 u 十 境 剖抗冻性能评价k 冻 与 融 设破 计 o 坏 寿机 命 刮混凝士抗冻设计卢 理 图1 1 、混凝土抗冻技术基本框架 国内对水泥混凝土抗冻耐久性较为关注的是港工、水工以及水泥混凝土材料研究部门， 制定过一些水泥混凝土抗冻性指标方面的部门规范。1 9 9 6 年国家计委和科技部组织了“九 五”重点科技公关项目“重点工程混凝土安全性研究”，通过跨行业联合公关，在水泥混凝 土的抗冻安全性方面取得了一些成果l lj 。 混凝土冻融破坏机理是混凝土抗冻技术的基础。混凝七遭受冻融破坏的机理，虽有许多 学者进行了大量研究，提出各种假说，但尚未完全研究清楚，对混凝土冻融破坏机理的研究 还在不断的探索之中，所以目前混凝士冻融破坏机理的研究成果更多地是应用于定性地分析 影响混凝士抗冻性能的各类复杂因素对混凝土抗冻技术的定量分析还不能完全建立在严格 的理论推导基础上，许多方面还需要依赖于室内模拟试验与统计分析技术：混凝土抗冻性能 的好坏是相对于特定环境及预期使用寿命而言的，脱离特定工作环境谈混凝i 十的抗冻性没有 意义，以往我国对混凝土冻融环境的研究成果多来自于水工与港工部门，对冻融工作环境的 划分大多根据水工或港工的特点进行；混凝士的抗冻性能是一项长期性能，如何通过合理的 室内试验评价混凝土的抗冻性能是混凝土抗冻技术的核心问题，混凝士抗盐冻剥蚀是当前混 凝土耐久性研究的热点之一，目前，国内外已有多种规范的非盐冻作用下混凝士抗冻性能评 价室内试验方法，但没有建立抗冻指标与混凝土工作环境之间、抗冻指标与混凝土配合比参 数之间的有机联系；在混凝土的抗冻耐久性设计方面，李金玉等提出了与建筑物运行寿命相 关的混凝土抗冻定量化设计模式、统计模型和相关技术条件，为建立适合我国国情的混凝土 定量化设计指标奠定了初步的基础，但其研究得到的定量结论主要基于大坝用的粉煤灰混凝 叫2 2 1 。 1 2 2 我国铺面混凝土抗冻设计指标研究现状 同济大学的黄士元等自2 0 世纪9 0 年代起对混凝土公路路面的盐冻剥蚀损坏进行研究， 特别是在公路路面混凝土抗盐冻剥蚀性能实验室评价方面进行了比较深入的研究瞄2 4 1 。交 通部公路研究所的傅智在进行滑模施工技术研究时进行了引气混凝土的材料、性能及施工技 术等方面的研究陋捌。但迄今为止，我国铺面领域尚未对混凝土抗冻问题进行系统深入研 同济大学博士学位论文 3 铺面水泥混凝十抗冻设计指标研究【第一章绪论l 究。 目前我国混凝土铺殛设计规范中有关混凝土抗冻设计指标的规定如下：在即将实施的 机场建设， 1 9 9 3 ( 3 ) ：1 8 3 0 【1 5 】舒自恒，邓敏机场水泥混凝土道面腐蚀损坏原因及其预防措施研究( 下) 机场建设， 1 9 9 4 ( 1 ) ：1 5 ，2 5 【1 6 】同济大学道路与交通工程系东北地区机场道面损坏研究研究报告，2 0 0 2 【1 7 】杨全兵，朱蓓蓉，张树青，黄士元高抗除冰盐剥蚀性能混凝土在高等级公路中的应用 载：重点工程混凝土耐久性的研究与工程应用北京：中国建材工业出版社，2 0 0 0 【1 8 】王玲，田培，姚燕，尚礼忠。李建勇北京城市立交桥混凝土损坏原因综合分析载： 重点工程混凝土耐久性的研究与工程应用北京：中国建材工业出版社，2 0 0 0 【19 t c p o w e m aw o r k i n gh y p o t h e s i sf o rf u r t h e rs t u d i e so ff r o s tr e s i s t a n c e j o u r n a lo ft h e a m e r i c a nc o n c r e t ei n s t i t u t e ，v o ll6 ( 4 ) ：2 4 5 - 2 7 2 2 0 】t c p o w e m t h ea i rr e q u i r e m e n t so ff r o s t - r e s i s t a n tc o n c r e t e p r o c e e d i n g s ，t h eh i g h w a y r e s e a r c hb o a r d ，v o i 2 9 ：18 4 - 211 21 】t c 。