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摘 要：北方地区低温季节混凝土结构施工过程中容易受到温度突降的影响而导致耐久性降低，为探究混凝土早期受冻损伤后的耐久性变化及其损伤机理，通过室内模拟不同受冻时刻（养护龄期）、不同冻结温度环境，开展了混凝土早期受冻试验，对比了受冻时刻及冻结温度对混凝土后期抗压强度、相对动弹性模量、损伤层厚度的影响规律，探讨了混凝土早期受冻损伤机理，并构建了以损伤层厚度hf为损伤变量的评价标准，结合实际损伤特点，对该损伤变量进行修正，并验证了其合理性。研究结果表明：早期受冻混凝土的损伤度为20%～30%;在初凝到终凝期间（3.5 h）受冻，混凝土损伤度最大，冻结温度越低，损伤越严重;在初凝前受冻，混凝土损伤度较小，不同冻结温度越高，损伤越严重;在终凝后受冻，混凝土损伤度最小，冻结温度对混凝土损伤影响基本相同。经修正后的hf损伤变量能较准确地描述早期受冻环境下混凝土的损伤程度，相关研究可为在低温季节施工的混凝土建筑物的后期耐久性评价和养护提供依据。
关键词：混凝土;早期受冻;超声平测法;损伤层厚度
Abstract： In the low temperature season， the construction of concrete structures in the northern region is susceptible to temperature drop and the durability is reduced. In order to explore the durability and damage mechanism of concrete after early freeze injury， it simulated different freezing moments （curing age） and different freezing temperatures environments through indoor simulation， carried out early freezing test of concrete and compared the compressive strength， relative dynamic elastic modulus and damage layer thickness of concrete at the late period of freezing and freezing temperature. The mechanism of the early freezing damage of concrete was discussed. The evaluation criteria of damage thickness based on damage thickness hf was established， the damage variable was corrected with the actual damage characteristics and its rationality was verified. The research results show that the damage degree of early frozen concrete is about 20%-30%; the frost damage is the most serious during initial coagulation to final set and the damage degree of concrete is the largest. The lower the freezing temperature is， the more serious the damage will be. Before the initial coagulation or after final set， the damage degree of concrete is small， and the higher the freezing temperature， the more serious the damage will be. The relevant research can provide effective basis for the later durability evaluation and maintenance of concrete buildings constructed in low temperature season.
Key words： concrete; early frost; ultrasonic flat-measured method; thickness of damaged layer
