0 引言

混凝土在寒冷地区易受冻融循环影响，导致结构劣化。混凝土抗冻性能是指混凝土在饱和水状态下承受多次冻融循环而不损坏的性能。现有研究多基于宏观试验指标（如强度损失、质量损失率、动弹性模量、抗剥落能力、超声波波速损失等）探究混凝土抗冻性，但缺乏微观与宏观关联分析。本文系统研究了冻融破坏机理、材料及工艺优化、环境耦合效应，以期为提升混凝土抗冻性提供技术参考。

1混凝土冻融破坏机理

冻融循环作用下，混凝土内部微裂纹扩展连通，表面形成龟裂及缺边掉角，损伤累积将导致强度显著降低甚至丧失。当前主流理论认为，静水压和渗透压作用共同驱动了混凝土的冻融破坏。

Powers于1949年提出静水压理论，指出混凝土毛细孔自由水结冰膨胀产生内部应力，当孔隙接近饱和时膨胀应力无法转移导致开裂；同时，表层结冰水封闭内部未冻水，形成向内挤压压力引发微裂缝。

1953年，Powers与Helmuth提出渗透压理论补充解释：孔隙水结冰使溶液浓度升高，驱动未冻区水分向结冰区迁移形成渗透压，当超过混凝土抗拉强度时即产生微裂纹。静水压和渗透压理论分别从物理膨胀和溶液浓度梯度角度揭示了混凝土冻融损伤机理。

Scherer(1993）提出结晶压力理论，假设圆柱形孔隙水结冰时因冰水界面曲率差异形成压力差，孔壁对冰晶施加的结晶压力超过材料强度则引发破坏；Setzer基于“未冻水-冰-蒸汽”三相稳定性提出微冰晶理论；Valenza与Scherer（2006）针对盐冻环境建立“黏结-剥落”理论，共同完善了多孔材料冻融破坏机理体系。

2 混凝土宏观抗冻性能研究

2.1 混凝土材料及工艺优化

2.1.1 外加剂或掺合料

谢剑等通过试验表明，混凝土水灰比较低且掺有粉煤灰、矿粉和硅灰三种掺合料可使混凝土具有优良的抗冻性。

邓祥辉等通过试验研究表明，不同外加剂下混凝土抗冻耐久性如下，复掺引气剂和减水剂>单掺引气剂单掺减水剂>不掺；且从孔隙结构的变化来看，中小孔隙在混凝土中的比例越大时，其抗冻融耐久性较好。

张建平等对混凝土抗冻性能进行了初步研究，结果显示，随着含水量的增加，其冻融损伤程度也随之增大，故掺人减水剂和低水灰比可以提高混凝土的抗冻性。矿物掺合料能提高混凝土内部界面结构并参与水化反应。粉煤灰、硅灰、矿渣粉、石灰石粉等是常用的矿物外加剂，双掺或多掺比单掺具有更好的抗冻增强效果。

王春晓等通过试验研究粉煤灰掺量对钢-聚丙烯纤维混凝土抗冻性能的影响。结果表明，当粉煤灰质量掺量为5%～15%时，粉煤灰掺量的增加会提升混杂纤维混凝土的抗冻性能；粉煤灰代替率为10%的混杂纤维混凝土的弯曲荷载较冻融循环前下降率最低。

李重阳等研究发现，添加10%的片麻岩石粉后，混凝土抗冻性能有一定程度的提高；硅灰对混凝土抗冻性的改善作用随掺量的增大呈先增大后减小的趋势，其转折点在8%左右。电镜扫描观察发现，片麻岩石粉和硅灰均可优化混凝土内部结构，提高界面过渡区黏结强度。

刘佳敏等通过试验表明，混凝土抗冻性能随粉煤灰掺量的增加呈先增大后减小的趋势，粉煤灰掺量为胶凝材料的20%的混凝土抗冻性能最佳，与未掺粉煤灰的混凝土相比，粉煤灰掺量为10%、20%的混凝土抗冻性能均有所提升。