p o w e r s 。f r e e z i n ge f f e c t si nc o n c r e t e a c is p e c i a lp u b l i c a t i o ns p - 4 7 ，a m e r i c a n c o n c r e t ei n s t i t u t e ，m i ：l 一11 【2 2 】李金玉，邓正刚，曹建国等混凝土抗冻性的定量化设计重点工程混凝土耐久性的研 究与工程应用北京：中国建材工业出版社，2 0 0 1 ；2 6 5 - 2 7 2 2 3 】杨全兵，吴学礼，黄士元去冰盐引起的混凝土盐冻剥蚀破坏上海建材学院学报，1 9 9 1 ( 4 ) ：3 4 1 - 3 4 6 【2 4 】杨全兵，吴学礼，黄士元抗盐冻试验方法研究上海建材学院学报，1 9 9 3 ( 2 ) ：1 8 2 1 8 5 ； 【2 5 】傅智，李红道路水泥混凝土含气量控制研究公路，1 9 9 8 ( 4 ) ：l 彳 【2 6 】傅智道路混凝土掺引气剂的研究公路，1 9 9 8 ( 2 ) ：2 - 9 2 7 】中华人民共和国行业标准公路水泥混凝路面设计规范( j 虱卜d 4 0 ) 北京：人民交 通出版社，2 0 0 3 【2 8 】中华人民共和国行业标准民用航空运输机场水泥混凝土道面设计规范( m h j5 0 0 4 - 9 5 ) 中国民用航空总局发布，1 9 9 5 【2 9 】中华人民共和国国家军用标准军用机场水泥混凝土道面设计规范( g j b1 2 7 8 9 1 ) 中 国人民解放军总后勤部批准，1 9 9 2 同济大学博士学位论文 8 铺面水泥混凝抗冻设计指标研究【第二章铺面混凝士冻融损坏与抗冻策略】 第二章铺面混凝土冻融损坏与抗冻策略 对铺面混凝土冻融损坏类型及其发生、发展和恶化的演化过程有一详细清晰的认识，是 进行铺面混凝土冻融损坏及其防治措施研究的基本出发点。从铺面混凝土冻融损坏现象出 发，根据损坏发生的机理确定抗冻策略，全面分析抗冻策略条件下影响铺面混凝土抗冻耐久 性的各类因素及其内在关系，则是深入研究铺面混凝土抗冻设计指标的理论基础。 水泥混凝土冻融破坏有两种形式：内部开裂和表面剥蚀。对混凝土铺面结构而言，内部 开裂类型的冻融损坏以冻融耐久性裂纹为代表，表面剥蚀以除冰盐( 液) 环境下的混凝土表 面剥落损坏( 简称盐冻剥蚀损坏) 为代表。为了对有无除冰盐( 液) 作用的情况进行区分， 一般称无除冰盐( 液) 作用情况下的损坏为普通冻融损坏。以往我国铺面领域在分析混凝土 铺面损坏类型时冻融耐久性裂纹损坏均有列出，并对损坏的外观特征进行了简要描述i i j ，但 对损坏的内部特点以及损坏的演化过程未作清晰的阐述，以致目前在混凝土铺面损坏调查时 常易与碱骨料反应损坏混淆；而对盐冻剥蚀损坏的系统描述则几乎没有涉及。与损坏的现象 描述类似，因对冻融损坏没有进行深入、系统的研究，我国铺面领域尚未对铺面混凝土冻融 损坏进行损坏现象损坏机理抗冻策略影响因素抗冻设计指标这一基本主 线的分析。 本章首先结合东北地区机场道面损坏研究【2 】中现场调查观察到的损坏现象对铺面混凝 土两种主要冻融损坏类型的外观特征、内部特点以及损坏演化过程进行较为系统、全面地归 纳总结，然后依损坏现象机理策略影响因素设计指标的主线提出一个较为 科学、全面而又经济合理的铺面混凝土抗冻设计指标体系。 