冻融破坏是我国北方地区混凝土结构在运营过程中出现的主要病害之一，尤其东北及西北地区的桥梁、涵洞和过水桥等混凝土构筑物，冻融破坏更为普遍[1-2].如何解决混凝土结构的冻融病害，常常是工程专家及科技工作者必须面对的工程难题[3-4].
混凝土冻融循环的研究始终是混凝土耐久性研究的重要内容，相关研究已经取得了丰富的研究成果[5-12].例如，王海军等[5]研究了压应力作用对混凝土抗冻性的影响，认为适当的压应力作用可以提高混凝土的抗冻性；陈升平等[6]研究了纤维的掺入能否改善混凝土的抗冻性，认为纤维的掺入能很好地改善混凝土的内部结构，从而提高混凝土的抗冻性，且混杂纤维混凝土抗冻性优于钢纤维混凝土，更优于普通混凝土.这些研究仅仅限定于混凝土材料的自身性能研究，针对混凝土结构的研究却鲜有报道.实际上，混凝土结构一般是由钢筋与混凝土两种材料组成，且混凝土的冻融破坏会进一步加快氯离子对钢筋的锈蚀速率，降低了结构的可靠性，此外，实际结构中的大部分混凝土构件均是在持荷作用下工作，荷载的作用也会进一步影响混凝土冻融破坏的效果.通过上述分析可以发现，仅通过混凝土材料的抗冻融性能指标来评价混凝土结构的抗冻融性能是不合适的.
针对上述分析，本文研究了持荷冻融耦合作用下钢筋混凝土压弯构件的静力性能试验，分别开展了未持荷未冻融、持荷未冻融和持荷冻融等三种工况下钢筋混凝土压弯构件的静力性能试验，分析了荷载和冻融循环耦合作用对构件的裂缝形态、承载能力、荷载
挠度曲线及受拉钢筋应变的影响.
1 试验概况
试验共设计了12根混凝土压弯构件，试件长度为1 000 mm，试件的混凝土强度设计等级为C50，采用52.5普通硅酸盐水泥；采用的河砂含泥量为2.5%，细度模数为2.6；碎石粒径为5～25 mm；粉煤灰采用Ⅱ级粉煤灰；添加了引气减水剂，减水量为10%～15%.水泥的各项指标如表1所示.通过大量配合比试验，本着最节省水泥的原则，所选用混凝土的配合比如表2所示.
表1 水泥检测结果
Tab.1 Testing results of cement
密度(g·cm-3)细度%标准稠度%安定性凝结时间/min初凝终凝抗压强度/MPa3d7d28d抗折强度/MPa3d7d28d3.201.5527.5合格13520528.742.871.25.78.411.2
表2 混凝土配合比
Tab.2 Mix proportion of concrete
水胶比砂率粉煤灰掺量%引气减水剂掺量%水(kg·m-3)砂(kg·m-3)碎石(kg·m-3)水泥(kg·m-3)粉煤灰(kg·m-3)0.320.30251166.5467.41111.1433.6144.5
试件的纵向钢筋分别选用直径为14 mm和8 mm的HRB335级钢筋，箍筋分别选用直径为8 mm和6 mm的HRB235级钢筋.构件尺寸如图1所示(单位：mm).
图1 构件尺寸
Fig.1 Component size
2 试验装置与加载方案
在加载位置预先穿好一根直径为20 mm的高强钢筋，并在钢筋的两端预先制作好螺距并确定与之相匹配的螺母.用千斤顶加载，加载速率为0.3～0.5 N/s，通过压力传感器读数，达到预定值后，将事先准备好的内径为20 mm的螺母拧紧在圆钢筋上，以此预加荷载.本文试验共分为三组，第一组不加载也不进行冻融；第二组加载12.5 kN；第三组加载12.5 kN并进行冻融循环试验.冻融循环试验中冷冻温度保持在-15～-20 ℃，1次冻融时间不小于12 h，冷冻和融化时间比不少于4∶1，冻融循环次数为125次，每冻融循环25次进行称重，观测质量变化，至125次冻融结束，未发现质量有明显变化.之后对三组构件同时进行加载破坏试验.试验装置如图2所示，试验结果如表3所示.
