天然气作为一种清洁能源，在注重环保的今天已得到了广泛的应用。为降低运输和储存成本，天然气通常采用常压低温的储存方式以减小其体积。此时天然气处于液态，其温度约为-165 ℃，属于超低温范畴[1—2]。已有的研究表明，混凝土不仅具有耐久性好、制作成本低以及可模性好等优点[3]，而且超低温下的某些性能如受压强度、弹性模量等还将大幅地提高，因此，目前国内外普遍将其作为液化天然气(LNG)储罐的结构受力材料[4]。
LNG类超低温储罐实际运行过程中并非处于恒定的超低温状态下，而是经历复杂的温度作用工况。当 LNG储量变化时，储罐中一些位置处混凝土遭受的温度将发生明显的波动，甚至出现从超低温(-165 ℃)到常温的大温度范围变化[5—6]。超低温下的温度波动必然对混凝土内部结构造成损伤，引起其性能退化。Wiedemann[7]将波特兰混凝土和高炉矿渣混凝土泡水处理后再分别进行超低温冻融循环作用试验，选择从常温到不同下限温度的冻融循环作用工况，其下限温度分别为-30 ℃、-70 ℃和-170 ℃。试验结果表明，不同类型混凝土对其受压强度影响不大，而不同下限温度的冻融循环作用则表现出较大的差异；Lee等[8]也对混凝土低温冻融作用后的性能进行了试验研究，所设置的混凝土冻融循环作用温度区间为8 ℃～-52 ℃，并结合其他学者的结果给出混凝土强度降低速率与含水率间存在正相关；梁黎黎[9]对不同强度等级混凝土的试验结果表明，强度等级高的混凝土其强度在冻融作用过程中损失低。本文所在的课题组也对混凝土超低温冻融循环作用性能方面做了初步探讨[10—13]。已有的研究表明，目前在不同超低温温度区间冻融作用性能方面的探讨仍处于起步阶段，本文将结合前期相关方面的研究情况探讨混凝土经历不同超低温温度区间冻融循环作用后其上下限温度时的受压强度变化规律。
1 试验概况
根据已有的相关试验结果分析选择 10℃～-40 ℃、10 ℃～-80 ℃及 10 ℃～-160 ℃等 3 种典型温度区间的超低温冻融循环作用，通过试验获取混凝土经历这些温度区间冻融循环作用后上下限温度时的受压强度，探讨不同超低温温度区间冻融循环作用对混凝土受压强度的影响。
表1是混凝土经历不同温度区间冻融循环作用的试验内容及其试件编号。其中，DR表示超低温冻融循环作用；40、80及160分别表示对应的超低温冻融循环作用温度区间下限温度-40 ℃、-80 ℃和-160 ℃；紧随给定混凝土含水率W的+10表示超低温冻融循环作用温度区间的上限温度。所有温度区间的上限温度均取 10 ℃；最右边的数字表示给定作用工况的试件顺序编号。试件经历由上限温度降至下限温度再回至上限温度或从下限温度升至上限温度再降至下限温度的循环均记为1次超低温冻融循环作用，将首次由上限温度降至下限温度记作0.5次超低温冻融循环作用。
所有试件均采用 100 mm×100 mm×300 mm 的棱柱体，按超低温冻融循环作用温度区间分批浇注，其混凝土设计强度等级均为C50。表2是各温度区间冻融循环作用工况混凝土试件的配合比。其中，水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥，细骨料为河砂，粗骨料为碎石，掺合料为矿渣粉，减水剂为PCA(I)型的高效减水剂。
表1 试验内容及其试件编号
Table 1 Experiment contents and specimen numbers
注：N0为给定温度区间的冻融循环作用次数。上限温度时的冻融循环作用次数 N=N0，下限温度时的冻融循环作用次数N=N0-0.5；T为加载时温度。
试件编号 N0 T/(℃) 试件编号 N0 T/(℃)温度区间 10 ℃～-40 ℃DR40W+10-1～2 0 DR40W+10-13～14 0.5 DR40W+10-3～4 1 DR40W+10-15～16 1.5 DR40W+10-5～6 3 DR40W+10-17～18 3.5 DR40W+10-7～8 6 DR40W+10-19～20 6.5 DR40W+10-9～10 10 DR40W+10-21～22 10.5 DR40W+10-11～12 15 10-40 DR40W+10-23～24 15.5温度区间 10 ℃～-80 ℃DR80W+10-1～2 10.5 DR80W+10-15～16 40.5 DR80W+10-3～4 20.5 DR80W+10-17～18 35.5 -80 DR80W+10-5～6 25.5 DR80W+10-25～26 5.5 DR80W+10-7～8 30.5 DR80W+10-19～20 25 DR80W+10-9～10 58.5 DR80W+10-21～22 15 DR80W+10-11～12 0.5 DR80W+10-23～24 10 DR80W+10-13～14 45.5-80 10 DR80W+10-27～28 0温度区间 10 ℃～-160 ℃DR160W+10-1～2 0 DR160W+10-15～16 25.5 DR160W+10-3～4 5 DR160W+10-17～18 20.5 DR160W+10-5～6 10 DR160W+10-19～20 15.5 DR160W+10-7～8 15 DR160W+10-21～22 10.5 DR160W+10-9～10 20 DR160W+10-23～24 5.5 DR160W+10-11～12 25 DR160W+10-25～26 0.5 10-160 DR160W+10-13～14 30
