混凝土抗凍理論及應用

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1、引 言
    混凝土受凍害損傷可以區(qū)分為兩種情況：（1）剝落脫皮是由于凍融引起的混凝土表面材料的損傷；（2）內部損傷是表面沒有可見效應而在混凝土內部產(chǎn)生的損害，它導致混凝土性質改變（如動彈性模量降低）。至于新拌混凝土受凍害損傷后則會導致混凝土凍脹破壞。黃延高速公路第六合同段位于陜北地區(qū)，常年負溫為130d左右，防治混凝土受凍害損傷在冬季施工中具有重大意義。
    2、混凝土受凍害損傷有關原因
    2．1 新拌水泥混凝土的受凍害損傷的原因
    新拌混凝土的強度低、空隙率高、含水多，極易發(fā)生凍脹破壞。凍脹破壞的外觀特征是材料體內出現(xiàn)若干的冰夾層，彼此平行而垂直于熱流方向。其過程為：結構物表面降溫冷卻時，冷流向材料體內延伸，在深處某水平位置開始凍結，一般從較粗大孔穴中水分開始，冰晶形成后從間隙吸水，發(fā)育增長，且是不可逆轉的過程，水分從材料未凍水或從外部水源補給，并進行宏觀規(guī)模的移動。第一層孔穴中冰凍后，在冰晶生長的過程中，材料質體受到拉應力σt，如果超過抗拉強度即破壞。
    2．2 成熟混凝土受凍害損傷有關原因
    混凝土構件中的孔徑分為三個范疇，即凝膠孔、毛細孔及氣泡，在某一固定負溫下混凝土構件中水分只有一部分是可凍水，可凍水產(chǎn)生多余體積直接衡量冰凍破壞威力。
    可凍水（即冰）主要集中在水泥石及骨料顆粒的毛細孔中，凝膠水由于表面的強大作用不大可能就地凍結，氣泡水易凍結?；炷翗嫾懈鞣N孔徑的空隙可認為連續(xù)分布，分布在這些空隙中的水在降溫過程中將按順序逐步凍結，不可能同時凍結。凍水一般是溫度的逆函數(shù)，溫度愈低，可凍水愈多。
    連續(xù)的毛細管溝網(wǎng)絡體系破壞過程；隨著水化進展凝膠體生成，網(wǎng)絡的聯(lián)系被破壞、分成個別孤立的毛細孔（水在其中凍結的容器），而凝膠連同其特征性凝膠孔和少數(shù)細小毛孔就構成透水器壁。隨著水化深入，材料質地致密及溫度的下降，將有更多細小空間的水參與冰凍，作為器壁的凝膠的滲水性也不斷減小。
    當冰凍多余水受水壓力推動向附近氣泡（逃逸邊界）排除時，材料本身將受到推移水分前進的后應反作用力導致受拉破壞。材料組織愈致密水流宣泄不及，疏導不暢引起的動水壓力增大。
    水泥漿中包含的一般是鹽類稀溶液，一旦冰凍后變?yōu)榧儽蜐舛雀叩娜芤?；隨著溫度下降，濃度不斷提高。另一方面鄰近凝膠中水分始終保持不凍，其溶液濃度保持原有的水平，于是在毛細孔溶液和凝膠水之間出現(xiàn)濃度差。濃度差使得溶劑向溶液中自發(fā)擴散滲透，即溶質向凝膠水中擴散，而凝膠水向毛細孔中濃溶液轉移。其結果毛細孔中水分增加，和冰接觸的溶液稀釋，冰晶逐漸生長，長大。當毛細孔穴充滿冰和溶液時，冰晶進一步生長必將產(chǎn)生膨脹壓力，導致破壞。
    另一方面在水壓的情況下，水分凍結膨脹，多余水在壓力推動下外流，流向可能消納水分的未凍地點；作為水流的結果壓力消失，析冰情況正好相反：水分不是從冰凍地點外流，而是從未凍地點（凝膠）流向已凍冰地點（毛細孔），方向恰好相反。未凍地點的水移動一定距離后，最后以冰凍結束，作為水流運動的結果產(chǎn)生壓力。
    以上兩點可以綜合為：第一階段毛細孔中始發(fā)的冰凍，向所有方向產(chǎn)生的水壓力，引起內應力；第二階段較大毛細孔中水分首先生成冰晶，可從小孔中吸引未凍結水使自身增長，產(chǎn)生靜應力。
    骨料作為一個組分，如果冰凍膨脹同樣會成為導致混凝土破裂的應力來源；為了保證混凝土完好，必須要求骨料和水泥凈漿兩者都不破壞。由于引氣混凝土的廣泛使用，水泥凈漿的抗凍性較易保證；從這個意義上來說，骨料抗凍性更具有突出意義。如顆粒大到一定限度以上，核心存在的距離任何逃逸邊界均在臨界尺寸以上的保水區(qū)域，此時將因超過骨料破裂強度的內部水壓力而破裂，這就是臨界儲存效應。凡屬中等吸水、細孔結構、滲透較低的巖石，這種危險較突出；空隙多、滲透性強的骨料臨界尺寸也很大。在特殊情況巖石吸水率極低（如重量吸水在0．5%以下的石英巖），可凍水極少，冰水是無滲應力出現(xiàn)；根據(jù)施工經(jīng)驗應避免使用高度吸水骨料，小顆粒石?？梢缘玫捷^大抗凍保證。
    綜上所述，混凝土材料的抗凍性是以下三方面的變函數(shù)即：（1）材料的性質（強度、變形、空隙情況）；（2）氣候條件（凍融循環(huán)次數(shù)、最低溫度、降溫速度、降水量、空氣相對濕度等）；（3）材料使用方式（降水量、自由水及跨越材料的蒸氣壓梯度與溫度梯度）。區(qū)分這幾方面變數(shù)將構成研究這一復雜問題的一個根本方式的轉變，這樣我們就有可能正確預言材料在指定環(huán)境中的抗凍能力。
    3、利用抗凍理論在工程上應用
    根據(jù)材料的抗凍性上述的函數(shù)，在施工實踐 中采取的抗凍施工措施如下：
    采取摻用防凍劑以降低新拌水泥混凝土的內部水溶液冰點以及干擾冰晶生長，有效保護未成熟混凝土不受凍脹破壞，在負溫條件下能夠繼續(xù)水化。
    采取摻用引氣劑，引氣不僅在表面無冰時減輕大體積冰誘導冰凍的出現(xiàn)，并且在過程中也減輕了冰擠出的損害，消納更多的毛細孔中冰凍所產(chǎn)生的多余體積，有助于保護成熟混凝土免于傷害。
    配合比設計采取高效減水劑盡量降低水灰比并經(jīng)過充分水化，就有可能做出實際上不包含可凍水的飽和混凝土構件。不包含毛細水（或數(shù)量很少）的混凝土構件，由于凝膠中空間極微細，結晶的始發(fā)十分困難，并不發(fā)生凍結，故施工中盡量不使用粉煤灰作為外摻料加入混凝土。
    選用巖石吸水率較低（如重量吸水在0．5%以下的巖石），可凍水極少，骨料表現(xiàn)安全，不受冰凍傷害，同時使用小顆粒石粒可以得到較大抗凍性保證。