图2 试验装置
Fig.2 Test device
表3 试验结果
Tab.3 Test results
试件工况极限荷载kN跨中挠度mm裂缝宽度mm受拉钢筋应变(με)未持荷未冻融37.425.531.925581持荷未冻融32.723.001.755138持荷冻融28.321.111.644500
3 主要试验结果与分析
3.1 裂缝形态
三种工况下的混凝土压弯构件均当加载至11.9 kN时，受拉一侧混凝土出现第一条裂缝.三种工况下试件预加载的荷载值均为12.5 kN，这说明持荷未冻融试件以及持荷冻融试件均在冻融前，都已存在初始裂纹，经过三个多月的冻融循环后，其裂缝均有所开展.裂缝由初始加载时的0.09 mm，发展到了0.11 mm(持荷未冻融)和0.12 mm(加载冻融).并且随着荷载的增加，受拉区混凝土裂缝数量增多，裂缝宽度也增大，当混凝土压弯构件达到极限荷载时，混凝土裂缝均已深入到受压区内，且裂缝宽度达到最大值，其值分别为1.92(未持荷未冻融)、1.75(持荷未冻融)和1.64 mm(持荷冻融)，如图3所示.
3.2 承载能力
通过表3中的极限荷载值可以看出，持荷未冻融和持荷冻融工况下的极限荷载较未持荷未冻融工况下的极限荷载分别降低了14.4%和24.3%.这是由于混凝土是一种多相复合材料，在凝结过程中，水泥砂浆中的一些水分会蒸发，使得水泥凝胶体出现收缩变形，当应力达到一定程度，就在表面形成微小的裂缝，在持续荷载作用下这些微小的裂缝将会逐渐变大，从而影响构件的承载力.混凝土的毛细孔水在0 ℃以下发生形态变化，由水变成冰，体积膨胀，因受到毛细孔壁约束形成膨胀压力，从而在孔周围的微观结构中产生拉应力，当混凝土受冻时这种压力会损伤混凝土内部的微观结构，反复多次冻融循环以后，损伤积累就会不断扩大，影响混凝土的抗压强度，进而影响构件的承载力.
图3 试件破坏形态
Fig.3 Failure modes of specimens
3.3 荷载挠度曲线
图4为荷载与挠度关系曲线.在三种工况下，混凝土压弯构件在最初加载时，荷载挠度曲线均呈线性变化，这说明无论是否受到持荷与冻融作用，混凝土压弯构件的弹性刚度没有发生变化.但是当荷载值大于5 kN时，荷载挠度曲线呈非线性变化，同时在混凝土构件的跨中部位形成细微裂缝，并且随着荷载的增加，挠度继续加大，同时伴有新的裂缝出现.当荷载值达到17.3 kN时，裂缝基本出齐，裂缝间距在60～80 mm之间.继续增加荷载，混凝土构件的挠度不断加大，此时持荷未冻融与持荷冻融两种工况下混凝土构件的变形相近.这说明持荷和冻融的耦合作用能够增大混凝土构件的变形性能，提高混凝土压弯构件的延性.
图4 荷载与挠度的关系曲线
Fig.4 Relationship between load and deflection
3.4 应 变
图5为受拉区纵向钢筋的荷载应变关系曲线.由图5可以看出，当混凝土构件达到极限荷载时，持荷与冻融耦合作用下的受拉区钢筋应变值最小.产生上述现象的原因是：持荷冻融耦合作用下的钢筋混凝土压弯构件，受压区混凝土由于内部损伤较未持荷未冻融和持荷未冻融等两种工况下的混凝土压弯构件严重，这就相当于受压区的混凝土强度降低，从而发生钢筋未屈服，受压区混凝土被压碎的试验现象，类似于超筋破坏.
图5 荷载与受拉钢筋应变的关系曲线
Fig.5 Relationship between load and strain of tensile reinforcement
4 结 论
本文通过分析得出以下结论：
1) 持荷与冻融耦合作用下钢筋混凝土压弯构件的裂缝发展规律与未持荷未冻融、持荷未冻融工况相似，但是对于极限荷载状态时，持荷冻融的裂缝宽度最小；
2) 持荷与冻融耦合作用下钢筋混凝土压弯构件的承载能力较未持荷未冻融与持荷未冻融降低，这意味着对于长期处于高负荷状态裸露在外的严寒地区的混凝土压弯构件，其压弯承载力在规范要求的基础上需进行折减；
3) 持荷与冻融耦合作用下钢筋混凝土压弯构件的荷载挠度曲线形态与持荷未冻融和未持荷未冻融工况一致，但是持荷冻融工况下混凝土压弯构件的变形性能更好；
4) 在持荷与冻融耦合作用下，钢筋混凝土压弯构件在承载力达到极限状态时，会发生类似于超筋破坏的试验现象.