2 1 铺面混凝土冻融损坏类型与特征 2 1 1 铺面混凝土冻融耐久性裂纹损坏 2 1 1 1 耐久性裂纹损坏外观特征 冻融耐久性裂纹损坏的外观特征为：铺面板表面接缝、板的自由边及板的裂缝附近出现 大致平行的密集的新月形发丝状裂纹，这些裂纹在纵横向接缝交叉处弯曲，并且裂纹表面含 有残留物，使裂纹及其周围呈现暗色。根据损坏发生的位置不同，分为接缝类冻融耐久性裂 纹与裂缝类耐久性裂纹两种，图2 1 ( a ) 为损坏初期的接缝类耐久性裂纹损坏。图2 1 ( b ) 为裂 缝类耐久性裂纹。 同济大学博士学位论文 9 铺自木凝t 抗球墩”指标研究第= 铺i 幄凝十融自“i 抗* 略】 ( a ， ( b ) 图21 、铺面陈融耐久性裂纹外观特征“j 2 112 耐久性裂纹损坏内部特点 庄榉实践中，铺面混凝十破坏的原阑往往是多方面的，仅从外观上判断、融耐久性 裂纹损坏易。_ 碱集抖反麻破坏混淆。为了区分两者，还有必要进一步现察冻融耐久性裂纹的 内部特征。两种损坏类型在内部形态上的主要区别为”1 ：碱集料反应是化学反应，裂缝被凝 胶填充或部分填充，由于集料与水泥浆体茇生化学反麻，可能在集料周边彤成一个深色的薄 层，称为反麻环浆体与集料截面不产生空璐c 集料与浆体的枯结趋好即使破坏发展 鞍 山严蕾的f ￥鹰混凝1 地还没有松散；而冻融耐久性裂纹破坏是物理破坏，一股裂缝中是空 的裂缝沿集料边缘且相连通，冻胜耐久性裂纹j ； l 影1 翱集抖本身，而且破坏粜料周边的水 泥浆体，所以破坏发腱到一定程度时，水泥浆体疏松。 图2 2 2 均现场钻取的璩融耐久性裂纹损坏芯样的照片吐图2 2 ( 曲显示损坏内部裂缝是 空的+ 浆体与集料截面产生空隙裂缝沿集料边缘互相连通，裂缝多发生于集料与水泥浆体 界面或集料本身碎裂( 特别是粒径人的集料) 。圜22 ( b ) 显示损坏严重芯样的混凝十箍料表 面有层薄薄的白色粉末，可能是c a ( o h ) 2 但没有膨胀的迹象，集料表面与水泥浆体2 间 没有发生反麻的痕迹。陶2 2 f 曲显示损坏严重的水泥浆体己经完全酥教水泥浆体本身以 及水泥浆体与集辩之间已经完全散失了粘结性。 ( o )( b )c c 】 图2 2 、铺面混凝十冻融耐久性裂纹损坏内部特点1 4 2 1l3耐久性裂纹损坏发展变化 根据现场观察，耐久性裂纹损坏发展的犬致过程为：密熟的新月形发丝状裂纹首先在昂 】- j 济 博i 学位论空 埔由m 诧溉擞f 抗怵啦 指标口f 究【镕= 章镕面混凝十m # ，# 冻* 镕】 易进水的板角、板边或早期裂缝趾出现，然后损坏范围进一步向板中或裂缝周边扩人严重 的扳块四周损坏围台成一个闭合的环形甚至覆盖至整个扳面，并且裂纹也进一步变粗变宽。 随着损土：的进一步加剧，损坏部位混凝土变酥变脆再加上荷载的作用，在接裂缝处发生 碎裂：若修补时不对水的进入作更加严密的处理，损坏部位切除修补后损土1 会进一步发展。 眦削2 3 1 “。 糕潦 躅23 、铺面冻融耐久性裂纹损坏拉展变化【 2 12 铺面混凝 盐冻剥蚀损坏 2 , 12 ，】 盐诛剥蚀损玮外观特征 铺面混凝l 盐冻剥蚀损坏的外观特征表现为混凝i ：表面的水泥砂浆层剥落，集抖暴露， 嵌m 1 凹凸不平严重时笈生 面积露青损坏损蚺、处混凝十集料完全暴露如幽2 4 1 ”。 圈2 4 、铺面混凝土盐冻剥蚀损坏外观特征“ 212 2 盐诛剥蚀损坏内部特点 盐球剥蚀破坏的部位为铺面旭凝士毛细孔吸提平衡高度干温循环冀域至地袁范围破坏 节由表及里的剥蚀性破土l = 若使用的为睬冰盐1 可在破坏处或裂缝处观察到盐晶体，破坏 部位以f 的水泥硬化浆体几乎没有变化。 h 济大学博十学* 文 铺自m * 凝 抗璩设计指标 宽i 第章铺面混凝损坏j 抗婊策 2i 23 盐凉剥蚀损坏发展变化 盐冻剁蚀损坏开始表现为表面混凝土沙浆散必脱落，出现麻面，进一步艘展成为表面沙 浆完全流火目料暴露。在铺面容易积水的部位损坏昂严重( 幽2 5 ) 。 