1. 引言
自密实混凝土(self-compacting concrete, SCC) [1]是一种具有高流动性、高密实度、低水化热反应和低渗透性的混凝土。相比较传统的混凝土，SCC可以满足对于结构复杂、难以振捣部位的浇筑[2]，保证浇筑质量。国内外学者通过大量实验对SCC力学性能[3]、物理化学性能[4]进行了系统研究。
近年来，随着SCC技术在大坝、公路、桥梁、隧道等领域的广泛应用[5]，在其不同环境的研究也越来越重要。在我国的东北、西北和华北严寒地区，建筑物一直遭受不同程度的冻融破坏[6]，长时间的冻融破坏会使混凝土的结构产生裂缝、剥落，劣化结构的整体性和承载能力。因此有必要研究混凝土的冻融试验方法、SCC抗冻性的破坏机理和抗冻性机理研究进展，对未来发展方向提出建议。
2. 混凝土抗冻性实验方法
2.1. 慢冻法实验步骤
将标准尺寸100 × 100 × 100 mm的混凝土试件在养护24 d时放入(20 ± 2)℃水中浸泡4 d，待养护龄期达到28 d时取出搽拭表面水分后放入冻融箱的试件架上，冻融箱冷冻温度应保持在(−20~−18)℃，冻融时间不应小于4 h。冷冻结束后，加入温度为(18~20)℃的水，融化时间不应小于4 h。此为一个冻融循环。慢冻法可以模拟实际环境混凝土的冻融现象，可准确评估混凝土的抗冻性能，为工程设计和材料选择提供依据。
2.2. 快冻法实验步骤
将标准尺寸100 × 100 × 400 mm的混凝土试件在养护24 d时放入(20 ± 2)℃水中浸泡4 d，待养护龄期达到28 d时取出搽拭表面水分后将试件放入试件盒内，随后往试件盒内注入清水。每次冻融循环应在2~4 h内完成，其融化的时间不得少于冻融循环时间的1/4。在冷冻过程中，其温度控制在(−18 ± 2)℃，融化时温度控制在(5 ± 2)℃。相较慢冻法，快冻法可以更快的得到实验结果，但模拟精度没有慢冻法精准。
2.3. 质量损失率
混凝土冻融后质量损失率，计算公式如下：
(1)
式中，
为n次冻融循环后的质量损失率；
为n次冻融循环后的质量变化量；M0为原始质量。
2.4. 力学性能指标
抗压强度损失率应按下式进行计算：
(2)
式中，
为n次冻融循环后的抗压强度损失率；
为未冻融的抗压强度平均值；
为n次冻融循环后的抗压强度平均值。
3. 冻融环境下混凝土耐久性及破坏机理
冻融破坏是一个复杂的变化过程，因此许多学者为该问题的认识做出了积极的贡献。直到现在，对于混凝土的破坏机理还未得到统一的结论，主要有以下几种典型的理论来解释冻融的破坏机理，如静水压力[7]和渗透压力理论[8]、体积膨胀理论[9]、毛细管及结晶压理论[10]等，目前由美国学者T. C. Powerse提出的静水压力和渗透压力理论最为经典。总而言之，上述的各种冻融破坏理论[11]均与孔隙水、孔隙结构特征、冻结温度密切相关，其本质是低温下混凝土孔溶液产生相变，导致孔隙中水分迁移，引起孔隙冰透镜体的膨胀压力或者孔隙水迁移产生的应力。孔隙结构对冻融损伤的影响主要体现在：混凝土内部的孔隙可分为凝胶孔、毛细孔和气孔等。凝胶孔孔径极小，一般不会产生冻胀压力；毛细孔孔径较大，在冻融过程中易产生冰晶，当冰晶生长受到孔壁约束时，会产生静水压力。同时，由于不同孔隙中溶液浓度存在差异，水分会从低浓度区域向高浓度区域迁移，产生渗透压力。当这两种压力超过混凝土的抗拉强度时，就会导致混凝土内部出现微裂缝。因此，在探究冻融的过程中孔隙水、孔隙结构特征、冻结温度的变化有助于对混凝土耐久性及冻融破坏机理的认识。陈春珍等[12]提出在反复冻融中，温度变化不仅会产生疲劳应力，这是导致SCC破坏的主要原因，还与微观结构、微观孔径、混凝土含气量、相对抗冻性指数存在一定的关系。Fagerlund [13]提出不同材料与环境对混凝土抗渗性的影响存在区别，抗冻性不仅影响材料性能，还与材料所处的环境息息相关，因此必须分别研究两者对抗冻性的影响。吴庆令等[14]发现混凝土结构经历反复冻融后其表面会发生剥落侵蚀，进而导致质量的降低。李金玉等[15]通过研究发现，冻融循环过程中混凝土的孔隙结构、细观特性与宏观特性，在冻融循环的过程中，其水化产物的结构密实度降低，细观裂缝出现并扩散，但是水化产物的成分保持不变。