表2 试件混凝土的配合比
Table 2 Concrete mix ratios of specimens
温度区间 水泥/kg 矿粉/kg 砂/kg 碎石/kg 水/kg外加剂/kg 10 ℃～-40 ℃ 300 150 698 1047 152 5.85 10 ℃～-80 ℃ 300 150 698 1047 152 5.85 10 ℃～-160 ℃ 340 30 780 1034 167 5.55
通过超低温试验炉对试件施加给定的温度作用工况。所有超低温冻融循环作用施加的温度升降速率均采用1 ℃/min，达到目标温度即上限温度或下限温度时，均保持至少270 min的恒温以保证此时试件的温度分布均匀，然后通过与之配套的液压试验机对试件进行轴心加载获取其上限温度或下限温度时的受压强度。图1是混凝土超低温冻融循环作用试验流程示意图。
2 试验宏观现象及其试件破坏形态
2.1 表观现象
经历不同超低温温度区间冻融循环作用的所有试件表观基本上均具有相同的变化特征。
图1 混凝土超低温冻融循环作用试验流程示意图
Fig.1 Flow diagram of experiments for concrete undergoing ultralow temperature freeze-thaw cycle action
图2 不同温度区间冻融循环作用试件冻融前后表观情况Fig.2 Apparent situation of specimens before and after undergoing freeze-thaw cycle action with different temperature ranges
图2是经历不同温度区间相同冻融循环作用次数试件冻融前后表观图。从图中可看出，试件DR40W+10-23、DR80W+10-11及 DR160W+10-14虽经历温度区间分别为 10 ℃～-40 ℃、10 ℃～-80 ℃和10 ℃～-160 ℃冻融循环作用，但其表面未因作用的温度区间不同而有明显可见的差异，各温度区间试件均无因冻融循环作用出现的诸如龟裂、缺棱边棱角等损伤现象，其表观与冻融循环作用前相比也没有可见的变化。
图3 经历不同冻融循环作用次数试件冻融前后表观情况
Fig.3 Apparent situation of specimens before and after undergoing different numbers of freeze-thaw cycle action
图 3是经历温度区间 10 ℃～-160 ℃但不同冻融循环作用次数试件冻融前后表观图。从图3可看出，同一温度区间经历冻融循环作用次数分别为5次、15次和30次试件(DR160W+10-3、DR160W+10-7及DR160W+10-14)表观情况基本上相似，仅随冻融循环作用次数的增加试件的棱边棱角和表面孔洞边缘稍有圆滑，但不明显。总之，其表观性状不能清晰地呈现出混凝土随冻融循环作用次数增加而累积的冻融损伤。
2.2 破坏形态与破坏面状况
试验结果表明，无论是相同温度区间但不同冻融循环作用次数，还是相同冻融循环作用次数但温度区间不同，其试件上下限温度时加载的破坏过程声响、破坏形态以及破坏面状况等均有所不同。
2.2.1 相同温度区间但不同冻融循环作用次数时
这里通过 10 ℃～-160 ℃温度区间考察不同冻融循环作用次数对试件的破坏情况影响。图4是试件 DR160W+10-1、DR160W+10-8和 DR160W+10-13加载破坏时照片，它们分别为未经历冻融循环作用和经历了 15次及 30次超低温冻融循环作用，并均在上限温度时进行加载；图 5是试件DR160W+10-26、DR160W+10-20及 DR160W+10-16加载破坏时照片，它们分别经历了 0.5次、15.5次和25.5次超低温冻融循环作用，并均在下限温度时进行加载。
图4 不同冻融循环作用次数试件上限温度时加载破坏情况
Fig.4 Failure modes of specimens loaded at upper limit temperature with different numbers of freeze-thaw cycles
图5 不同冻融循环作用次数试件下限温度时加载破坏情况
Fig.5 Failure modes of specimens loaded at lower limit temperature with different numbers of freeze-thaw cycles