我國地域辽阔，北方地区每年都有相当长时间处于低温季节，尤其是西北干旱区，许多地区低温天气持续时间多达5～6个月[1]，气温突降情形时有发生，尤其是秋末冬初、冬末春初时期，工程施工中刚浇筑的混凝土还未及时采取防冻措施便可能遭受一次或多次冻害，对混凝土建筑物服役期耐久性能及承载性能造成难以弥补的伤害。随着我国基础设施建设的大规模开展，人为失误、气候多变导致施工期混凝土受冻情况较为多见，2000年来国内外学者重新重视了混凝土早期冻害的损伤规律研究。如巴恒静等[2]研究了混凝土早期受冻对后期抗折强度及抗压强度的影响规律，发现即使水灰比很小的混凝土，经早期受冻标养至28 d的抗折强度和抗压强度也会分别下降20%、30%;张延年等[3]探究了混凝土不同早期受冻时刻（养护龄期）对后期抗压强度及质量损失的影响规律，得出受冻时刻越长，混凝土后期抗压强度越大，质量损失越小;聂治平[4]研究了不同水灰比混凝土早期受冻对后期抗压强度的影响，发现混凝土水灰比越大，经早期受冻标养后的抗压强度越小;Choi等[5]提出了一种基于混凝土冻结深度和起冻时间，通过测量torrent渗透性来判定混凝土早期冻害的方法，并试验验证了该方法检测混凝土早期冻害的可靠性。然而，上述研究大多基于《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》[6]，混凝土早期（终凝前）受冻，其性能、物理形态较硬化混凝土更为多变，用研究硬化混凝土的方法来研究早期混凝土显然是不合理的。此外，混凝土抗冻性评价指标多采用质量损失、抗压强度和相对动弹性模量，但在实际工程中，混凝土结构质量无法测量，取芯检测强度会对结构造成损伤，相对动弹性模量无法有效直接地反映混凝土受冻损伤程度。因此，确定一个能无损、便捷地反映混凝土受冻损伤程度的指标对实际工程具有重大意义。 混凝土结构受冻损伤时，低温是由外而内向混凝土内部渗入的，逐渐结冰膨胀并造成混凝土损伤，结构表面损伤最为严重，向内延伸损伤程度逐渐减弱，这一现象可以从宏观层面反映混凝土受冻损伤特点[7]。因此，混凝土损伤层厚度可以很好地描述这一特征。随着无损检测技术的发展，超声波检测更多地应用到了混凝土损伤层厚度的研究中。如苑立冬等[8]基于超声波平测法研究了不同种类浓度硫酸盐溶液作用下混凝土损伤层厚度的变化情况，表明混凝土损伤层厚度能反映出盐冻作用下混凝土损伤劣化程度。Chu H Y等[9]基于超声波技术研究了硫酸盐侵蚀作用下不同掺和料混凝土的损伤层厚度，发现掺加粉煤灰的混凝土的性能要优于掺加矿渣的混凝土。Naffa等[10]采用超声波检测技术研究了混凝土化学腐蚀度，并验证了使用该方法无损检测混凝土化学腐蚀程度的可行性。混凝土早期受冻研究起步较晚，该领域尚未形成系统完善的理论体系，基于无损检测技术对早期受冻混凝土表层损伤的定量研究更是鲜有提及。因此，模拟实际工程环境，采用超声波无损检测技术研究早期受冻混凝土后期损伤层厚度的变化规律，从混凝土损伤层视角分析混凝土早期受冻的损伤劣化程度，通过对结构损伤层的无损检测推演出材料劣化和结构服役状态，与传统抗冻性评价指标（抗压强度、相对动弹性模量）进行对比，并引入相应的损伤变量，对于研究早期受冻混凝土结构的耐久性和承载性能具有重要的理论意义。
笔者以-10 ℃和-5 ℃环境下受冻1次、持续时间6 h为试验环境模拟早期受冻环境，通过研究不同受冻时间对混凝土后期抗压强度、相对动弹性模量、损伤层厚度的影响规律，分析了早期受冻对混凝土后期耐久性能的影响规律及损伤机理，建立了以混凝土早期受冻损伤层厚度为损伤变量的评价标准，并验证了其合理性。
1 试验概况
1.1 原材料及配合比
试验用水泥为郑州天瑞水泥厂生产的标号P.O42.5水泥。粗骨料是鄭州市贾峪镇砂石厂生产的粒径5～25 mm连续级配、无针片状颗粒、质地坚硬且表面粗糙的碎石子。细骨料为汝河河沙，细度模数为2.74。减水剂为RD-N型高效减水剂，减水效果为20%左右，掺入量为胶凝材料质量的1%。水为郑州市自来水，pH值为6.7。混凝土塌落度为65 mm，在自然环境下（10 ℃左右）初凝时间和终凝时间分别为90 min和360 min。混凝土配合比见表1。
1.2 试件制作与试验方法
将浇筑成型1 h（初凝前）、3.5 h（初凝与终凝之间）、8 h（终凝后）、1 d后的混凝土分别置入-10 ℃和-5 ℃的WGD/SH2050高低温恒定湿热试验箱中冷冻6 h后取出，待浇筑24 h后拆模，放入标准养护室养护，另预留正常养护未受冻试件作为对比，待所有试件养护28 d后进行试验，所有混凝土试件均采用同一配合比。在-10、-5 ℃冻结温度下的各个受冻时间分别设置3块100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体试件和3块100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件，采用立方体试件测混凝土抗压应力（测试仪器为WAW-1000型电液伺服万能试验机），采用棱柱体试件测混凝土动弹性模量和混凝土损伤层厚度（测试仪器为NM-4B型非金属超声检测仪），试验数据均取各组混凝土试件数据的平均值。