混凝土在经历冻融循环时，其耐久性会受到特定的条件影响，其中负温度、孔隙结构和毛细管中的水分是主要因素。在低温条件下，混凝土内部的气液固三相平衡状态被破坏，导致毛细孔中的水分结冰。混凝土中大尺寸的有害孔和多孔隙以及它们的连通性，对毛细孔的充水情况和冻融损伤程度有显著影响。SCC通常通过添加引气剂或引气型减水剂来改善其工作性，引入的微小气泡可以优化混凝土的孔隙结构，减少气泡的间距，从而提高其抗冻融能力。含气量是影响混凝土抗冻性的关键因素之一。适宜的含气量可在混凝土内部形成大量独立的微小气泡，这些气泡能够有效缓解冻胀压力。一方面，气泡可以容纳冰晶生长所需的空间，减少对孔壁的压力；另一方面，气泡能够阻断毛细孔的连通性，降低水分迁移的速率和数量，从而减轻冻融损伤。与常规混凝土相比，SCC具有较高的水泥用量、砂率和含气量。在硬化过程中，水泥浆体的弹性模量和膨胀系数与粗骨料之间存在较大差异，冻融循环中会导致内部损伤的累积。因此，SCC的抗冻融破坏机制和影响因素比常规混凝土更为复杂。
4. 冻融环境下SCC结构抗冻性机理研究进展
4.1. 掺合料对SCC抗冻性的影响
耐久性是建筑物安全的关键因素之一，而混凝土结构的耐久性很大程度上取决于其抗冻性能。通过提升混凝土的抗冻能力，可以增强其耐久性，进而延长建筑物的使用寿命。王建新[16]在其研究中指出，在经历120次冻融循环后，C40 SCC中单一掺入15%粉煤灰的试件比未掺杂试件抗冻性能更低，通过复掺5%沸石粉和适量的粉煤灰，可以显著提高SCC的抗冻性能。粉煤灰反应会消耗水泥水化产生的Ca(OH)2，生成更多的水化硅酸钙凝胶，改善混凝土的孔隙结构，减少有害孔的数量。沸石粉具有较强的吸附性和离子交换能力，能够填充混凝土内部的孔隙，提高密实度，同时还能促进水泥的水化反应，增强界面区的粘结强度。刘清等[17]研究发现掺量分别为40%、50%和60%的粉煤灰，随着掺量的不断增加，混凝土的抗冻性能呈现出逐渐降低的趋势。Halit Yazici [18]的研究则表明，在C60 SCC中单一掺入30%、40%、50%和60%的粉煤灰，随后在复掺10%硅灰。当90次冻融循环后，单掺30%粉煤灰和复掺10%硅灰的试件的抗压强度效果做好，比基准混凝土抗压强度高出20%。随着粉煤灰的掺量不断增加则会导致抗压强度显著下降。Tavasoli [19]分别对比了SCC单掺矿渣粉30%、50%、65%和80%的抗冻性能，以及SCC在单掺50%矿渣粉随后复掺5%、10%、15%硅灰的抗冻性能。研究结果显示，当SCC中矿渣粉的掺量达到50%时，其质量损失率和动弹性模量损失率都随着掺量的不断增加而降低，复掺5%硅灰的抗冻性能最好，由于硅灰颗粒的细小特性，它们填充了混凝土内部的孔隙，提高了密实度，从而减少了毛细孔隙的体积。
4.2. 外加剂对SCC抗冻性的影响
SCC通过添加减水剂、引气剂和增稠剂来改善自身性能，使其能够在复杂的结构中顺畅流动，避免出现空洞与蜂窝缺陷。引气剂通过引入大量细小的、均匀的气泡，来改变硬化混凝土中含气量、气泡间隔系数、孔径分布以及气泡平均直径，而这一举措是改善SCC抗冻性最为有效的方法。何俊辉[20]通过研究表明混凝土抗冻性的有效指标是气泡间隔系数，气泡间隔系数越小其抗冻性越好，当孔隙小于50 nm时有利于提高抗冻性，而孔隙大于200 nm时则对抗冻性最不利。侯景鹏[21]等研究发现，减水剂的剂量对SCC的抗冻性产生影响，适量的减水剂能够减少混凝土的用水量，降低孔隙率，提高密实度。但过量的减水剂会导致混凝土离析、泌水，增加孔隙率，同时还会影响引气剂的效果，降低含气量，从而降低抗冻性，随着减水剂不断增加的剂量，其抗冻性呈现出先增加，随后显著降低，最后总结得出减水剂的最佳掺量在0.5%~0.55%，其内部的适宜含气量为4.3%~5.5%。易忠来[22]研究发现引气剂主要是把10 μm~1 mm的气孔引入，养护龄期增加，气泡间隔系数将不断减小，其抗冻性越好。研究发现拌合物含气量达4%及以上时，混凝土具备良好的抗冻性能。
4.3. 骨料类型对SCC抗冻性的影响
