基于混凝土冻融模拟加速试验的现场冻融环境量化与区划研究

Concrete structures have some durability problems due to the characters of materials and service environments. Concrete damage induced by freezing and thawing is one of the major worldwide deterioration mechanisms for concrete structures. This proposal studies the durability of concrete structures during freeze-thaw cycles with the utilization of basic theories in structural engineering, material, physics, chemistry, etc. and the theoretical and experimental methods. The influence of different environmental factors on the mechanism of ice forming in pores and pressure during the process of ice forming is firstly studied for concrete subjected to freeze-thaw cycles. The environmental indicators are determined by the analysis of the environmental effects on concrete damage induced by freezing and thawing, and the database for on-site environmental parameters is established considering the time-variation of the environmental parameters. Effect of environment parameters (minimum freezing temperature, cooling rate, freezing/thawing periods and degree of saturation) on concrete damage by freezing and thawing is revealed through conducting indoor freeze-thaw test from both micro/meso and macro levels. And then, the quantification methods for field freeze-thaw environments and the corresponding effects are established considering the time-varying characteristics of environmental parameters. Finally, a multi-level zoning method system including the environmental parameters, the effects of environmental action and durability design method is proposed based on the GIS system. Results of this project will provide the scientific theory basis for the durability design and the specifications/codes/standards of concrete structures exposed to freeze-thaw environments.

由于混凝土结构材料自身和使用环境的特点，混凝土结构存在耐久性劣化问题。冻融破坏是当今世界混凝土结构劣化的最主要原因之一。本项目将借助混凝土结构工程、材料、物理、化学等学科的基本理论，采用理论分析和试验研究的手段：研究混凝土经受冻融循环过程中不同环境因素对混凝土孔隙水结冰及孔隙压力成因机制的影响；确定影响混凝土冻融损伤的环境参数指标，建立考虑环境参数逐时变化特点的现场冻融环境参数数据库；通过设计和进行室内冻融模拟加速试验，从细微观角度和宏观角度两个层次揭示环境参数（最低冰冻温度、冰冻降温速率、冻/融时长及饱含水情况）对混凝土结构冻融损伤演变规律的影响，并建立考虑环境参数时变效应的现场冻融环境和环境作用效应的量化方法；基于GIS系统，建立包含环境作用参数、环境作用效应和耐久性设计方法的多层次的区划方法体系。本项目的研究成果将为混凝土结构抗冻耐久性设计和规范制订提供科学的理论依据。

混凝土结构耐久性劣化在不同的暴露环境下存在着显著的区域特征，研究冻融循环条件下环境参数变化对混凝土冻融损伤的影响规律，对混凝土结构的耐久性设计和工程实践具有重大的实际意义。关注混凝土结构耐久性的定量化设计，探明了不同环境因素对混凝土冻融损伤的作用机理；考虑环境因素对混凝土冻融作用机理，完成相应的特征地区的现场冻融环境参数量化，建立了基于GIS的地理信息数据与冻融环境参数数据库；进行了不同最低冰冻温度（-5℃、-10℃、-18℃）和不同降温速率（1℃/h、2℃/h、4℃/h）条件下的混凝土冻融试验研究，对比了不同环境条件下混凝土的动弹模下降与质量损失随冻融循环次数的变化规律；利用预埋铜板电极的方法测定了最低冰冻温度为-18℃时的特定冻融循环次数下混凝土的电阻变化，以及-5℃、-10℃时和降温速率为2℃/h、4℃/h时的实时电阻变化，给出了混凝土内部相对结冰量的变化规律；利用预埋机械式应变计和预埋电阻应变片两种办法来测定混凝土经受冻融循环过程中的内部应变变化；利用超景深三维视频显微镜扫描观察了降温速率为2℃/h、4℃/h时的混凝土断面结构特征与裂缝发展随冻融循环次数的变化规律；建立了不同最低冰冻温度和不同降温速率(联合考虑冻/融时长)对混凝土冻融损伤作用效应的量化关系；构建了不同环境条件下混凝土冻融损伤的比对关系，建立了能够联系现场冻融环境和室内试验冻融环境的混凝土冻融损伤预测模型；基于建立的混凝土冻融损伤预测模型，提出了衡量现场环境对混凝土冻融损伤作用效应强弱的统一指标；基于GIS平台，建立了混凝土冻融耐久性区划方法体系，提出了现场冻融环境条件下混凝土结构冻融耐久性的定量化设计方法，建立了包含环境作用参数、环境作用效应和耐久性设计方法的多层次的区划方法体系。本项目的研究成果可以为混凝土结构抗冻耐久性设计和规范制订提供科学的理论依据。