可见，经历不同冻融循环作用次数试件上限温度时加载的破坏情况有所不同。无论是未经历冻融循环作用还是经历了15次及30次超低温冻融循环作用试件，其破坏时均有明显的声响，但相互间存在差异。未经冻融循环作用试件破坏时的声响清脆；而经历冻融循环作用试件，加载至其破坏过程中存在裂缝开展发出的断续脆响，但破坏时发出的声响较为沉闷且较小，并且随冻融循环作用次数增加，这种现象更加明显。
同样，经历不同冻融循环作用次数试件上限温度时加载的破坏面情况也不尽相同。随冻融循环作用次数的增加，破坏产生的裂缝多且发展趋势较为凌乱，破坏面也因滑移导致砂浆粉末增多；未经冻融循环作用的试件，其破坏面处裂缝源于应力集中效应呈现出少、发展趋势明确且较为规整等特征。仅部分冻融循环作用次数较少的试件可从其破坏面处观察到粗骨料有劈裂现象，但随冻融循环作用次数的增加，这种现象逐渐变得不明显。产生这些现象的主要原因在于试件混凝土经历多次冻融循环作用使其内部孔隙以及粗骨料表面附近等处出现裂缝或原有裂缝的发展，应力集中现象得到缓解甚至消除。
从经历不同冻融循环作用次数试件上限温度时加载的破坏形态看，未经冻融循环作用的试件基本上均呈对顶锥状破坏形态；经历更多次冻融循环作用的试件破坏形态与之差异不大，也大致呈对顶锥状。但破坏时导致的试件受压侧面中部附近剥离出的混凝土碎块和残留的对顶锥体均较大。
经历不同冻融循环作用次数试件下限温度时加载的破坏情况与上限温度时加载有较大的差异。随冻融循环作用次数的增加，试件的破坏一直保持着清脆巨响声且都较为剧烈和突然，未呈现出上限温度时的连续碎裂声。但需指出的是，当冻融循环作用次数达到一定值后将发生反转。例如经历58.5次冻融循环作用后的试件 DR80W+10-10，在其加载过程中便出现了连续的碎裂声，最终破坏时的响声不再清脆。这表明冻融循环作用导致试件混凝土的损伤累积效应已明显。
经历不同冻融循环作用次数试件下限温度时加载的破坏面特征也与上限温度时加载有所不同。随冻融循环作用次数的增加，破坏面因滑移导致的砂浆粉末变多，但破坏产生的裂缝均较少。首次降温后加载的试件破坏面较整齐，且能观察到破坏面处粗骨料均被劈裂；而经历若干次冻融循环作用后的试件破坏面虽仍较齐整，但破坏面处可观察到一些粗骨料未被劈裂。不过相较于上限温度时加载的未被劈裂骨料要少得多。总之，温度区间 10 ℃～-160 ℃试件破坏面上均有明显可见的粗骨料被劈裂现象，但随冻融循环作用次数的增加，被劈裂骨料所占比重呈下降趋势。这说明相较于上限温度时加载，混凝土内孔隙水结冰能增强试件的密实性和完整性，使骨料参与整体受力，但冻融循环作用导致的损伤仍无法避免。
虽经历不同冻融循环作用次数试件下限温度时加载的破坏形态也基本上呈对顶锥状，但它们间存在较为明显的差异。随冻融循环作用次数的增加，试验机上下压头对试件受压面的横向约束形成的环箍效应逐渐变弱，致使试件破坏形成的对顶锥状残留的受压面也逐渐地变小。
2.2.2 相同冻融循环作用次数但不同温度区间时
图 6和图 7给出的冻融循环作用温度区间为10 ℃～-40 ℃、10 ℃～-80 ℃和 10 ℃～-160 ℃。其中，图6是试件DR40W+10-11、DR80W+10-22及DR160W+10-7经历15次冻融循环作用后上限温度时加载的破坏情况，图 7是试件 DR40W+10-21、DR80W+10-1及DR160W+10-21经历10.5次冻融循环作用后下限温度时加载的破坏情况。
图6 不同冻融作用温度区间试件上限温度时加载破坏情况
Fig.6 Failure modes of specimens loaded at upper limit temperature with different temperature ranges of freeze-thaw action
图7 不同冻融作用温度区间试件下限温度时加载破坏情况
Fig.7 Failure modes of specimens loaded at lower limit temperature with different temperature ranges of freeze-thaw action
可见，试件虽都经历 15次冻融循环作用，因温度区间的不同却使其上限温度时加载的破坏情况存在差异。各温度区间冻融循环作用试件破坏时虽均有明显声响，但温度区间的下限温度越低时，破坏时发出的声响越小。温度区间10 ℃～-40 ℃试件破坏时的声响较为低沉、短促，温度区间10 ℃～-80 ℃系列试件破坏时的声响稍长、且连续沉闷，而温度区间 10 ℃～-160 ℃试件加载过程中便不断地发出碎裂声，但破坏时声响更加低沉。
同样，其上限温度时加载的破坏面状况也有所不同。温度区间的下限温度越低，试件破坏时的完整性越差，破坏面处粗骨料被劈裂的状况也不同。温度区间10 ℃～-40 ℃试件的破坏面处可观察到被劈裂的粗骨料，而温度区间10 ℃～-160 ℃试件的破坏面处却有大量未被劈裂的粗骨料、使破坏面呈凸凹不平状。可见，经历较低下限温度的温度区间冻融循环作用的混凝土粗骨料表面处粘结性能恶化更加严重。但其破坏形态差异不大，也都大致呈对顶锥状。
不同温度区间冻融循环作用试件下限温度时加载与上限温度时加载呈现出很大的不同。各温度区间的试件破坏时响声均清脆响亮，下限温度越低的温度区间试件，其受压破坏时溃爆更剧烈、声响也更大。
