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当温度在0℃以上的时间较长时，结构体表面的水分将沿着结构表面的孔隙或毛细孔通路向结构内部渗透；当温度降低为0℃以下时，其中的水分结成冰，产生膨胀，膨胀应力较大时，结构出现裂缝。结构件表面和内部所含水分的冻结与融化交替出现，称为冻融循环。在一些寒冷的地区，由于昼夜温差较大，很容易发生冻融破坏。冻融作用产生的结冰压力，一方面可以诱发微裂纹，另一方面会产生表面腐蚀，使表面砂浆层剥落，骨料暴露。
冻融现象产生的原因很多，一般都是发生在寒冻地区和使用除冰盐的地区，甚至仅仅经过一个冬天的时间，如果没有合适的保护措施的话，暴露在外的混凝土就有可能出现严重的破坏。研究发现，混凝土的抗冻性受饱水度的影响很大，一般认为饱水度高于90%时，混凝土就很容易受到冻融的破坏，但在某些情况下，较低饱水度的混凝土也可能会发生冻融破坏。四季分明的地区也会有冻融现象的产生，主要原因就是大气温度的下降，水土发生冻结，出现冰晶体，导致土体体积膨胀，引起变形。
混凝土的冻融破坏过程是一个比较复杂的物理过程。一般认为，冻融破坏主要是因为在较低温度下，水结冰产生体积膨胀，过冷水后发生迁移，引起膨胀压力，当压力超过混凝土能承受的应力时，混凝土内部孔隙及微裂缝逐渐增大、增多，并互相连通，使得混凝土的强度逐渐降低，造成混凝土的破坏。当饱和混凝土逐渐冷却到0℃以下时，水（其中还含有各种溶解的离子，主要是钠离子、钾离子和氢氧根离子等）不会立即全部结冰。由于水泥浆体中的孔径大小不一，而在这些微孔中，水的凝固点是孔径的函数。通常，结冰首先发生在较大的孔隙中，并逐渐在越来越小的孔隙进行。例如，在10nm的孔隙中，结冰温度为-5℃；在3.5nm的孔隙中，结冰温度为-20℃。此外，随着水在较大的孔隙中结冰，剩余液态水中可溶盐的浓度会逐渐增加，从而进一步降低冰点。此外，在远低于-40℃的温度下，水仍将保持部分液态，因为吸附的水分子与孔隙壁之间的相互作用会阻止它们进入冰结晶的结构，即水变得过冷。而吸附在C—S—H表面的水最终可能迁移到已经形成冰的孔隙中。如果混凝土没有通过加气处理而得到保护（通常是在混凝土中添加少量的表面活性剂，使得硬化后的混凝土内部存在很多连续分布的气泡，从而缓解结冰时产生的膨胀压力），水的冻结伴随着严重的膨胀，导致内部拉伸应力和开裂。
然而，水结冰产生膨胀压力并不足以清晰解释混凝土发生冻融破坏的过程。实际上很多引起冻融破坏的过程都和水在混凝土内的流动有关。目前提出的冻融破坏理论主要有静水压理论、渗透压理论、冰凌镜理论、基于过冷液体的静水压修正理论、饱水度理论等。其中，静水压理论最具有代表性 [31] 。混凝土在潮湿条件下，其毛细孔吸满水，混凝土在搅拌成型时都会带一些大的气泡，这些气泡内壁也能吸附水，但在常压下很难吸满水，总还能保留没有水的空间。在低温下，毛细孔中的水结成冰，体积膨胀约9%，趋向于把未结冰的水压缩，于是产生了静水压力，只有当这种水能够通过未结冰的孔隙扩散到一个自由空间时，这种压力才能得到缓解。而如果水距离自由空间太远，无法找到一个可以释放压力的空间，静水压力将不断得到积累，随着更多的水结冰，该压力就可以超过混凝土的抗拉强度，使其开裂或剥落。然而，后来的研究表明，静水压理论不能完全解释在某些情况下观察到的冻融破坏 [32] 。事实上，水可能正朝着而不是远离结冰位置移动。当孔隙中的冰成核时，相邻液体中的溶质浓度会上升。这将反过来通过渗透的方式从更稀的孔隙溶液中吸取水。因此，当冰开始形成时，水向冰的转化可以产生的渗透压力足以导致混凝土砂浆开裂。同时，根据Mindess等的说法 [33] ，可能会有一种解吸自C—S—H的水，这导致远离结冰部位的混凝土收缩，而显著的膨胀则发生在结冰位置，导致其开裂，这便是渗透压理论。
关于静水压和渗透压何者是冻融破坏的主要因素，很多学者有不同的见解。Powers本人后来偏向渗透压假说 [32] ，而Pigeon等的研究结果却从不同侧面支持了静水压假说 [34] 。渗透压假说和静水压假说最大的不同在于未结冰孔溶液迁移的方向。静水压和渗透压目前既不能由实验测定，也很难用物理化学公式准确计算。一般认为，对于水胶比较大、强度较低以及龄期较短、水化程度较低的混凝土，静水压力破坏是主要的破坏；而对于水胶比较小、强度较高以及含盐量大的环境下冻融的混凝土，渗透压起主要作用。也有研究对静水压理论提出了质疑，认为结冰后混凝土强度反而得到提高。