冻融循环下混凝土动力力学性能与损伤机理模型的试验研究

为什么冬天对混凝土很苛刻

在寒冷地区，桥梁、大坝和水道必须经受混凝土内部多年水的冻结与融化。每一个冬季循环都会缓慢扩大隐蔽的孔隙和裂缝，威胁诸如大坝和溢洪道等大型水利结构的安全与使用寿命。本研究详细考察了反复的冻融循环在现实荷载条件下如何逐步削弱混凝土并改变其破坏方式，为设计更能抵御严酷气候的结构提供线索。

观察混凝土如何经受严寒

为模拟现场情况，研究者制备了标准圆柱形混凝土试样，并将其置于可控的冻融循环中最多75次。在每个四小时的循环中，饱和的试样被冷却至约−20°C，然后再升温至20°C，类似冬日昼夜的温度变化。在若干循环间，他们测量了试样的质量、超声波波速和刚度。冻融处理结束后，同一批试样被放入大型试验机，先承受数百次重复荷载试验，然后在不同加载速率下破坏，分别代表慢速加载、正常服役和诸如冲击或小震动之类的快速事件。

强度下降，变形增大

研究团队发现了明确的规律：随着冻融循环次数的增加，混凝土的抗压强度和刚度（即抗挤压能力与“弹性”）稳步下降。经过75次循环后，在最慢加载条件下强度下降近五分之一，刚度约减半。与此同时，残余应变和峰值应变——材料保持的变形量以及破坏前的最大延伸——显著增加。简单来说，材料变得更软、更易变形。较快的加载在一定程度上掩盖了这种损伤：快速压缩时，混凝土表现出较高的表观强度，说明快速加载可以暂时掩盖内部劣化。

隐蔽孔隙、扩展裂缝与变化的破坏形态

内部结构成像揭示了损伤的累积过程。最初，混凝土仅含零星的小孔。经过25次循环后，更多孔隙出现但仍大多孤立。到50次时，孔隙和微裂纹开始扩展并相互连通；到75次时，形成了致密的大型连通空腔网络。这一显微演化与破坏时在试样表面观察到的现象一致。未损伤的混凝土往往沿一两处清晰裂缝断裂，破成几块楔形碎片。经过多次冻融循环后，试样的破坏更为温和但更为广泛，呈鼓胀状、多条细小断裂并伴有大量粉末状碎屑，表明内部骨架已失去连贯性。

加载速度与损伤如何相互作用

通过在若干加载速率下测试，研究者量化了受损混凝土对应变率（即变形速度）的敏感性。随着冻融损伤增加，材料对加载速度的响应变得更为显著。在高应变率下，孔隙中被困水的惯性作用以及裂纹扩展的时间受限，减慢了损伤扩展，因此表观强度相对较高，刚度损失也比慢速加载时轻。然而，这并非真正的恢复：超声波测量和三维孔隙重建表明，潜在的孔网与裂缝密度仍随循环次数加剧。应力—应变曲线反映了这种变化：峰值向下移动并向右偏移，曲线下方阴影面积——代表材料破坏前可吸收的能量——缩小，表明材料耗散荷载的能力下降。

对现实工程的意义

对于寒冷气候下的大坝、溢洪道和其他水利设施，这些结果强调了反复冻融会悄然侵蚀强度和刚度，即便结构表面看来仍然完好。随着时间推移，混凝土变得更柔韧但在承受突发荷载时更容易开裂。该研究给出了将冻融循环次数与强度、刚度和变形变化关联的数学关系，为工程师估算剩余寿命和制定维护计划提供工具。通俗地说，研究表明冬季损伤不仅是表面问题：它从内部重塑混凝土，理解这一过程对于数十年内保障关键水利设施的安全至关重要。

引用: Cao, Y., Zhou, J., Shao, Y. et al. Experimental study on dynamic mechanical properties and damage mechanisms models of concrete under freeze-thaw cycles. Sci Rep 16, 7796 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39345-2

关键词: 冻融损伤, 混凝土耐久性, 水利工程, 动力荷载, 寒冷地区