1.3 损伤层厚度检测方法及原理
超声平测法是一种无损检测技术，假定混凝土损伤层与未损伤层之间有明显的分界线，依据超声波在损伤层与未损伤层中传播速度的不同来测量损伤层厚度hf的一种方法[11]。这种方法原理是，当T、R换能器距离较近时，超声波在损伤层中的传播时间较短，首先到达接收换能器，此时接收换能器读取的声时值为损伤层中的传播波速Vd;当T、R换能器距离较远时，超声波透过损伤层在未损伤层混凝土中的传播时间较短，此时接收换能器读取的声时值为未损伤混凝土中的传播波速Vu;当T、R间距为某一测距l0时，超声波在损伤层中传播到达R的时间和两次透过损伤层在未损伤混凝土传播到达R的时间相等，由此可确定出混凝土损伤层厚度hf。
试验方法依据《超声法检测混凝土缺陷技术规程》（CECS 21—2000）[12]中的单面平测法，对棱柱体的一个100 mm×400 mm平整侧面进行检测，换能器布置见图1，发射换能器T布置于距棱柱体边缘50 mm处，接收换能器R沿混凝土面按一定测距进行排查，读取不同位置的声时值，测距依次为50、75、100、150、200、250 mm。根据T、R换能器的测距和相应的声时值绘制时距关系曲线，见图2，按式（1）计算混凝土损伤层厚度。
2 试验结果与分析
2.1 抗压强度
混凝土抗压强度是混凝土力学性能的直观反映，早期受冻、未受冻混凝土抗压强度见表2。
由表2可知，早期受冻混凝土的抗压强度较未受冻混凝土均呈现出不同程度的强度损失，损失程度依次为：fcu（3.5 h）>fcu（8 h）≈fcu（1 h）>fcu（1 d）。初凝终凝之间受冻混凝土的抗压强度下降幅度最大，-10、-5 ℃受冻混凝土的抗压强度分别较未受冻混凝土下降了31%和28%;初凝前-10、-5 ℃受冻混凝土的抗压强度分别下降了16%和18%，终凝后-10、-5 ℃受冻混凝土的抗压强度分别下降了16%和20%，初凝前与终凝后（8 h）混凝土抗压强度损失相差不大;终凝后受冻时间越长，抗压强度下降幅度越小，受冻时间为1 d时，-10 ℃和-5 ℃受冻混凝土抗压强度分别下降了3%和6%。冻结温度对混凝土抗压强度的影响较小，龄期为 1 h、8 h、1 d时， -5 ℃的受冻混凝土的抗压强度损失略大于-10 ℃的;龄期为3.5 h时，-10 ℃的受冻混凝土的抗压强度损失略大于-5 ℃的。初凝前、终凝后-5 ℃的受冻混凝土的抗压强度损失较10 ℃的略多。 2.2 相对动弹性模量
相对动弹性模量可以敏感地反映出混凝土内部损伤劣化程度，对混凝土早期受冻损伤是一个比较好的评价指标。本试验采用超声波无损检测技术检测混凝土动弹性模量，其计算公式为
不同冻结温度、不同受冻时间混凝土试块的相对动弹性模量见表3。
由表3可知，不同养护龄期混凝土相对动弹性模量下降程度与抗压强度类似，损失幅度依次为：ED（3.5 h）>ED（8 h）≈ED（1 h）>ED（1 d）。初凝终凝之间受冻混凝土较未受冻混凝土的相对动弹性模量下降幅度最大，-10、-5 ℃环境下分别下降了0.33和0.30;初凝前、终凝后混凝土相对动弹性模量下降幅度基本相同，较初凝终凝之间受冻混凝土损失小;终凝后养护时间越长，相对动弹性模量下降幅度越小。同时，不同冻结温度混凝土相对动弹性模量与混凝土抗压强度损失类似，龄期为 1 h、8 h、1 d时， -5 ℃的受冻混凝土的相对动弹性模量损失略大于-10 ℃的;龄期为3.5 h时，-10 ℃的受冻混凝土的相对动弹性模量损失略大于-5 ℃的。
2.3 损伤层厚度
运用NM-4B型非金属超声检测仪对混凝土进行检测，按文献[13]所示方法进行计算，得到不同冻结温度、不同受冻时间混凝土试块的损伤层厚度，见表4。
混凝土损伤层厚度hf能在一定程度上反映出混凝土损伤程度[14]，损伤层厚度越大表明混凝土损伤层密实性越差，混凝土劣化越严重。所有受冻试块均表现出不同程度的受冻损伤，不同受冻时间混凝土损伤层厚度表现为hf（3.5 h）>hf（8 h）≈hf（1 h）>hf（1 d），冻结温度对混凝土损伤层厚度影响程度为：龄期为1 h、 8 h、1 d时，-5 ℃的混凝土损伤层厚度大于-10 ℃的;龄期为3.5 h时，-10 ℃的混凝土损伤层厚度大于-5 ℃的。
损伤层厚度的无损检测结果与相对动弹性模量和抗压强度实测结果表現规律一致，进一步验证了损伤层厚度表征混凝土损伤的可靠性。
2.4 早期受冻破坏对混凝土后期耐久性能的影响
2.4.1 受冻时间的影响
混凝土在初凝前受冻，此时水化反应刚开始，自由水含量极高[15]，可塑性较强。低温环境下部分自由水冻结成冰，造成混凝土体积膨胀，但此时受冻产生的冻胀变形不会有应力产生或产生极小的应力，对混凝土损伤较小[16];温度的突然降低会造成水分的迁移[17]，由高温区迁移至低温区，减缓了水化反应速度，加之粗骨料比热容较小，降温较快，在粗骨料表层形成冰膜，进而阻止了砂浆与粗骨料的黏合，降低了混凝土强度的增长。当混凝土从低温环境转移至标准养护室时，冰晶融化为水，大量未水化水泥颗粒继续水化，生成一定量的水化产物，进而完成混凝土材料受冻后的自我修复。