[1] 李福海.冻融环境下桥梁下部结构混凝土抗侵蚀性能研究 [D].成都：西南交通大学，2012.
(LI Fu-hai.Study on anti-erosion properties of concrete for bridge substructure in freeze-thaw environment [D].Chengdu：Southwest Jiaotong University，2012.)
[2] 陈思佳.冻融环境对钢筋混凝土结构耐久性的影响 [D].上海：上海交通大学，2013.
(CHEN Si-jia.Influence of freeze-thaw cycles on the durability of reinforced concrete [D].Shanghai：Shanghai Jiaotong University，2013.)
[3] 王成，葛广华，黎亮，等.南疆盐渍土地区混凝土抗冻性能研究 [J].长江科学院院报，2017，34(5)：125-130.
(WANG Cheng，GE Guang-hua，LI Liang，et al.Anti-frost property of concrete structure in south Xinjiang autonomous region [J].Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2017，34(5)：125-130.)
[4] 张炯，李莉，明瑞平，等.不同掺合料的透水混凝土冻融循环性能研究 [J].硅酸盐通报，2017，36(5)：1480-1485.
(ZHANG Jiong，LI Li，MING Rui-ping，et al.Freeze-thaw cycle performance of pervious concrete with dif-ferent admixtures [J].Bulletin of the Chinese Ceramic Society，2017，36(5)：1480-1485.)
[5] 王海军，高勇，魏华，等.混凝土在压应力状态下的抗冻性试验分析 [J].沈阳工业大学学报，2016，38(4)：445-449.
(WANG Hai-jun，GAO Yong，WEI Hua，et al.Experi-mental analysis on frost resistance property of concrete at compressive stress state [J].Journal of Shenyang University of Technology，2016，38(4)：445-449.)
[6] 陈升平，王佳雯.冻融环境下纤维混凝土损伤模型研究 [J].混凝土，2017(10)：58-61.
(CHEN Sheng-ping，WANG Jia-wen.Damage model of fiber reinforced concrete under freezing and thawing environment [J].Concrete，2017(10)：58-61.)
[7] 周茗如，曹润倬，周群.基于冻融循环条件下的纤维混凝土抗冻性试验研究 [J].混凝土，2018(7)：5-7.
(ZHOU Ming-ru，CAO Run-zhuo，ZHOU Qun.Experimental study on durability of fiber reinforced concrete in freeze-thaw cycle [J].Concrete，2018(7)：5-7.)
[8] 蒿洋，牛荻涛，王家滨.硝酸侵蚀环境喷射混凝土抗冻性试验研究 [J].混凝土，2017(12)：154-156.
(HAO Yang，NIU Di-tao，WANG Jia-bin.Experimental study on frost resistance of sprayed concrete under coupled nitric acid erosion and freeze-thaw cycles [J].Concrete，2017(12)：154-156.)
[9] Kogbara R B，Iyengar S，Grasley Z C，et al.A review of concrete properties at cryogenic temperatures：towards direct LNG containment [J].Construction and Building Materials，2013，47(12)：760-770.
[10] 冯扣宝，王路明，蒋蕾，等.超轻水泥基发泡混凝土抗冻融性能试验研究 [J].混凝土，2015(12)：38-42.
(FENG Kou-bao，WANG Lu-ming，JIANG Lei，et al.Experimental study on the performance of freeze-thaw resisitance of ultralight foam concrete [J].Concrete，2015(12)：38-42.)
[11] 金伟锋.盐渍土地区混凝土的抗冻耐久性试验研究 [D].西安：长安大学，2010.
(JIN Wei-feng.Experimental study on anti-frozen durability of concrete in saline soil region [D].Xi’an：Chang’an University，2010.)
[12] 秦晓川.混凝土及预应力混凝土冻融机理及耐久性评估研究 [D].南京：东南大学，2017.
(QIN Xiao-chuan.Researce of freeze-thaw mechanism and durability evaluation of concrete [D].Nanjing：Southeast University，2017.)