j 。 _ j ， 一。 一 。i 幽25 、铺面混凝t 盐冻剥蚀损坷、发展变化 2 2 混凝土冻融损坏机理分析 2 2 1 混凝十普通冻融损坏机理 珠融对滟凝十的作用机理，虽有许多学者进行r 人繁研究提出异种假说，但尚来完争 研究清楚。但根据诛融循环对涅凝十的不同作瑚划分有膨胀压力作刚、水力压力竹。州自嚏 遗j k 力作用二种吼 2 2 11 膨胀压力作用 膨胀压力作用是砾融循环破坏”- 用最直观和简单的一种：混凝士孔隙中的水在冻融结冰 时约有83 的体积增长，当孔隙的饱水状态超过9 17 时，孔隙不能适应水结冰体积膨胀 的变形，而产生膨胀压力，对混凝 产生破坏。 但实际观察中柱现：混凝士在含水龉低j ：9 17 或混凝土孔隙中古有不会结冰膨胀的溶 液( 如乙醇) 等情况下也舍遭受球融破坏，说明膨胀压力作用并不是引起搅凝土球融破坏的 主要原冈。 2 2 1 2 静水压力作埘 1 9 4 5 年，p o w e r s 提出了混凝士受珠破坏的静水压力假说虬该假说认为，在冰球过秤 中，混凝十孔隙中的部分孔溶液结冰膨胀迫使束结冰的孔蒋液从结冰区向外迁移。孔溶j 硬 在u r 渗透的水泥浆体结构中移动必须克服粘滞阻力，因而产生静水压力，对混凝十产生破 同济大学博i 学论史 铺面水泥混凝土抗冻设计指标研究【第二章铺面混凝士冻融损坏与抗冻策略】 坏作用。当混凝土含水量超过某一临界饱和度时，就会在冰冻过程中发生这种流动。显然， 流动粘滞阻力即静水压力随孔溶液流程长度的增加而增加，因此，相应于临界饱和度，存在 一个极限流程长度或极限厚度，如果流程长度大于临界值，则产生的静水压力将超过材料的 抗拉强度而造成破坏。根据这一假说，拌和时掺入了引气剂的引气混凝士硬化后，水泥浆体 内分布有不与毛细孔连通的、封闭的气孔，气孔提供了未充水的空间，使未冻溶液就近得以 排入其中，缩短了迁移溶液的流程，减小了静水压力。显然，若气孔之间的间隔距离足够小， 使水泥l i 中任一点至最近的气孔的距离不超过极限流程长度，则混凝土将免遭冻融静水压力 的破坏。1 9 4 9 年，p o w e r s 充实了这一理论，定量地讨论了为保证水泥石的抗冻性而要求达 到的气孔间距的要求1 7 j 。p o w e r s 提出了计算水泥石中由孔溶液结冰引起的静水压力的表达 式，包含了影响混凝七抗冻耐久性的主要因素，建立了静水压力与水泥石渗透性、孔溶液结 冰量、冰冻速率、气孔分布等参数的定量关系，是迄今为止进行混凝土抗冻定量分析最为完 整的理论基础。 但在随后其它学者的研究中，对p o w e r s 于1 9 5 4 年根据静水压力推导出来的0 0 1 英寸 的平均气孔间距系数作为控制混凝土冻融耐久性的定量控制指标有不同的看法：一是许多学 者发现气孔间距系数人于o 0 l 英寸时，许多混凝土仍具有很好的抗冻性能：另外，静水压 力不能解释如非引气浆体当温度保持不变时出现的连续膨胀，引气浆体在结冰过程中的收缩 等一系列重要的实验现象1 8 j 。所以p o w e r s 提出的混凝土冻融定量分析理论并不能直接推导 出混凝十抗冻的定鼙指标，在实际建立混凝十抗冻设计指标体系时更多的是通过理论分析来 分析影响冈素，根据室内外试验及统计分析来得到具体的定量指标。 2 2 1 3 渗透压力作用 为了合理解释静水压力作用不能解释的一系列试验现象，p o w e r s 与h e l m u t h 在长期试 验观测的基础上，提出了混凝土冻融破坏的渗透压力作用【3 j 。渗透压力理论认为：由于孔隙 中的水冰点随孔隙尺寸的下降而降低，凝胶孔尺寸极小，形成冰核的温度很低，如半径为 15 a 左右的凝胶孔中的水，其冰点约为7 3 7 8 ，因此凝胶孔的水实际不结冰而处丁过冷 状态。过冷水的蒸汽压比同温度下冰的蒸汽压高，混凝土冻融时将发生凝胶水向毛细孔中冰 的界面渗透的现象，从而产生了渗透压力，直至两者的蒸汽压达到平衡状态。