混凝土在初凝与终凝之间阶段受冻，受冻过程与初凝前类似，此时混凝土已形成初步强度，部分混凝土已失去塑性，在冻胀应力作用下水化形成的凝胶体开裂，砂浆与粗骨料之间产生明显裂痕，混凝土密实性和整体性遭受破坏。此时转入标准养护室，能参与水化反应的水泥颗粒相比初凝前较少，砂浆与粗骨料之间产生的冻胀裂痕难以修复，混凝土强度回升有限。
混凝土在终凝后受冻，此时混凝土已完全失去塑性。由于受冻前水化反应已充分进行，大量凝胶材料已生成，水泥砂浆与粗骨料黏结较好，混凝土结构组织较为密实，因此混凝土已具备较高强度。此时混凝土可以较大程度上抵抗受冻产生的膨胀应力，低温环境对混凝土损伤较小，且终凝后龄期越长，混凝土水化越充分，混凝土抵抗冻结产生膨胀应力的能力越强。
2.4.2 冻结温度的影响
混凝土早期受冻温度越低，内部水分转化为冰晶速度越快，混凝土含冰量就越多[18]，初凝前受冻的混凝土转入标准养护室之后参与到水化反应的自由水也越多，因此冻结温度越低，混凝土损伤越轻;初凝终凝之间混凝土处于强度快速增长时期，已形成部分水化产物，此时受冻温度越低，造成水化产物开裂越严重，转入标准养护室之后裂痕难以修复，混凝土强度回升有限，因此冻结温度越低，混凝土损伤越严重;终凝后混凝土已形成部分强度可较大程度上抵消冻胀应力带来的损伤，此时受冻对混凝土损伤较小，-5 ℃造成的混凝土损伤略大于-10 ℃的。
3 损伤变量
损伤层厚度是一个量值，能在一定程度上反映出混凝土损伤程度，是混凝土损伤的一种宏观体现，但难以准确地对混凝土材料的损伤劣化程度进行定量描述，为解决这一问题，引入了损伤变量这一概念。
结构或材料在损伤过程中，会在内部产生大量相互影响的微裂纹，由于无法对所有微裂纹做出几何性的描述，因此力学工作者把含有众多微裂纹的区域看成是局部均匀场，考虑裂纹的整体效应，试图通过定义一个场变量来描述均匀场的损伤状态，这个场变量就是损伤变量[19]。损伤变量也叫损伤度，是一种内部状态变量，可以表征结构或材料损伤劣化的程度。笔者根据混凝土抗压强度、混凝土相对动弹性模量和混凝土损伤层厚度3种指标分别定义了3种损伤变量，即
由表5可知，3种评价指标的损伤变量D在不同受冻时间的大小关系均表现为D（3.5 h）>D（8 h）≈D（1 h）>D（1 d）。当龄期为 1 h、8 h、1 d时，-5 ℃的受冻混凝土的Df、DE、Dh较-10 ℃的略大;当龄期为3.5 h时，-5 ℃的受冻混凝土的Df、DE、Dh较-10 ℃的略小，损伤变量直观地反映出了混凝土的损伤程度。
以抗压强度、相对动弹性模量为评价指标的损伤变量大致相同，以损伤层厚度为评价指标的损伤变量明显较大，如B-8 h混凝土试块，Df/DE=0.91，Dh/DE=2.32。原因是：把损伤层厚度当做评价指标计算损伤变量时，认为混凝土损伤层厚度对整个截面不做功，但实际上，混凝土损伤层是由表及里逐渐产生的，表层混凝土损伤最为严重，越往里混凝土损伤越轻，直至没有损伤，损伤层混凝土仍具有一定强度，因此应考虑混凝土损伤部分对混凝土整体强度的贡献，故对式（6）作相应修正。 任何材料抵抗外力作用本质上是因其自身有一定强度，当材料强度减弱时，这种抵抗能力随之减小。根据这一概念，引入混凝土损伤层厚度修正系数α[20]，即
混凝土截面面积A=104 mm2，此时未损伤混凝土层截面面积Acn0 =（100-2hfn）2 mm2，混凝土损伤层截面面积Ahn=（104-Acn0）mm2。混凝土平均抗压应力fcn已测得，假定正常养护未受冻混凝土试件的抗压应力为未损伤混凝土抗压应力fc0，代入式（9）即可算得损伤层混凝土抗压应力fhn，见表6。
将计算得到的混凝土损伤层应力代入式（7）即可算得损伤层厚度修正系数α，将α代入式（8）得到修正后的混凝土损伤层厚度损伤变量D′h，见表7。
从表7可看出，修正后的D′h较修正前明显变小，原因是考虑了损伤层厚度的残余应力对混凝土整体强度的贡献。不同受冻时间、不同冻结温度的D′h与DE相差最多0.02，对比表5可知，3种评价指标的损伤变量大致相同，故可以认为，修正后的混凝土损伤层厚度损伤变量可作为早期受冻混凝土损伤程度的评价指标。
4 结 论
（1）早期受冻混凝土与未受冻混凝土相比，抗压强度、相对动弹性模量、损伤层厚度都有较大损伤，损伤度为20%～30%。
（2）早期受冻时刻对混凝土抗压强度、动弹性模量、损伤层厚度的影响规律类似，大致表现为：D（3.5 h）>D（8 h）≈D（1 h）>D（1 d）。分析可知：养护至初凝终凝之间的混凝土已有初步强度，此时受冻造成混凝土产生难以修复的裂痕，故损伤程度最大;初凝前混凝土水化反应刚开始，受冻后转入标准养护室，混凝土完成了一定程度的自我修复，故损伤程度较小;终凝后混凝土已有一定强度可抵抗部分冻胀应力，且终凝后养护时间越长，混凝土抵抗冻胀的能力越强。
（3）早期受冻结温度对混凝土抗压强度、动弹性模量、损伤层厚度的影响较小且影响规律类似，大致表现为：在初凝终凝之间受冻，冻结温度越低，混凝土损伤越严重;初凝前受冻，冻结温度越高，混凝土损伤越严重;在终凝后受冻，此时混凝土的强度较高，并具有较强的抗冻性，混凝土的受冻损伤程度较小，不同冻结温度下，混凝土的损伤程度基本相同。