经历相同的冻融循环作用次数但温度区间不同的试件，其下限温度时加载的破坏面状况也不尽相同。随下限温度的降低，试件受压破坏荷载显著地增大，导致试件破坏时在其破坏面上因滑移残留的砂浆粉末更多，破坏面上的粗骨料几乎均被劈裂，破坏形成的裂缝也少。但不同温度区间冻融循环作用试件的破坏形态差别不大，均基本上呈对顶锥状。不过因较低下限温度的温度区间下限温度时加载导致试验机上下压头对试件受压面的横向约束形成的环箍效应减弱，使其破坏形成的对顶锥状残留的受压面也变小。
3 试验结果及其分析
凝土的受压强度平均值
除以未经冻融循环作用混凝土的常温受压强度fC获取其基于常温相对受
表3是通过对经历不同超低温温度区间的冻融循环作用试件加载获得的混凝土相对受压强度值。为便于分析比较，将经历超低温冻融循环作用后混压强度 FTCλ，将经历超低温冻融循环作用后混凝土上下限温度时的受压强度(
)相应地分别除以未经冻融混凝土上下限温度时的受压强度(fCU、 fCL)获取其上下限温度时相对受压强度
，将经历第N次与第 N-1次冻融循环作用获取的混凝土上限温度(下限温度)时相对受压强度间差值除以经历第 N—1次冻融循环作用混凝土上限温度(下限温度)相对受压强度定义为第 N次冻融循环作用的上限温度(下限温度)时单次冻融循环作用损伤指标，将经历第N次冻融循环作用与未经冻融循环作用获取的混凝土上限温度(下限温度)时相对受压强度间差值除以未经冻融循环作用混凝土上限温度(下限温度)时相对受压强度定义为第N次冻融循环作用的上限温度(下限温度)时累积冻融循环作用损伤指标。
表3 超低温冻融循环作用混凝土相对受压强度试验结果Table 3 Test results of relative compressive strength of concrete undergoing ultralow temperature freeze-thaw cycle action
试件编号 N0 基于常温相对受压强度平均值 试件编号 N0 基于常温相对受压强度平均值温度区间10 ℃～-40 ℃DR40W+10-1～2 0 1.00 DR40W+10-13～14 0.5 2.08 DR40W+10-3～4 1 1.07 DR40W+10-15～16 1.5 2.46 DR40W+10-5～6 3 1.10 DR40W+10-17～18 3.5 2.20 DR40W+10-7～8 6 0.88 DR40W+10-19～20 6.5 2.39 DR40W+10-9～10 10 0.76 DR40W+10-21～22 10.5 2.58 DR40W+10-11～12 15 0.97 DR40W+10-23～24 15.5 2.47温度区间10 ℃～-80 ℃DR80W+10-1～2 10.5 2.58 DR80W+10-15～16 40.5 1.91 DR80W+10-3～4 20.5 2.68 DR80W+10-17～18 35.5 1.93 DR80W+10-5～6 25.5 2.17 DR80W+10-25～26 5.5 2.65 DR80W+10-7～8 30.5 2.00 DR80W+10-19～20 25 0.96 DR80W+10-9～10 58.5 1.80 DR80W+10-21～22 15 0.98 DR80W+10-11～12 0.5 2.33 DR80W+10-23～24 10 1.09 DR80W+10-13～14 45.5 2.07 DR80W+10-27～28 0 1.00温度区间10 ℃～-160 ℃DR160W+10-1～2 0 1.00 DR160W+10-15～16 25.5 2.20 DR160W+10-3～4 5 0.78 DR160W+10-17～18 20.5 1.99 DR160W+10-5～6 10 0.93 DR160W+10-19～20 15.5 2.29 DR160W+10-7～8 15 0.90 DR160W+10-21～22 10.5 2.28 DR160W+10-9～10 20 0.80 DR160W+10-23～24 5.5 2.41 DR160W+10-11～12 25 0.90 DR160W+10-25～26 0.5 2.45 DR160W+10-13～14 30 0.57
3.1 温度区间 10 ℃～-40 ℃冻融循环作用混凝土的受压强度及冻融损伤规律
图8是温度区间10 ℃～-40 ℃冻融循环作用试件上限温度和下限温度时加载获得的混凝土基于常温相对受压强度 FTCλ随冻融循环作用次数N的变化情况。从图8可以看出，下限温度时加载的 FT
Cλ较上限温度时有较大的提升，其幅度均在一倍以上，并且两者的 FTCλ随N增加的变化趋势有所不同，不过基本上均呈现出较为平稳的变化状态。对于上限温度时加载，冻融循环作用初期 FTCλ有上升态势，但不明显。之后随N增加 
的变化开始呈现较为缓慢的降低，N>10次后却又有增加态势，不过均低于常温时；而对于下限温度时加载，冻融循环作用初期
