针对高寒地区混凝土抗冻耐久性问题,在混凝土中加入不同掺量的粉煤灰研究其抗冻性能,通过非金属声波检测仪进行冻融循环过程中混凝土强度无损测试,研究了冻融循环作用下混凝土强度损伤和动弹性力学参数的演化特征,分析了冻融循环过程中混凝土声波波速与力学性能变化规律。研究结果表明:掺入引气剂能够提高混凝土的抗冻性,相同引气剂掺量下,粉煤灰掺量为10%的混凝土抗冻性较好;冻融循环过程中,超声波纵波波速、横波波速与动弹性模量、动剪切模量均随着冻融循环次数的增加呈相似性衰减,且存在较高相关性。

为研究冻融作用对完全碳化混凝土轴拉性能的影响,制作了C30、C40、C45三个强度等级的混凝土试件,经完全碳化后进行冻融循环试验和轴心受拉试验。结果表明:完全碳化使C30、C40和C45混凝土的峰值应力分别上升8.7%、9.7%和12.1%,峰值应变分别上升1.9%、7.2%和9.6%;随冻融循环次数的增加,混凝土受拉峰值应力和峰值应变不断下降,且混凝土强度等级越低,下降速度越快。根据碳化后不同冻融循环次数时混凝土的峰值应力和峰值应变数据变化情况,提出了相应的拟合公式。根据试验结果拟合了受拉应力-应变上升段曲线,结果表明:拟合效果良好。

为研究纳米SiO2改性陶粒混凝土在不同溶液冻融环境下的抗冻性能,设计了四种溶液(水、硫酸盐、碳酸盐、复合盐)冻融环境,采用快速冻融法,以质量损失率及相对动弹性模量为指标对其冻融损伤规律进行了研究,并基于试验数据建立了抗冻性能退化模型。结果表明:在盐溶液冻融环境下,陶粒混凝土质量损失及相对动弹性模量高于水冻环境;当盐溶液浓度相同时,硫酸盐溶液冻融环境对混凝土的质量及动弹性模量的损伤较碳酸盐溶液强,复合盐类溶液冻融损伤居中;基于试验数据建立的抗冻性能模型可较好地反映纳米SiO2改性陶粒混凝土在不同冻融溶液环境下的冻融损伤规律。

通过快速冻融试验,测试了不同冻融循环次数后钢纤维橡胶混凝土的质量、相对动弹性模量、抗压强度及损伤层厚度,研究了硫酸盐与冻融环境下钢纤维橡胶混凝土的劣化规律与损伤机理。结果表明:钢纤维橡胶混凝土在硫酸盐溶液中的冻融损伤小于未掺钢纤维的橡胶混凝土;钢纤维橡胶混凝土的劣化程度随钢纤维掺量的增加逐渐减小,但当钢纤维掺量为2.0%时,劣化程度明显增大;损伤层厚度可以表征钢纤维橡胶混凝土的内部损伤,随损伤层厚度增加,损伤层混凝土的抗压强度损失明显;硫酸盐与冻融环境下钢纤维橡胶混凝土的抗压强度与损伤层抗压强度存在相关性,根据劣化后钢纤维橡胶混凝土的抗压强度可计算出损伤层抗压强度。

通过四点弯曲试验,研究了冻融循环0次、50次、100次、150次、200次后聚乙烯纤维超高韧性水泥基复合材料(PE-ECC)梁的受弯性能。结果表明:PE-ECC梁的质量损失、极限荷载、跨中最大挠度均随着冻融循环次数的增加而降低,但降低程度不显著,说明冻融循环后PE-ECC梁的受弯性能退化不明显。

研究了搅拌站废水掺量(25%、35%、45%)对混凝土冻融循环后的质量损失、外观形态、动弹性模量及抗压强度的影响规律,建立了掺废水混凝土的冻融损伤模型。结果表明:当废水掺量为25%时,试件的质量损失较大,但抗压强度及动弹性模量仍高于普通混凝土;当废水掺量为35%和45%时,混凝土的抗冻性能得到显著提高,但废水掺量为45%的混凝土动弹性模量下降较快,废水掺量为35%的混凝土抗冻性能最佳;建立的冻融损伤模型能够较好地反映掺废水混凝土的冻融损伤演化规律。

针对现有方法评价超轻质混凝土的抗冻性存在烘干开裂、冻融失效过快等不足,提出了一种改进测试方法,即试件饱水后再沥水,以调节含水率,并采用气冻气融进行冻融循环试验。研究了沥水时间、融化温度和试件尺寸对超轻质混凝土强度损失率和质量损失率的影响。结果表明:控制沥水时间能有效调节试件的含水率;随着沥水时间的延长,试件的冻融质量损失率和强度损失率大体呈下降趋势;降低冻融循环试验时的融化温度能有效解决试件的开裂问题;尺寸较小试件对温度的敏感程度相对较大,尺寸较大的试件冻融破坏严重,不易搬运。并在此研究基础上,提出了适合超轻质混凝土抗冻性试验的改进方法,确定了适宜的沥水时间、融化温度和试件尺寸,分别为6 h、15℃和100 mm×100 mm×100 mm,可为超轻质混凝土的抗冻性测试提供参考。

研究了冻融循环、干湿循环、冻融循环+干湿循环、冻融-干湿耦合循环对不同替代率废玻璃骨料混凝土耐久性能的影响。结果表明:与未冻融、未干湿试件相比,经历冻融循环、冻融循环+干湿循环、冻融-干湿耦合循环试件的抗压强度降低、质量损失率增大,而经历干湿循环试件的抗压强度提高、质量损失率减小;不同损伤机制对废玻璃混凝土耐久性能的影响程度由小到大顺序为干湿循环<冻融循环+干湿循环<冻融循环<冻融-干湿耦合循环。

对冻融混凝土进行了不同单侧压下的劈拉试验,分析了冻融循环次数和单侧压对混凝土劈拉性能的影响,并结合声发射技术研究了混凝土在劈拉过程中的损伤发展,建立了混凝土损伤演化方程。结果表明:随着冻融循环次数的增加,混凝土冻融劣化程度加深,峰值应力明显降低;相同冻融循环次数下,单侧压越大,混凝土的峰值应力越大;经历冻融循环后的混凝土损伤发展速度加快,单侧压的存在对混凝土的损伤发展起到延阻作用;考虑冻融循环次数和单侧压作用的混凝土劈拉损伤演化曲线均可分为损伤初始发展阶段、损伤稳定发展阶段和损伤快速发展阶段。

利用预制不同初始缝长的小尺寸混凝土梁试件,进行了冻融循环试验,并通过三点弯曲试验研究了冻融作用后混凝土的断裂性能。基于边界效应模型,引入反映材料非连续性与非均匀性的系数,利用试件的极限荷载,确定了不同冻融循环次数下混凝土的拉伸强度与断裂韧度。结果表明:随着冻融循环次数的增加,混凝土的拉伸强度与断裂韧度明显降低;相对于未经冻融循环的试件,当经75次冻融循环时,混凝土拉伸强度与断裂韧度的降低超过了38%;基于边界效应模型得到的拉伸强度考虑了材料的非连续性和非均匀性,使计算结果明显高于混凝土的劈裂抗拉强度,可较准确地反映冻融作用后混凝土的劣化损伤程度。