（4）构建了基于混凝土早期受冻损伤层厚度的损伤变量，并与传统指标定义的损伤变量进行对比分析，结果表明：修正后的D′h可较好地描述早期冻结环境下混凝土的损伤程度，该变量可作为新的混凝土早期受冻评价指标。
参考文献：
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【责任编辑 崔潇菡】
关键词：混凝土;早期受冻;超声平测法;损伤层厚度
Abstract： In the low temperature season， the construction of concrete structures in the northern region is susceptible to temperature drop and the durability is reduced. In order to explore the durability and damage mechanism of concrete after early freeze injury， it simulated different freezing moments （curing age） and different freezing temperatures environments through indoor simulation， carried out early freezing test of concrete and compared the compressive strength， relative dynamic elastic modulus and damage layer thickness of concrete at the late period of freezing and freezing temperature. The mechanism of the early freezing damage of concrete was discussed. The evaluation criteria of damage thickness based on damage thickness hf was established， the damage variable was corrected with the actual damage characteristics and its rationality was verified. The research results show that the damage degree of early frozen concrete is about 20%-30%; the frost damage is the most serious during initial coagulation to final set and the damage degree of concrete is the largest. The lower the freezing temperature is， the more serious the damage will be. Before the initial coagulation or after final set， the damage degree of concrete is small， and the higher the freezing temperature， the more serious the damage will be. The relevant research can provide effective basis for the later durability evaluation and maintenance of concrete buildings constructed in low temperature season.
Key words： concrete; early frost; ultrasonic flat-measured method; thickness of damaged layer
