混凝土抗冻性研究

　　摘要：阐述了混凝土抗冻性研究对结构耐久的重要的意义，分析了混凝土冻融破坏机理，综述了影响混凝土抗冻性的主要因素，提出了提高混凝土抗冻性的一些措施。
　　关键词：混凝土；冻融破坏；影响因素
　　1 引言
　　近年来，随着建筑行业的迅速发展，人们对混凝土结构的耐久性要求越来越高，因此，混凝土的耐久性问题受到高度重视，人们对混凝土耐久性认识也越来越广。在各种设计规程中，均把耐久性列为混凝土的一项重要指标，尤其在一些大型工程中，对混凝土的耐久性问题更加重视。混凝土的耐久性是指混凝土结构在自然环境、使用环境及材料内部因素作用下保持其工作能力的性能[1]。
　　耐久性指标包括抗冻性、抗碳化、抗渗性、抗硫酸盐侵蚀、抗氯离子侵蚀等，各项指标之间密切相关。抗冻性作为混凝土耐久性的非常重要的指标，引起了国内外研究者的普遍重视。冻融破坏是混凝土建筑物在自然条件下经受干湿、冷热、冻融交替等破坏作用．影响建筑物的使用，降低建筑物的寿命。在我国北方地区，由于混凝土建筑物冬季气温经常在0℃以下或正负温度交替，很容易使建筑物发生冻融破坏，冻融剥蚀导致结构的承载能力和耐久性下降，危及建筑物的安全运行。因此，冻融破坏是我国北方混凝土的主要破坏形式之一，因此研究混凝土的抗冻性非常必要。
　　2混凝土冻融破坏机理
　　混凝土孔隙中的自由水就是导致混凝土遭受冻害的主要原因。由于制备混凝土要求有一定的流动性，水泥水化的用水量一般都要低于加入的拌合水量，剩余的水分便以游离水滞留于混凝土中，游离水在流动过程中会在混凝土内部留有一定的毛细孔以及形成透水路径。由膨胀压和渗透压理论可知，吸水饱和的混凝土在冻融过程中遭受的破坏力主要由两部分组成：
　　(1)膨胀压力
　　当温度降到0℃以下时，冻害从温度较低的表层开始，表层毛细管中的水先冻结，水结冰时体积增大9%，水结冰时的破坏作用，主要发生在充满了水的较粗孔隙内。当孔隙中的水快速冰结时，在孔隙内将产生很大的膨胀压力，伴随这种相变产生的膨胀压力；使毛细管壁受到拉应力，导致混凝土产生膨胀破坏。
　　(2)渗透压力
　　混凝土内部变相产生的膨胀压力，使得剩余的水分迁移至附近的孔隙和毛细管中，在水的运动过程中，产生液体压力，在这一过程中产生水压力，使孔壁受到拉应力，造成材料体积膨胀。解冻后，材料体积收缩，但会留下部分残余应力变形，产生冻融劣化，硬化水泥石的组织结构发生破坏，抗拉强度降低，严重的时候产生剥蚀破坏。当混凝土受冻时，这两种压力会损伤混凝土的内部微观结构，经多次冻融后，损伤不断积累及扩大，发展成许多大的裂缝，使混凝土的强度逐渐降低，最终使得混凝土结构由表及里遭受破坏。
　　3影响混凝土抗冻性的主要因素
　　1.含气量
　　在混凝土中加入一定量的引气剂，可使混凝土中形成一些细小的圆形封闭气孔，进一步提高混凝土的流动性，减少拌合物的离析和泌水，提高混凝土的均匀性，改善混凝土的耐久性（抗渗性、抗冻性）。在美国、日本、加拿大等国家，引气剂在混凝土中的使用是很普遍的，甚至也用于高强混凝土中。掺入引气剂是提高混凝土含气量有效途经，以达到提高抗冻耐久性的目的。因此，含气量也是影响混凝土抗冻性的主要因素。为使混凝土具有较好的抗冻性，其最佳含气量约为5%-6%。混凝土中加入引气剂产生了均匀稳定、互不相通的微小气泡，这些互不连通的微细气孔不仅部分阻断了混凝土内的开口连通孔隙，同时在混凝土孔隙中的自由水冻结膨胀时，能使毛细孔中的静水压力减小，即起到减压作用。在混凝土受冻结冰过程中，这些孔隙可阻止或抑制水泥浆中微小冰体的生成。在混凝土中必须保证气孔的均匀分布，这样才能使混凝土具有较好的抗冻性。
　　在混凝土中平均孔隙间距随含气量增加而减小，在最佳含气量条件下，孔隙间距将会防止冻融造成的压力过大。实验表明，当混凝土含气量超过6%后，抗冻性不再提高[2]。
　　3.水灰比