呈现较明显的上升态势，但很快便转为下降。这表明冻融循环作用初期 FTCλ波动较大。之后随N增加 FTCλ的变化与上限温度时明显不同，开始呈较为缓慢增加趋势，直到 N>10次才开始有所下降。
图9是温度区间10 ℃～-40 ℃冻融循环作用混凝土上下限温度时相对受压强度
和
间差值
)随冻融循环作用次数 N的变化图。
图8 温度区间10 ℃～-40 ℃冻融循环作用混凝土基于常温相对受压强度变化规律
Fig.8 Variation regularities of normal temperature-based relative compressive strength of concrete undergoing freeze-thaw cycle action with a temperature range from 10 ℃ to -40 ℃
图9 上下限温度时混凝土相对受压强度差变化规律
Fig.9 Variation regularities of difference values between relative compressive strengths of concrete loaded at upper and lower limit temperatures
从图9可以看出，冻融循环作用初期的
变化较为平稳，基本上在0附近波动，表明冻融循环作用初期的上下限温度时混凝土相对受压强度变化趋势基本上一致；但N达约4次后，上下限温度时混凝土相对受压强度变化趋势则呈明显的背离状，致使
为负值且随 N增加呈逐渐地下降，之后N约为9次后又随N增加逐渐地增大，并由负值变为正值；当N大于约14次后
再次呈下降趋势。这说明混凝土上下限温度时相对受压强度差在N达到一定值后的变化极其复杂。
图10和图11分别为温度区间10 ℃～-40 ℃冻融循环作用试件上下限温度时加载获得的混凝土单次冻融循环作用损伤指标和累积冻融循环作用损伤指标的变化规律图。
从图 10可以看出，上下限温度时混凝土单次冻融循环作用损伤指标
)随冻融循环作用次数N的增加均呈较为复杂的变化态势。某些冻融循环作用次数时它们不仅不减小反而有所增大，上限温度时的
和下限温度时的
变化趋势也有所不同。冻融循环作用开始阶段，上下限温度时的
和N的增加，
和
均开始呈下降趋势。其中，上限温度时的
下降至负值并一直至N约为9次才
均变大，表明此时的混凝土受压强度不仅没有下降还有所提高，这种现象下限温度时更加明显。随变为正值，而下限温度时的 ks 仅至N约为5次就转L为正值。之后随N的增加，上下限温度时的相对受压强度不再恶化而开始有所回升。随N继续增加，
均又开始呈下降趋势。产生这种现象的主要原因在于混凝土微裂缝的出现、已有的微裂缝发展以及孔隙中水分的迁移等导致应力集中得以释放甚至改变了传力途径，并因在冻融循环作用过程的不同阶段中影响效果和程度不同进而使单次冻融循环作用损伤指标随N的增加呈这种变化性态。可见，虽超低温冻融循环作用使混凝土损伤，但并非每次超低温冻融循环作用都会导致混凝土受压强度的降低。
图10 温度区间10 ℃～-40 ℃上下限温度时混凝土单次冻融循环作用损伤指标变化规律Fig.10 Variation regularities of single freeze-thaw cycle action damage index of concrete loaded at upper and lower limit temperatures with a freeze-thaw action temperature range from 10 ℃ to -40 ℃
图11 温度区间10 ℃～-40 ℃上下限温度时累积冻融循环作用损伤指标变化规律
Fig.11 Variation regularities of cumulative freeze-thaw cycle action damage index of concrete at upper and lower limit temperatures with a freeze-thaw action temperature range from 10 ℃ to -40 ℃
温度区间 10℃～-40℃上下限温度时混凝土累积冻融循环作用损伤指标
)同单次冻融循环作用损伤指标一样，随N增加呈较为复杂的变化特性，但与之又有所不同、且上限温度时的
与下限温度时的
间也不尽相同(图11)。冻融循环作用开始阶段，同单次冻融循环作用损伤指标，上下限温度时的
和
均变大。之后随N的增加，上限温度时的
和下限温度时的
呈不同的变化趋
势。上限温度时的
在N达到5次后便变成负值，随后混凝土受压强度将处于逐渐恶化状态中，直到N达到13次后才转为正值，但始终小于此前
的最高值。这表明上限温度时的混凝土受压强度随冻融循环作用次数增加总体上是恶化的。下限温度时的
在N＜11次之前始终为正值，这表明冻融循环作用导致的损伤，在其冻融开始阶段是有利于混凝土下限温度时受压强度的提高。
3.2 温度区间 10 ℃～-80 ℃冻融循环作用混凝土的受压强度及冻融损伤规律
图 12是温度区间 10 ℃～-80 ℃冻融循环作用试件上限温度时和下限温度时加载获得的混凝土基于常温相对受压强度