我國地域辽阔，北方地区每年都有相当长时间处于低温季节，尤其是西北干旱区，许多地区低温天气持续时间多达5～6个月[1]，气温突降情形时有发生，尤其是秋末冬初、冬末春初时期，工程施工中刚浇筑的混凝土还未及时采取防冻措施便可能遭受一次或多次冻害，对混凝土建筑物服役期耐久性能及承载性能造成难以弥补的伤害。随着我国基础设施建设的大规模开展，人为失误、气候多变导致施工期混凝土受冻情况较为多见，2000年来国内外学者重新重视了混凝土早期冻害的损伤规律研究。如巴恒静等[2]研究了混凝土早期受冻对后期抗折强度及抗压强度的影响规律，发现即使水灰比很小的混凝土，经早期受冻标养至28 d的抗折强度和抗压强度也会分别下降20%、30%;张延年等[3]探究了混凝土不同早期受冻时刻（养护龄期）对后期抗压强度及质量损失的影响规律，得出受冻时刻越长，混凝土后期抗压强度越大，质量损失越小;聂治平[4]研究了不同水灰比混凝土早期受冻对后期抗压强度的影响，发现混凝土水灰比越大，经早期受冻标养后的抗压强度越小;Choi等[5]提出了一种基于混凝土冻结深度和起冻时间，通过测量torrent渗透性来判定混凝土早期冻害的方法，并试验验证了该方法检测混凝土早期冻害的可靠性。然而，上述研究大多基于《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》[6]，混凝土早期（终凝前）受冻，其性能、物理形态较硬化混凝土更为多变，用研究硬化混凝土的方法来研究早期混凝土显然是不合理的。此外，混凝土抗冻性评价指标多采用质量损失、抗压强度和相对动弹性模量，但在实际工程中，混凝土结构质量无法测量，取芯检测强度会对结构造成损伤，相对动弹性模量无法有效直接地反映混凝土受冻损伤程度。因此，确定一个能无损、便捷地反映混凝土受冻损伤程度的指标对实际工程具有重大意义。 混凝土结构受冻损伤时，低温是由外而内向混凝土内部渗入的，逐渐结冰膨胀并造成混凝土损伤，结构表面损伤最为严重，向内延伸损伤程度逐渐减弱，这一现象可以从宏观层面反映混凝土受冻损伤特点[7]。因此，混凝土损伤层厚度可以很好地描述这一特征。随着无损检测技术的发展，超声波检测更多地应用到了混凝土损伤层厚度的研究中。如苑立冬等[8]基于超声波平测法研究了不同种类浓度硫酸盐溶液作用下混凝土损伤层厚度的变化情况，表明混凝土损伤层厚度能反映出盐冻作用下混凝土损伤劣化程度。Chu H Y等[9]基于超声波技术研究了硫酸盐侵蚀作用下不同掺和料混凝土的损伤层厚度，发现掺加粉煤灰的混凝土的性能要优于掺加矿渣的混凝土。Naffa等[10]采用超声波检测技术研究了混凝土化学腐蚀度，并验证了使用该方法无损检测混凝土化学腐蚀程度的可行性。混凝土早期受冻研究起步较晚，该领域尚未形成系统完善的理论体系，基于无损检测技术对早期受冻混凝土表层损伤的定量研究更是鲜有提及。因此，模拟实际工程环境，采用超声波无损检测技术研究早期受冻混凝土后期损伤层厚度的变化规律，从混凝土损伤层视角分析混凝土早期受冻的损伤劣化程度，通过对结构损伤层的无损检测推演出材料劣化和结构服役状态，与传统抗冻性评价指标（抗压强度、相对动弹性模量）进行对比，并引入相应的损伤变量，对于研究早期受冻混凝土结构的耐久性和承载性能具有重要的理论意义。
笔者以-10 ℃和-5 ℃环境下受冻1次、持续时间6 h为试验环境模拟早期受冻环境，通过研究不同受冻时间对混凝土后期抗压强度、相对动弹性模量、损伤层厚度的影响规律，分析了早期受冻对混凝土后期耐久性能的影响规律及损伤机理，建立了以混凝土早期受冻损伤层厚度为损伤变量的评价标准，并验证了其合理性。
1 试验概况
1.1 原材料及配合比
试验用水泥为郑州天瑞水泥厂生产的标号P.O42.5水泥。粗骨料是鄭州市贾峪镇砂石厂生产的粒径5～25 mm连续级配、无针片状颗粒、质地坚硬且表面粗糙的碎石子。细骨料为汝河河沙，细度模数为2.74。减水剂为RD-N型高效减水剂，减水效果为20%左右，掺入量为胶凝材料质量的1%。水为郑州市自来水，pH值为6.7。混凝土塌落度为65 mm，在自然环境下（10 ℃左右）初凝时间和终凝时间分别为90 min和360 min。混凝土配合比见表1。
1.2 试件制作与试验方法
将浇筑成型1 h（初凝前）、3.5 h（初凝与终凝之间）、8 h（终凝后）、1 d后的混凝土分别置入-10 ℃和-5 ℃的WGD/SH2050高低温恒定湿热试验箱中冷冻6 h后取出，待浇筑24 h后拆模，放入标准养护室养护，另预留正常养护未受冻试件作为对比，待所有试件养护28 d后进行试验，所有混凝土试件均采用同一配合比。在-10、-5 ℃冻结温度下的各个受冻时间分别设置3块100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体试件和3块100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件，采用立方体试件测混凝土抗压应力（测试仪器为WAW-1000型电液伺服万能试验机），采用棱柱体试件测混凝土动弹性模量和混凝土损伤层厚度（测试仪器为NM-4B型非金属超声检测仪），试验数据均取各组混凝土试件数据的平均值。
1.3 损伤层厚度检测方法及原理
超声平测法是一种无损检测技术，假定混凝土损伤层与未损伤层之间有明显的分界线，依据超声波在损伤层与未损伤层中传播速度的不同来测量损伤层厚度hf的一种方法[11]。这种方法原理是，当T、R换能器距离较近时，超声波在损伤层中的传播时间较短，首先到达接收换能器，此时接收换能器读取的声时值为损伤层中的传播波速Vd;当T、R换能器距离较远时，超声波透过损伤层在未损伤层混凝土中的传播时间较短，此时接收换能器读取的声时值为未损伤混凝土中的传播波速Vu;当T、R间距为某一测距l0时，超声波在损伤层中传播到达R的时间和两次透过损伤层在未损伤混凝土传播到达R的时间相等，由此可确定出混凝土损伤层厚度hf。
