混凝土冻结特征温度预测方法研究

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发布时间：2021-09-17

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混凝土冻结特征温度预测方法研究
周志云。司金涛
(上海理工大学土木工程系，上海200093)
摘要：根据已有文献的试验数据建立了混凝土孔隙结构分析的数学模型。基于孔隙结构的研究结果，提出了在冻融循环下混凝土中形
成冰晶核的温度和混凝土冻结特征温度的预测方法。预测值与现有的试验观察数据有很好的一致特性。该预测方法可以可靠地用于评估
混凝土的状态，判别其处于安全状态还是亚安全状态。
关键词：孑L隙结构；冰晶核；冻结特征温度；预测；冻融
中图分类号： TU528．O1 文献标志码： A 文章编号： 1002—3550(2010)02—0038—04
Research OI1 prediction method of concrete characteristic cooling temperature
ZHOUZhi-yun，SIJin—tao
(The Department ofCivil Engineering，University ofShanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China)
Abstract： A mathematical model for studying the pore sLtructure of concrete is established according to the published experimental data．Based
on the analysis results。a method is proposed for predicting the temperature offorming ice crystals nucleation and the characteristic cooling temperature
under the circumstance of freeze—thaw cycles．Good agreement was obtained between predicted values and experimental observation．The
method is reliable to estimate the status ofconcrete and decide whether it is in the status ofsafety or in a status betw een safety and unsafety．
Key words： pore structure；ice crystals nucleation；characteristic cooling temperature；prediction；freeze·thaw
0 引言
在自然环境下，混凝土受到各种劣化因素的影响而丧失其耐
久性。其中在寒冷地区，混凝土构筑物常因冻融循环而损坏，这已
成为混凝土耐久性方面的主要问题之一『l1。混凝土的抗冻性与其内
部的孔隙结构、水饱和程度、混凝土的强度等许多因素有关，其中
最主要的因素是它的孔隙结构。混凝土孑L隙中的水的冻结冰点随
孔径的减小而降低，即在某一冻结温度下，存在结冰的水和过
冷水，过冷水的冻结需要冻结温度的进一步降低和诱导冰晶核的
生成嘲。而硬化混凝土的冰晶核温度(即：生成稳定冰晶核的温度)
影响孔隙冻结压的形成囡，在未达到冰晶核温度时，孑L隙处于无压
状态，混凝土不会受冻融损伤；当降温超过混凝土冰晶核温度时，
孔隙内逐步形成冻结压；一方面，在冻结孑L隙处于饱和状态时，冻
结压会迫使未冻结液体向外迁移从而产生水压作用，另一方面，在
冻结孔隙处于三相共存的状态时，由于较小孔隙的过冷水的化
学势能比冻结冰的化学势能低，使过冷水向冻结孑L隙处流动并结
成冰，随着冰晶的增长，孔隙冻结压加大，冻结冰的化学势能逐步
与过冷水的化学势能达到局部平衡，这一平衡持续到冻结温度
的进一步降低冈。当冻结温度降到混凝土冻结特征温度时，混凝土
内的孔隙水开始大面积冻结，这时}昆凝土的体积才开始膨胀。近年
来，coussy 朔有孑L介质力学方程研究了孔隙结构对在冻结温度
下水泥基体的冻结特征温度及孔隙压的影响。本文将结合Coussy
的理论和混凝土孔隙结构预测模型提出定量预测冻结特征温度的
方法，并用现有的试验结果对该方法进行了验证。
1 混凝土孔隙结构
1．1 硬化砂浆、混凝土孔隙结构的实测值
混凝土是一种典型的多孔介质材料，孔隙分布错综复杂，孔
形各异、孑L径尺寸跨越微观尺度与宏观尺度之间，对混凝土冻
融劣化的宏观表象有着巨大影响。
图1为文献[8—9】实测砂浆和混凝土的孔隙结构分布图，从
图可以看出：①水灰比O．65、砂灰比3的试件，无论是砂浆还是
混凝土的试件，其单位质量所含孔隙总量及分布的差异不大。
②水灰比0．65、砂灰比2的砂浆试件，43～75 nln的孔隙含量较多。
③水灰比越小孔隙率越低。
1．2 混凝土孔隙分布的简单数学模型
孑L隙结构的含义包括孔隙率、孔径分布、孔形貌和孔隙在混凝
土材料内的分布等多项性质，目前还难以直接获取全部信息。但从
已获得数据中发现孔隙体积分布可以用函数式(1)来表示：
V(r)=Y0exp(-A(In(r)) ) (1)
式中：为单位质量的总孔隙量(10 mUg)，其大小同水灰比
成线性关系，如式(2)所示：
V0=14．565W／C一1．027 2 (2)
A、B为影响孑L隙分布形状的系数，由文献[8—9】试验数据决
定，如表I。
由式(I)、式(2)计算所得孔隙体积分布模拟值与实测值的
对比如图2。由图2可知，函数式(I)、式(2)能很好地模拟混凝
土的孑L隙体积分布及孑L隙率。