随冻融循环作用次数N的变化情况。
图12 温度区间10 ℃～-80 ℃冻融循环作用混凝土
基于常温相对受压强度变化规律
Fig.12 Variation regularities of normal temperature based relative compressive strengths of concrete undergoing
freeze-thaw cycle action with a temperature
range from 10 ℃ to -80 ℃
从图12可以看到，此温度区间上限温度时
随 N 增加的变化趋势与 10 ℃～-40 ℃温度区间相似，而下限温度时的
较10 ℃～-40 ℃温度区间变化幅度更大。对于上限温度时加载，N<10次时
呈稍微上升态势，N达到10次后随N增加则呈下降趋势。总之，
随N增加变化不剧烈，基本上在1附近波动；而对于下限温度时加载， 经历了先增大后减小的变化特征。N达到20次前，
均未有下降态势，且初始冻融循环作用的上升趋势较上限温度时更为明显。N>20次之后的
开始呈明显的下降趋势，不过较上限温度时的还是有很大的提升，仍保持在1.5～2.0之间。
图 13是温度区间 10 ℃～-80 ℃冻融循环作用混凝土上下限温度时相对受压强度
和
间差值
随冻融循环作用次数N的变化图。
图13 上下限温度时混凝土相对受压强度差变化规律
Fig.13 Variation regularities of differences between relative compressive strengths of concrete loaded at upper and lower limit temperatures
从图 13可看出，冻融循环作用温度区间10 ℃～-80 ℃的
变化较温度区间10 ℃～-40 ℃幅度要小，基本上保持在-0.2～0.1范围内。N小于10次时，
基本上为正值并呈先增大后减小的变化趋势。N约为4次时达到其峰值，但此时 
也仅达0.1；N>10次后
则转为负值且随N增加逐渐地下降，N约为19次时达到其峰值，此值约为-0.2，较前一峰值有所放大。这表明随N的增加，上下限温度时混凝土相对受压强度差变化幅度也随之增大；之后随N增加逐渐增大，N约为25次后
由负值再次变为正值，同温度区间10 ℃～-40 ℃一样，
随N的增加呈现出复杂的变化特性。
图14和图15分别为温度区间10 ℃～-80 ℃冻融循环作用试件上下限温度时加载获得的混凝土单次冻融循环作用损伤指标和累积冻融循环作用损伤指标变化规律图。
从图14可以看出，温度区间10 ℃～-80 ℃上下限温度时混凝土单次冻融循环作用损伤指标
、
随冻融循环作用次数N变化趋势基本上相近，与温度区间10 ℃～-40 ℃相比，其变化幅度更小，峰值均小于0.10。冻融循环作用开始阶段，类似于温度区间10 ℃～-40 ℃，上下限温度时的kU和kL均变大，然后
和
在N约为5次时降低至0。这说明冻融循环作用初期的混凝土受压强度并未恶化、反而得到一定程度的提升。之后上限温度时的
开始减小，混凝土受压强度便呈下降态势，N约为10次后又开始有所恢复。但N＞18次之后的
较为稳定，随N变化不再明显，基本上处于较为稳定状态。下限温度时的
则在冻融循环作用初期有所增长之后便一直保持在0附近；直至N＞20次之后，
变成负值并呈不断减小趋势，其减小幅度明显高于上限温度时。
图14 温度区间10 ℃～-80 ℃上下限温度时单次冻融循环作用损伤指标变化规律
Fig.14 Variation regularities of single freeze-thaw action damage index of concrete loaded at upper and lower limit temperatures with a temperature range from 10 ℃ to -80 ℃
图15 温度区间10 ℃～-80 ℃上下限温度时累积冻融循环作用损伤指标变化规律
Fig.15 Variation regularities of cumulative freeze-thaw cycle action damage index of concrete at upper and lower limit temperatures with a temperature range from 10 ℃ to -80 ℃
随N的增加，温度区间10 ℃～-80 ℃上下限温度时混凝土累积冻融循环作用损伤指标(
的变化趋势呈现明显的差异(图15)。上限温度时，N<13次时
均为正值，说明此时的冻融循环作用有利于混凝土受压强度。其中，N约为5次时达到混凝土受压强度增长峰值，
可达0.2；之后混凝土冻融损伤明显加剧，导致其呈逐渐下降趋势。N约为13次后，冻融循环作用导致
变为负值，表明此时的混凝土受压强度已出现了明显的恶化，但混凝土受压强度损伤未超过5%、且随N继续增加基本上保持稳定的损伤状况。而下限温度时，开始冻融循环作用时，
同上限温度时的
，随N的增加呈逐渐增大趋势，但增大的幅度要比