试验方法依据《超声法检测混凝土缺陷技术规程》（CECS 21—2000）[12]中的单面平测法，对棱柱体的一个100 mm×400 mm平整侧面进行检测，换能器布置见图1，发射换能器T布置于距棱柱体边缘50 mm处，接收换能器R沿混凝土面按一定测距进行排查，读取不同位置的声时值，测距依次为50、75、100、150、200、250 mm。根据T、R换能器的测距和相应的声时值绘制时距关系曲线，见图2，按式（1）计算混凝土损伤层厚度。
2 试验结果与分析
2.1 抗压强度
混凝土抗压强度是混凝土力学性能的直观反映，早期受冻、未受冻混凝土抗压强度见表2。
由表2可知，早期受冻混凝土的抗压强度较未受冻混凝土均呈现出不同程度的强度损失，损失程度依次为：fcu（3.5 h）>fcu（8 h）≈fcu（1 h）>fcu（1 d）。初凝终凝之间受冻混凝土的抗压强度下降幅度最大，-10、-5 ℃受冻混凝土的抗压强度分别较未受冻混凝土下降了31%和28%;初凝前-10、-5 ℃受冻混凝土的抗压强度分别下降了16%和18%，终凝后-10、-5 ℃受冻混凝土的抗压强度分别下降了16%和20%，初凝前与终凝后（8 h）混凝土抗压强度损失相差不大;终凝后受冻时间越长，抗压强度下降幅度越小，受冻时间为1 d时，-10 ℃和-5 ℃受冻混凝土抗压强度分别下降了3%和6%。冻结温度对混凝土抗压强度的影响较小，龄期为 1 h、8 h、1 d时， -5 ℃的受冻混凝土的抗压强度损失略大于-10 ℃的;龄期为3.5 h时，-10 ℃的受冻混凝土的抗压强度损失略大于-5 ℃的。初凝前、终凝后-5 ℃的受冻混凝土的抗压强度损失较10 ℃的略多。 2.2 相对动弹性模量
相对动弹性模量可以敏感地反映出混凝土内部损伤劣化程度，对混凝土早期受冻损伤是一个比较好的评价指标。本试验采用超声波无损检测技术检测混凝土动弹性模量，其计算公式为
不同冻结温度、不同受冻时间混凝土试块的相对动弹性模量见表3。
由表3可知，不同养护龄期混凝土相对动弹性模量下降程度与抗压强度类似，损失幅度依次为：ED（3.5 h）>ED（8 h）≈ED（1 h）>ED（1 d）。初凝终凝之间受冻混凝土较未受冻混凝土的相对动弹性模量下降幅度最大，-10、-5 ℃环境下分别下降了0.33和0.30;初凝前、终凝后混凝土相对动弹性模量下降幅度基本相同，较初凝终凝之间受冻混凝土损失小;终凝后养护时间越长，相对动弹性模量下降幅度越小。同时，不同冻结温度混凝土相对动弹性模量与混凝土抗压强度损失类似，龄期为 1 h、8 h、1 d时， -5 ℃的受冻混凝土的相对动弹性模量损失略大于-10 ℃的;龄期为3.5 h时，-10 ℃的受冻混凝土的相对动弹性模量损失略大于-5 ℃的。
2.3 损伤层厚度
运用NM-4B型非金属超声检测仪对混凝土进行检测，按文献[13]所示方法进行计算，得到不同冻结温度、不同受冻时间混凝土试块的损伤层厚度，见表4。
混凝土损伤层厚度hf能在一定程度上反映出混凝土损伤程度[14]，损伤层厚度越大表明混凝土损伤层密实性越差，混凝土劣化越严重。所有受冻试块均表现出不同程度的受冻损伤，不同受冻时间混凝土损伤层厚度表现为hf（3.5 h）>hf（8 h）≈hf（1 h）>hf（1 d），冻结温度对混凝土损伤层厚度影响程度为：龄期为1 h、 8 h、1 d时，-5 ℃的混凝土损伤层厚度大于-10 ℃的;龄期为3.5 h时，-10 ℃的混凝土损伤层厚度大于-5 ℃的。
损伤层厚度的无损检测结果与相对动弹性模量和抗压强度实测结果表現规律一致，进一步验证了损伤层厚度表征混凝土损伤的可靠性。
2.4 早期受冻破坏对混凝土后期耐久性能的影响
2.4.1 受冻时间的影响
混凝土在初凝前受冻，此时水化反应刚开始，自由水含量极高[15]，可塑性较强。低温环境下部分自由水冻结成冰，造成混凝土体积膨胀，但此时受冻产生的冻胀变形不会有应力产生或产生极小的应力，对混凝土损伤较小[16];温度的突然降低会造成水分的迁移[17]，由高温区迁移至低温区，减缓了水化反应速度，加之粗骨料比热容较小，降温较快，在粗骨料表层形成冰膜，进而阻止了砂浆与粗骨料的黏合，降低了混凝土强度的增长。当混凝土从低温环境转移至标准养护室时，冰晶融化为水，大量未水化水泥颗粒继续水化，生成一定量的水化产物，进而完成混凝土材料受冻后的自我修复。
混凝土在初凝与终凝之间阶段受冻，受冻过程与初凝前类似，此时混凝土已形成初步强度，部分混凝土已失去塑性，在冻胀应力作用下水化形成的凝胶体开裂，砂浆与粗骨料之间产生明显裂痕，混凝土密实性和整体性遭受破坏。此时转入标准养护室，能参与水化反应的水泥颗粒相比初凝前较少，砂浆与粗骨料之间产生的冻胀裂痕难以修复，混凝土强度回升有限。