张凯等以冻土层混凝土为背景，研究不同引气剂掺量对混凝土抗冻性能的影响，发现混凝土的抗冻性能随着含气量增加先增后减，且在同等抗压强度下，含气量为3.2%时，混凝土的质量损失及相对冻融耐久性指标降低幅度最小，抗冻性能最优。

2.1.2 纤维

张同军通过试验表明，掺人聚丙烯纤维的混凝土较其他掺合料的混凝土，在同一循环次数下质量损失最低且相对弹性模量最大；当应力比为0～0.2时，混凝土的抗冻性能增强。

苏有文等通过试验研究聚丙烯纤维的体积掺量对橡胶混凝土抗冻性能的影响，结果表明，聚丙烯纤维掺量在1.80%～2.25%时，其抗冻性能都比较理想，李趁趁等通过试验发现，玄武岩纤维（18mm）在体积分数0.10%～0.20%范围内，对提高C60高强混凝土的抗冻性能优于纤维素纤维；且在同一掺量下，18mm的玄武岩纤维较6、30mm长的纤维对C60高强混凝土的抗冻性改善作用更强。

易怀书等通过冻融试验和抗压强度试验发现，钢纤维掺量为1.5%的C30、C40混凝土试件组较素混凝土试件组的质量损失率减少了0.69%和1.09%，抗压强度损失率减少了3.9%和4%，这表明钢纤维的掺人可以减少混凝土的质量和强度的损失率。

2.1.3 外加剂或掺合料与纤维的综合作用

卢海龙等通过试验发现，同一玄武岩纤维掺量下，掺入引气剂可使会混凝土的力学性能下降；同一引气剂掺量下，玄武岩纤维的掺量增加会导致混凝土力学性能先增后减。0.2%玄武岩纤维和0.03%引气剂混掺的混凝土的质量和相对动弹性模量损失最小。

徐丽娜等通过试验发现，适量石粉对冻融混凝土的质量损失率无明显影响，同一石粉含量下，冻融混凝土强度损失最小的玄武岩纤维最佳掺量为5kg/m3，最佳长度为12mm。

吴倩云等通过试验探究玄武岩纤维-矿渣粉-粉煤灰混凝土的抗冻性能。宏观试验数据表明，冻融循环次数的增加会导致玄武岩纤维-矿渣粉-粉煤灰混凝土的抗冻性能降低同一循环次数下，玄武岩纤维掺量为0.18%时，混凝土抗冻性能好。

2.1.4 工艺优化

莫黎等通过质量和抗压强度损失率、声发射特征研究不同养护制度下混凝土冻损受压损伤，研究表明蒸养温度过高（70、90℃）对粉煤灰混凝土抗冻性不利，蒸汽养护温度为40℃的混凝土，其抗冻性能与标准养护混凝土相当。

王开凤等通过试验发现，振动搅拌能显著降低混凝土中的有害孔隙含量及总孔隙量，加速混凝土水化反应，改善界面过渡带结构，细化孔隙结构，进而提高混凝土的抗冻性。

2.2 冻融与其他外部环境因素耦合作用

2.2.1 盐冻作用

王习等以3%质量浓度的NaCl溶液为介质，对混凝土进行盐冻试验，研究发现，掺量为7%的CTF混凝土抗冻性能较好。

南雪丽等通过试验对三种混凝土进行水冻和盐冻的内部损伤机理研究，试验发现，水冻与盐冻的混凝土质量损失差别不大，但水冻的冻融破坏速度缓慢且程度低。

焦凯等通过试验发现，不同盐冻环境下，不同因素对混凝土质量及强度损失影响大小排序为：硫酸盐>氯盐>清水，且盐溶液在混凝土冻融循环过程中会在混凝土的凝胶结构产生不同的盐结晶，外加冻融循环的叠加作用，导致盐冻相较于水冻破坏混凝土抗冻性能更强