SCC的骨料种类繁多，包括天然粗骨料、人工砂、再生骨料、钢渣、橡胶颗粒和轻质骨料等[23] [24]。在这些材料中，除了天然骨料外，人工砂和再生骨料的应用最为广泛[25] [26]。人工砂是经过去土处理后，通过机械破碎和筛分得到其粒径小于4.75毫米，通常来源于岩石、矿石尾料或工业废渣，这些颗粒表面粗糙、棱角分明。人工砂的粗糙表面能够与水泥浆体形成较强的粘结力，有利于提高混凝土的强度。但人工砂的含粉量较高，过多的石粉会增加混凝土的需水量，导致孔隙率上升，从而影响其抗冻性。再生骨料的来源广泛，在加工过程中，由于其成分的复杂性，会产生许多微小的裂缝，这导致其力学性能和弹性模量通常低于天然骨料。再生骨料的表面较为粗糙，棱角多，且颗粒大小分布不均匀，这些特性使得其在SCC的抗冻性能变得更加复杂。界面区是混凝土中骨料与水泥浆体之间的过渡区域，其结构相对疏松，孔隙率较高，是冻融损伤的薄弱环节。在冻融循环过程中，界面区首先受到破坏。由于骨料与水泥浆体的热膨胀系数不同，在温度变化时会产生温差应力，导致界面区出现微裂缝。随着冻融循环次数的增加，这些微裂缝会不断扩展、连通，最终影响混凝土的整体性能。刘传辉等[27]研究发现，再生粗骨料SCC内部存在的微裂缝以及骨料与水泥之间的界面过渡区的劣化，是导致其抗冻性能低于普通混凝土的主要原因。秦拥军等[28]研究发现当取代率低于50%时，再生骨料内部的微裂缝可以有效的减轻冻胀力，但随着取代率的增加，骨料表面的吸水能力增强，界面过渡区的强度降低，混凝土的抗冻性能也随之降低。P. Tang等[29]将洗涤集料污泥、造纸污泥灰和底灰细粉作为冷结合轻质骨料取代天然碎石制备SCC，发现这三种类型冷结合轻质骨料的掺入均会降低SCC抗冻性，取代率越大下降趋势越显著，掺入纳米二氧化硅能够在一定程度上改善其抗冻性。
5. 结论与展望
5.1. 结论
随着对SCC研究的不断深化和应用范围的扩大，冻融环境下的微观特性、孔隙结构、力学性能以及抗冻性能的提升和机理成为了研究热点。矿物掺合料、化学外加剂能够在不同程度上提升SCC的抗冻性能。为了在严寒地区推广SCC，以下几个理论和技术问题仍需深入探讨：
(1) 需要系统性地研究SCC与常规混凝土在冻融破坏机理上的差异，以及冻融循环过程中SCC微观结构、水化产物、孔隙结构、弹性模量、强度和微观硬度的变化规律。
(2) 粉煤灰和粒化高炉矿渣作为大量可用的工业副产品，在SCC中的大量使用是未来发展的趋势。因此，有必要系统研究这些材料单独或混合使用时对SCC抗冻性能的影响，并探索化学外加剂如何作用于抗冻性能的提升。
(3) 随着天然骨料资源的减少和建筑废弃物的增加，再生骨料的使用将成为必然。因此，需要系统研究再生骨料对SCC微观结构、宏观性能和抗冻性能的影响，并基于冻融破坏机制提出改善措施，为再生骨料及其在SCC中的应用提供理论支持。
(4) 由于河砂资源的减少和品质下降，而SCC对细骨料的品质要求较高，机制砂替代河砂成为趋势。因此，需要系统研究机制砂在SCC中的耐久性破坏规律和机理。
目前，SCC的抗冻性能主要通过快速冻融试验来研究，但实际建筑构件往往承受复杂的荷载和多轴力作用，冻融循环对结构稳定性的影响与实验条件存在差异。因此，细观尺度的SCC抗冻性数值模拟对于评估和预测建筑的安全性至关重要。
5.2. 展望
(1) 可采用X射线CT、扫描电镜(SEM)和压汞测孔法(MIP)等实验手段，对比分析SCC与常规混凝土在冻融循环过程中微观结构，如孔隙分布、界面区特征等的演化规律；通过差示扫描量热法(DSC)监测水化产物变化，结合力学性能测试，如动弹仪测动弹性模量、万能试验机测抗压强度，建立微观结构与宏观性能的关联模型，明确两者在冻融破坏机理上的差异。
(2) 设计正交实验，系统研究粉煤灰、粒化高炉矿渣等工业副产品单掺及复掺时，不同掺量对SCC抗冻性能的影响。采用响应面法构建掺量–抗冻性能回归模型，确定最佳复掺比例；同时结合电化学阻抗谱(EIS)和氯离子渗透实验，探究化学外加剂，如引气剂、减水剂等与掺合料的协同作用机制，提出基于抗冻性提升的复合改性方案。
(3) 基于离散元法(DEM)构建SCC细观模型，考虑骨料、水泥浆体和界面区的不同力学特性，模拟冻融循环中裂缝的萌生与扩展；将模拟结果与实际工程构件的现场监测数据对比，修正模型参数，最终形成可预测实际荷载和多轴力作用下SCC冻融损伤的数值工具。
基金项目
陕西省教育厅青年创新团队科研计划项目(21JP137)。