混凝土在终凝后受冻，此时混凝土已完全失去塑性。由于受冻前水化反应已充分进行，大量凝胶材料已生成，水泥砂浆与粗骨料黏结较好，混凝土结构组织较为密实，因此混凝土已具备较高强度。此时混凝土可以较大程度上抵抗受冻产生的膨胀应力，低温环境对混凝土损伤较小，且终凝后龄期越长，混凝土水化越充分，混凝土抵抗冻结产生膨胀应力的能力越强。
2.4.2 冻结温度的影响
混凝土早期受冻温度越低，内部水分转化为冰晶速度越快，混凝土含冰量就越多[18]，初凝前受冻的混凝土转入标准养护室之后参与到水化反应的自由水也越多，因此冻结温度越低，混凝土损伤越轻;初凝终凝之间混凝土处于强度快速增长时期，已形成部分水化产物，此时受冻温度越低，造成水化产物开裂越严重，转入标准养护室之后裂痕难以修复，混凝土强度回升有限，因此冻结温度越低，混凝土损伤越严重;终凝后混凝土已形成部分强度可较大程度上抵消冻胀应力带来的损伤，此时受冻对混凝土损伤较小，-5 ℃造成的混凝土损伤略大于-10 ℃的。
3 损伤变量
损伤层厚度是一个量值，能在一定程度上反映出混凝土损伤程度，是混凝土损伤的一种宏观体现，但难以准确地对混凝土材料的损伤劣化程度进行定量描述，为解决这一问题，引入了损伤变量这一概念。
结构或材料在损伤过程中，会在内部产生大量相互影响的微裂纹，由于无法对所有微裂纹做出几何性的描述，因此力学工作者把含有众多微裂纹的区域看成是局部均匀场，考虑裂纹的整体效应，试图通过定义一个场变量来描述均匀场的损伤状态，这个场变量就是损伤变量[19]。损伤变量也叫损伤度，是一种内部状态变量，可以表征结构或材料损伤劣化的程度。笔者根据混凝土抗压强度、混凝土相对动弹性模量和混凝土损伤层厚度3种指标分别定义了3种损伤变量，即
由表5可知，3种评价指标的损伤变量D在不同受冻时间的大小关系均表现为D（3.5 h）>D（8 h）≈D（1 h）>D（1 d）。当龄期为 1 h、8 h、1 d时，-5 ℃的受冻混凝土的Df、DE、Dh较-10 ℃的略大;当龄期为3.5 h时，-5 ℃的受冻混凝土的Df、DE、Dh较-10 ℃的略小，损伤变量直观地反映出了混凝土的损伤程度。
以抗压强度、相对动弹性模量为评价指标的损伤变量大致相同，以损伤层厚度为评价指标的损伤变量明显较大，如B-8 h混凝土试块，Df/DE=0.91，Dh/DE=2.32。原因是：把损伤层厚度当做评价指标计算损伤变量时，认为混凝土损伤层厚度对整个截面不做功，但实际上，混凝土损伤层是由表及里逐渐产生的，表层混凝土损伤最为严重，越往里混凝土损伤越轻，直至没有损伤，损伤层混凝土仍具有一定强度，因此应考虑混凝土损伤部分对混凝土整体强度的贡献，故对式（6）作相应修正。 任何材料抵抗外力作用本质上是因其自身有一定强度，当材料强度减弱时，这种抵抗能力随之减小。根据这一概念，引入混凝土损伤层厚度修正系数α[20]，即
混凝土截面面积A=104 mm2，此时未损伤混凝土层截面面积Acn0 =（100-2hfn）2 mm2，混凝土损伤层截面面积Ahn=（104-Acn0）mm2。混凝土平均抗压应力fcn已测得，假定正常养护未受冻混凝土试件的抗压应力为未损伤混凝土抗压应力fc0，代入式（9）即可算得损伤层混凝土抗压应力fhn，见表6。
将计算得到的混凝土损伤层应力代入式（7）即可算得损伤层厚度修正系数α，将α代入式（8）得到修正后的混凝土损伤层厚度损伤变量D′h，见表7。
从表7可看出，修正后的D′h较修正前明显变小，原因是考虑了损伤层厚度的残余应力对混凝土整体强度的贡献。不同受冻时间、不同冻结温度的D′h与DE相差最多0.02，对比表5可知，3种评价指标的损伤变量大致相同，故可以认为，修正后的混凝土损伤层厚度损伤变量可作为早期受冻混凝土损伤程度的评价指标。
4 结 论
（1）早期受冻混凝土与未受冻混凝土相比，抗压强度、相对动弹性模量、损伤层厚度都有较大损伤，损伤度为20%～30%。
（2）早期受冻时刻对混凝土抗压强度、动弹性模量、损伤层厚度的影响规律类似，大致表现为：D（3.5 h）>D（8 h）≈D（1 h）>D（1 d）。分析可知：养护至初凝终凝之间的混凝土已有初步强度，此时受冻造成混凝土产生难以修复的裂痕，故损伤程度最大;初凝前混凝土水化反应刚开始，受冻后转入标准养护室，混凝土完成了一定程度的自我修复，故损伤程度较小;终凝后混凝土已有一定强度可抵抗部分冻胀应力，且终凝后养护时间越长，混凝土抵抗冻胀的能力越强。
（3）早期受冻结温度对混凝土抗压强度、动弹性模量、损伤层厚度的影响较小且影响规律类似，大致表现为：在初凝终凝之间受冻，冻结温度越低，混凝土损伤越严重;初凝前受冻，冻结温度越高，混凝土损伤越严重;在终凝后受冻，此时混凝土的强度较高，并具有较强的抗冻性，混凝土的受冻损伤程度较小，不同冻结温度下，混凝土的损伤程度基本相同。
（4）构建了基于混凝土早期受冻损伤层厚度的损伤变量，并与传统指标定义的损伤变量进行对比分析，结果表明：修正后的D′h可较好地描述早期冻结环境下混凝土的损伤程度，该变量可作为新的混凝土早期受冻评价指标。
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