2.2.2 荷载、高温、干湿循环、碳化作用

逐静洲等通过试验发现，前期疲劳作用对混凝土后期冻融循环作用的抗冻性能有显著的劣化效果

张庆玲等在单轴加载下对粉煤灰混凝土进行不同轴压的抗冻性能试验，发现粉煤灰混凝土在轴压比处于30%～50%时具有良好的抗冻性

赵军等开展了高温-冻融循环耦合作用下聚丙烯纤维混凝土抗冻性能劣化规律的试验研究，发现随着温度升高，其抗冻性逐渐降低，且在高温-冻融耦合作用下，土动弹性模量与抗压强度下降速率较快。

卢晓春等通过浸烘循环和冻融循环试验研究混凝土在冻融循环和干湿循环耦合作用下的抗冻耐久性。试验结果表明，干湿循环会加深冻融循环对混凝土的破坏，因为干湿循环会导致混凝土表面出现初始损伤并产生微裂纹，进而加快冻融循环作用下混凝土微裂纹的发育。

范志勇等开展了干湿循环-冻融耦合作用及碳化-冻融耦合作用对混凝土性能的力学行为研究。试验结果表明，冻融循环和干湿循环的叠加效应对混凝土的损伤比单一因素的损失更大，且二者之间的影响并非简单的叠加而是相互增强。随着碳化时间的延长，混凝土的抗冻性能提高，但其长期抗冻性降低。

3 混凝土微观抗冻性能研究

常规混凝土抗冻研究多依赖宏观试验，但难以揭示内部微观损伤演化机理。现有理论认为冻融破坏源于材料初始缺陷（微裂纹、孔隙等），而SEM、CT、NMR等先进技术为微观观测提供了新途径。例如，ZhaoR等通过SEM（扫描电子显微镜）发现冻融后混凝土微裂纹逐渐扩展成网状；张波等基于CT（计算机断层扫描成像）证实冻融导致沥青混凝土孔隙率激增并滞留水分；朱翔琛等借助NMR（核磁共振技术）发现冻融循环使无害孔减少，有害孔比例线性增长，揭示了孔隙结构劣化规律。

4混凝土抗冻性能分析及改善措施

国内外研究表明，矿物掺合料、外加剂及纤维的优化配比可提升混凝土抗冻性，配合适宜养护与振动搅拌工艺效果更佳。

冻融-盐蚀耦合会引发物理化学协同破坏，而30%～50%轴向压力通过抵消冻胀力增强抗冻性，疲劳荷载、高温、干湿循环则加剧劣化，混凝土碳化形成的产物（碳酸钙和水）在前期有利于提高其抗冻性，但会降低其长期抗冻性。孔隙结构（饱水度、孔径分布）是抗冻关键——引气剂通过优化中小孔比例提升抗冻性，但过高孔隙率反而加速破坏，纤维则通过拉结作用直接增强抗渗抗裂。施工时需针对性地提升材料性能与孔隙结构优化，从拌和工艺到养护措施系统保证混凝土抗冻耐久性。

5结语

混凝土抗冻性能研究一直是混凝土材料领域的重要课题。本文总结了近期国内外相关文献，介绍了冻融破坏理论并从宏观和微观两个角度进行抗冻性能研究，得出以下结论。

(1)冻融破坏机理以静水压和渗透压理论为主流，结晶压力、微冰晶、“黏结-剥落”等理论适用于特殊场景，需结合多尺度模拟与原位观测构建动态损伤演化模型

（2）混凝土抗冻性能取决于孔隙结构（饱水度、孔隙率、孔径组成与分布）与材料组分优化（优质骨料、矿物掺合料、外加剂、纤维等），同时受盐蚀、荷载等环境耦合作用显著影响。

（3）当前研究多孤立分析宏观力学与微观结构变化，缺乏对混凝土冻融循环下宏观力学性能及微观结构变化的对应观察，未来可基于分形理论建立孔隙维数与宏观性能的定量关联，实现冻融劣化精准表征。

结合冻融破坏机理，从宏观试验到微观观察的混凝土抗冻性能研究已经取得了很多成果。这些研究为抗冻技术优化提供了重要依据，但复杂环境下抗冻性难题仍未完全解决，需要进一步深化损伤机理研究并开发新型抗冻材料。（来源：《江西建材》2025.05）