渗透压假说提 出后没有获得一致的认可，主要是因为过冷水的蒸汽压只有在平面状态时比平面状态的冰高 许多，在混凝十孔隙中，过冷水在毛细管中肇凹液面，毛细孔中结冰冰晶义很小，两者之间 的蒸汽压筹很小，似乎难以形成较人的渗透压力【9 1 。 因此，在混凝十冻融循环的膨胀压力作用、静水压力作用以及蒸汽压力作用等各类作用 中，大家比较普遍一致的观点是：三种作用均存在，但静水压力作用是水泥混凝士冻融破坏 的主要肇冈1 5 1 。所以，本文后面分析混凝十冻融损伤模型时，仅计算静水压力作用，而另外 两类作州忽略不计。 2 2 1 4 冻融敏感集料对混凝土冻融破坏的影响 混凝士人部分由集料构成，集料的冻融敏感性对混凝士的抗冻耐久性有重大影响。各类 研究和资料表明，铺面混凝土冻融耐久性裂纹很大程度上由使用冻融敏感的集料引起峭 旧济大学博i ：学位论文 铺面水泥混凝土抗冻设计指标研究 【第二章铺面混凝土冻融损坏与抗冻策略】 i p l 2 j 。 集料与水泥浆体均属于多孔同体，冻融对集料的作用与水泥浆体类似。但在混凝士中集 料由水泥浆体包裹，集料的孔隙特性、渗透性与水泥浆体也存在差别，集料的孔隙尺寸变化 范围很广，最大的在显微镜下甚至用肉眼可以看见，最小的集料孔隙也比凝胶孔大，所以冻 融对集料的作用主要表现在膨胀压力与静水压力两个方面。另外，饱水的集料冻结时水排到 周边的水泥浆体中，产生静水压力，丽在集料与水泥浆体的过渡界面区由于微裂缝的存在强 度较弱，当压力超过过渡区的抗拉强度时，对混凝士造成破坏，也是冻融对集料作用的重要 方面，这与冻融耐久性裂纹内部缝隙是空的，裂缝沿集料边缘互相连通的特点也相吻合。 美国上世纪8 0 年代初曾对如何检测混凝士集料的冻融敏感性进行了专题研究，研究得 到多种判断混凝土集料冻融敏感性的定量指标1 3 q7 1 ，但在以后近二十年的工程实践中发现 定量指标的判定结果与混凝土实际使用性能并不一致【1 8 i ，又由于高质量的集料越来越少， 对集料提出过分严格的要求在实际工程实践中难以做到，所以目前各国主要通过以下三方面 措施消除冻融敏感集料对混凝土抗冻性能的影响：一是在抗冻混凝土中不采用黑燧石 ( c h e r t ) 等典型冻融敏感性集料：二是对集料的坚固性与吸水性进行规定；最后鉴于冻融 敏感集料引起冻融损坏的机理与水泥浆体类似，所以引气等抗冻措施同样对减小集料冻融敏 感性影响也有效。 2 2 2 混凝土盐冻剥蚀损坏机理 2 2 2 1 除冰盐( 液) 吸水特性增加混凝士的饱水度 除冰盐( 液) 具有吸水特性，使得除冰盐( 液) 环境作用下的铺面混凝土容易吸水丽不 容易失水，增加了混凝土饱水的机会和程度，从而加剧了冻融循环的破坏作用，这是产生盐 冻剥蚀损坏的首要原因。表2 1 为不同条件下的混凝土平衡饱水度( s e ) 和时间( 1 e ) 1 9 1 。 表2 1 、不同环境下试件的平衡饱水度( s e ) 和达到平衡的时间( t e ) 【1 9 1 相对湿度 毛细管平衡水 n a c l 7 5 8 3 9 2 ( ) s e t e s et e s et cs et c ( ) ( d )( ) ( d )( )( d )( )( h ) 05 98 47 25 。87 94 8 9 01 1 6 46 69 0 7 7 7 88 75 39 48 4 1 07 31 1 68 41 0 99 47 39 65 1 2 08 51 3 79 31 6 49 9 9 9 3 1 从表2 1 可知，无论那种条件下盐浓度越高( 混凝土中含盐量越高) ，混凝土的平衡 饱水度也越高；盐浓度相同时，平衡饱水度随环境湿度的增大而变高。另外，还能看到，在 毛细吸水实验中，试件内含盐量越高，达到饱水平衡的时间越短：在失水实验中，则