小、且当N约大于4次后
便处于稳定状况，直至N大于20次后
才出现随N增加呈现明显的下降趋势。
3.3 温度区间 10 ℃～-160 ℃冻融循环作用混凝土的受压强度及冻融损伤规律
图16是温度区间10 ℃～-160 ℃冻融循环作用试件上限温度和下限温度时加载获得的混凝土基于常温相对受压强度随冻融循环作用次数N的变化情况。
图16 温度区间10 ℃～-160 ℃冻融循环作用混凝土基于常温相对受压强度变化规律
Fig.16 Variation regularities of normal temperature-based relative compressive strengths for concrete undergoing freeze-thaw cycle action with a temperature range from 10 ℃ to -160 ℃
从图16可以看出，温度区间10 ℃～-160 ℃冻融循环作用混凝土的受压强度变化规律比前两个温度区间(10℃～-40 ℃和 10 ℃～-80 ℃)要明显。随N的增加，上下限温度时的
基本上均呈减小趋势。开始冻融循环作用时，上限温度时的
较下限温度时下降要明显，之后则反之。当N达20次时，上限温度时的 FTCλ仅下降0.20，而下限温度时的 FT Cλ则下降达0.46。可见，冻融循环作用对下限温度时的混凝土受压强度影响明显。
图17是温度区间10 ℃～-160 ℃冻融循环作用混凝土上下限温度时相对受压强度
和
间差值
随冻融循环作用次数N的变化图。
经历温度区间 10 ℃～-160 ℃冻融循环作用的
变化规律与前两个温度区间(10 ℃～-40 ℃和10℃～-80 ℃)相比差异很大。N＜10 次时，
随N的波动幅度较大，且保持为负值。这表明上下限温度时的 
变化趋势或幅度差异很大。在经历约3次冻融循环作用后这种现象开始逐渐减弱，N＞10次后
的波动幅度已很小，基本上在 0附近波动。这说明此时上下限温度时的 FTCλ变化趋势又基本上保持一致。
图17 上下限温度时相对受压强度差变化规律
Fig.17 Variation regularities of difference values between
relative compressive strengths of concrete loaded at upper and lower limit temperatures
图18和图19分别为温度区间10 ℃～-160 ℃冻融循环作用试件上下限温度时加载获得的混凝土单次冻融循环作用损伤指标和累积冻融循环作用损伤指标的变化规律图。
图18 温度区间10 ℃～-160 ℃上下限温度时单次冻融循环作用损伤指标变化规律Fig.18 Variation regularities of single freeze-thaw damage index of concrete loaded at upper and lower limit temperatures with a freeze-thaw action temperature range from 10 ℃ to -160 ℃
图19 温度区间10 ℃～-160 ℃上下限温度时累积冻融循环作用损伤指标变化规律
Fig.19 Variation regularities of cumulative freeze-thaw action damage index of concrete at upper and lower limit temperatures with a freeze-thaw action temperature range from 10 ℃ to -160 ℃
从图18可以看到，温度区间10 ℃～-160 ℃上下限温度时混凝土单次冻融循环作用损伤指标
)变化规律呈现出很大的不同。上限温度时的
较下限温度时的
波动要剧烈。冻融循环作用初期，上限温度时
便变为负值，其变化趋势呈现出与下限温度时的
明显的不同，与前两个温度(10 ℃～-40 ℃和 10 ℃～-80 ℃)的
变化趋势也不同。这表明经历冻融循环作用初期不再是有利于上限温度时的混凝土受压强度，而是使其恶化。但混凝土受压强度这种恶化现象将随 N的增加有所减弱。至N＞4次后
又回到正值，之后
便处于较为稳定且具有较小幅度的波动状态。冻融循环作用初期下限温度时的
变化趋势与前两个温度区间(10 ℃～-40 ℃和 10 ℃～-80 ℃)相似，但波动幅度要小。之后随N的增加，
的变化趋势更接近于温度区间10 ℃～-80 ℃，基本上保持在0附近具有较小幅值的稳定波动状态。
从图19可以看出，温度区间10 ℃～-160 ℃混凝土累积冻融循环作用损伤指标
)的变化下限温度时，除开始几次冻融循环作用时的
为正值外，混凝土累积冻融循环作用损伤指标均为负值。这表明具有更低下限温度的温度区间冻融循环作用将使上下限温度时混凝土受压强度明显地恶化。其中，上限温度时使混凝土受压强度恶化主要源于冻融循环作用初期，而下限温度时则是由逐步积累形成。
3.4 不同冻融循环作用温度区间混凝土受压强度的对比