　　混凝土的抗冻性主要取决于混凝土的水灰比及含气量，由于含气量取决于骨料最大粒径，也可以说，当混凝土的含气量满足骨料最大粒径的要求时，混凝土的抗冻性取决于混凝土的水灰比。严格限制混凝土的水灰比对于保证较高的抗冻性仍然是十分必要的。水灰比不仅直接影响混凝土的孔隙率及结构，还间接影响混凝土各种性能(强度、耐久性等)。在同样良好成型条件下，水灰比不同，混凝土密实程度、孔隙结构也不同，其抗冻性能也不同。在含气量基本相同的条件下，水灰比愈大，混凝土中气泡平均尺寸及其间距均增大，此时在水泥浆中可冻水的含量也相应增大，从而导致混凝土的抗冻性显著下降。反之，水灰比愈小，气泡平均尺寸也随之减小，气泡个数增加，可以大大提高混凝土的抗冻性。因此，为提高混凝土的抗冻性，必须严格控制水灰比。
　　2.粉煤灰
　　随着混凝土材料科学的发展，粉煤灰在混凝土中应用越来越广泛。粉煤灰由于其化学成分、矿物组分及颗粒形态等特征，在混凝土中主要产生三大效应，即活性效应（火山灰效应）、形态效应及微集料效应[3]。
　　(1)活性效应可以降低混凝土中Ca(OH)2浓度，其不仅减弱了溶析导致的混凝土内部微观结构的劣化；而且经过二次水化反应消耗了混凝土中薄弱的Ca(OH)2结晶，使混凝土内部孔隙率得到降低，不但改善了混凝土孔结构，还提高了混凝土的密实性。
　　(2)形态效应有利于减少混凝土用水量，这是由于粉煤灰的小球形颗粒形状在骨料之间起到填充和润滑作用，提高混凝土的流动性，此外，细小粉煤灰颗粒有助于水充分地散开，提高混凝土的保水性，防止泌水，从而可以减低了水灰比，提高混凝土的密实度。
　　(3)微集料效应使混凝土内部空隙细化，增强混凝土的密实性。
　　由此可见，混凝土中掺入粉煤灰可以有效降低水灰比、细化混凝土内部空隙，提高其密实性，从而减少了有害孔的相对数量，提高混凝土的抗冻性能。然而，混凝土中的粉煤灰含量应该存在一个最佳含量值，当粉煤灰掺量过大时，由于粉煤灰的容重小于水泥的，大约为水泥的2/3，将使得胶凝材料的体积增大，体积增大必将导致混凝土表面吸附水的增加，使其流动性降低，混凝土不能够很好的密实，混凝土密实性下降，使得环境中的水容易进入，混凝土的抗冻性能自然会降低。由于混凝土中掺入适量的粉煤灰，可以提高混凝土的密实度、保水性，降低了水灰比，根据混凝土冻融破坏机理，当混凝土饱水程度较低时，混凝土在冻融循环过程中的破坏应当很小。故掺加了粉煤灰的混凝土抗冻性较好。
　　4.水饱和度
　　混凝土的冻融破坏还与其饱水程度密切相关。冰冻破坏主要是由于混凝土中水份结冰产生的膨胀应力，一般认为含水量小于孔隙总体积的91.7%就不会产生冻结膨胀压力，在混凝土完全饱水状态下，其冻结膨胀压力最大。因此湿冻（完全水饱和）要比干冻的破坏作用大得多。混凝土的饱水状态主要与混凝土结构的部位及其所处的自然环境有关。经常处于潮湿环境下的混凝土，其含水量明显高于处于大气中的混凝土。然而，最容易发生冻融破坏是位于水位变化区的混凝土，此处的混凝上经常处于干湿交替变化的环境中，受冻时极易破坏。此外，由于处在一定环境下的混凝土，其表面含水率通常大于其内部的含水率，因此冻害往往是由表层开始逐步深入发展的。
　　4结论
　　综上所述，混凝土的冻融破坏通常是一个缓慢的过程，在实际中影响混凝土冻融破坏的因素也比较复杂，影响混凝土冻融破坏的主要因素有含气量、水灰比、粉煤灰掺量及水饱和度等等。在实际工程应用中，可以采取添加引气剂及掺合料，严格控制水灰比等一些措施来降低混凝土的冻融破坏，对大量、大规模的现场露天浇捣混凝土更应加强早期养护，特别是在北方寒冷地区，更应重视，由此来提高混凝土的抗冻性及耐久性。
　　参考文献
　　[1]王媛俐,姚燕.重点工程混凝土耐久性研究与工程应用,北京:中国建材工业出版社,2001
　　[2]陈应钦.引气剂的作用及高性能混凝土引气剂的研究.新型建筑材料，2002(2)
　　[3]傅智.破压泥凝土杭冻性初步试验研究[J].混凝土.1991