3.4.1 冻融循环作用上限温度时混凝土受压强度
图 20 将温度区间 10 ℃～-40 ℃、10 ℃～-80 ℃和 10 ℃～-160 ℃上限温度时的混凝土基于常温相趋势虽随N的增加也具有较为明显的波动性，但与前两个温度区间(10 ℃～-40 ℃和 10 ℃～-80 ℃)相比具有明显不同的变化趋势。无论上限温度时还是对受压强度
随冻融循环作用次数N的变化规律进行了对比。
从图20可以看到，3种温度区间混凝土上限温度时基于常温相对受压强度 
，在其冻融循环作用初期虽都有所波动，但随N的增加
基本上均呈较为缓慢的下降趋势。同时温度区间的下限温度越低，相同N时的
一般降低得越多。温度区间的下限温度不低于-80 ℃时，冻融循环作用初期阶段的冻融反而有利于混凝土受压强度；而温度区间的下限温度降至-160 ℃时，整个冻融循环作用阶段的混凝土受压强度都处于恶化状态。通过对试验数据进行拟合可得到各温度区间混凝土上限温度时基于常温相对受压强度
与冻融循环作用次数N间的关系(式(1))。
式中：
图20 不同温度区间上限温度时混凝土基于常温相对受压强度对比
Fig.20 Comparison of normal temperature-based relative compressive strength of concrete at upper limit temperature with different freeze-thaw cycle action temperature ranges
3.4.2 冻融循环作用下限温度时混凝土受压强度
图 21 将温度区间 10 ℃～-40 ℃、10 ℃～-80 ℃和 10 ℃～-160 ℃下限温度时的混凝土基于常温相对受压强度
随冻融循环作用次数N的变化规律进行了对比。
图21 不同温度区间下限温度时混凝土基于
常温相对受压强度对比
Fig.21 Comparison of normal temperature-based relative compressive strengths of concrete at lower limit temperature with different freeze-thaw cycle action temperature ranges
从图21可以看到，3种温度区间混凝土下限温度时基于常温相对受压强度均有较大幅度的提升，冻融循环作用初始的混凝土受压强度均达到常温时 200%以上。但不同温度区间表现出的 FTCλ随N的变化规律不尽相同。当温度区间的下限温度不低于-80 ℃时在冻融循环作用初期阶段同上限温度时，冻融作用有利于混凝土受压强度；而温度区间的下限温度降至-160 ℃时则没有这种现象，冻融作用阶段总是使混凝土受压强度处于恶化状态。随N的继续增加，所有温度区间的混凝土基于常温相对受压强度的变化规律趋于一致，均呈逐渐下降的变化趋势。通过对试验数据进行拟合可得到各温度区间混凝土下限温度时基于常温相对受压强度
随冻融循环作用次数N间的关系(式(2))。
式中：
可见，超低温冻融作用不同于自然环境温度下的冻融作用。其冻融作用初期便显示出混凝土受压强度的恶化，尤其是温度区间的下限温度较低时这种现象更加突出，并且不同超低温温度区间的冻融作用具有明显的差异。另外，不仅温度区间上限温度时的混凝土受压强度发生恶化，冻融作用也将使超低温作用导致的混凝土受压强度提升逐渐地衰减。故在实际工程结构设计中应对其予以考虑。
4 主要结论
通过对混凝土经历不同超低温温度区间冻融循环作用后上下限温度时受压强度的试验及其结果分析，可得出如下结论：
(1) 经历不同超低温温度区间各种冻融循环作用次数的试件均无可见的表观损伤，但试件上下限温度时加载的破坏过程声响和破坏状况等不尽相同。试件的破坏形态虽基本上呈对顶锥状，但存在明显的差异。对于下限温度较低的温度区间，下限温度时加载破坏形成的对顶锥状残留的受压面相对较小。
(2) 下限温度较高温度区间的冻融循环作用初期，混凝土受压强度将有所提高。但冻融循环作用次数达到一定值后，混凝土上下限温度时的受压强度将均随冻融循环作用次数的增加呈不断恶化态势；对于下限温度较低温度区间，上下限温度时混凝土相对受压强度随冻融循环作用次数的增加基本上表现出下降的变化趋势。
(3) 不同温度区间的混凝土上下限温度时相对受压强度差随冻融循环作用次数的变化规律差异性较大，但下限温度较低的温度区间相应的波动幅度较小。
(4) 不同温度区间的混凝土相对受压强度单次冻融循环作用损伤指标和累积冻融循环作用损伤指标存在明显的差异。对于下限温度较高的温度区间，下限温度时它们经历较多次冻融循环作用后仍为正值，呈现出冻融初期有利于混凝土受压强度。而随冻融循环作用次数继续增加，下限温度较低温度区间的混凝土累积损伤严重。
(5) 超低温冻融作用不同于自然环境温度下的冻融作用，较少的冻融循环作用次数便显示出混凝土受压强度的恶化，温度区间的下限温度较低时将更加明显。在实际工程结构设计中应对其予以考虑。
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