淺談混凝土抗凍理論及控制措施

曹宏亮

0 引言

我國地域遼闊,有相當大的部分處于嚴寒地帶,致使不少水工建筑物發生了凍融破壞現象。根據全國水工建筑物耐久性調查資料[1],在32座大型混凝土壩工程、40余座中小型工程中,22%的大壩和21%的中小型水工建筑物存在凍融破壞問題。尤其在北方嚴寒地區,興建的水工混凝土建筑物,很多工程局部或大面積地遭受不同程度的凍融破壞,地處較為溫和的地區的混凝土建筑物也發現有凍融現象,混凝土的凍融破壞是我國建筑物老化病害的主要問題之一。因此開展對混凝土凍融的研究具有重要的理論意義,實用價值。

1 混凝土凍融破壞機理

混凝土在低溫下凍結時,毛細孔內的水結冰膨脹,對毛細孔壁產生巨大的擠壓作用,毛細孔張開,產生塑性變形,孔徑變大。混凝土內部凝膠孔的過冷水向外遷移,產生滲透壓力,此時混凝土內部承受拉應力。升溫時,混凝土內部的冰融化,重新成為液態水,水的體積收縮,毛細孔因塑性變形的作用,比初始的大,外部水分補充進入,混凝土內的水分增多。如此反復凍融,混凝土內部的毛細孔孔徑越來越大,混凝土承受的拉應力也越來越大,到達一定程度,超過混凝土的抗拉強度時,產生局部微小裂隙,最后裂隙貫通,導致混凝土破壞。最常見的是混凝土因水泥漿基體受反復凍融循環而逐漸膨脹引起的開裂和剝落。

1.1 冰凍作用對硬化水泥漿體的影響

毛細孔中,混凝土在低溫作用下凍結時,毛細孔里的水分結冰,體積增大,需要孔隙擴展結冰水體積的9%,或者把多余的水沿著試件邊界排除,或者二者同時發生。這個過程形成水壓力,其大小取決于結冰處至“逸出邊界”的距離,材料的滲透性和結冰速率。經驗表明:飽和水泥漿試件中,除非漿體里每個毛細孔距最近的逸出邊界不超過75 μ m～100 μ m,否則就會產生破壞。

如圖1所示,液態水結冰體積膨脹9%,如果結冰發生在體積較小的毛細孔中,冰晶能夠通過擠壓毛細管壁或產生水壓使水泥漿體損傷。如果在氣孔中結冰時,氣孔可提供逸出邊界,從而有效減輕水壓,冰晶不會對孔壁產生壓力。氣孔中冰晶要從毛細管吸取水分,因此可減輕水壓并導致水泥漿體收縮。

當飽和的水泥漿處于冰凍條件下,盡管大孔中的水會結冰,而凝膠孔里的水分還會以過冷的形式保持液態。這就使毛細孔里的結冰水和膠凝孔的過冷水之間產生熱力學不平衡,前者處于低能態,后者處于高能態。冰和過冷水之間的差異,迫使后者移動到低能態的位置后結冰,從膠凝孔向毛細孔供水,使其冰凍體積穩定增大,一直持續到不再有容納空間為止。

在水泥漿中一般包含堿、氯化物和氫氧化鈣等可溶物溶液,溶液的冰點低于純水。一旦冰凍后變為純冰和濃度更高的溶液;隨著溫度下降,濃度不斷提高。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濃度梯度,因此形成滲透壓。滲透壓使得溶劑向溶液中自發擴散滲透,當毛細孔穴充滿冰和溶液時,冰晶進一步生長必將產生膨脹壓力,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生壓力。

以上兩點可以綜合為:第一階段毛細孔中始發的冰凍,向所有方向產生水壓力,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,產生靜應力。

1.2 冰凍對骨料的作用

飽和水泥漿體結冰產生內部壓力的機理,同樣適用于混凝土中如骨料這類的多孔材料。暴露于凍融循環條件下的骨料顆粒其性能主要取決于空隙大小、數量、連通性(即孔徑分布)和滲透性。一般將骨料分為三類:第一類為低滲透性骨料,孔隙中的水結冰時,顆粒會發生彈性形變,但不會引起斷裂。第二類為中等滲透性骨料,這種骨料的滲透性比水泥漿體更高。凡屬中等吸水、細孔結構、滲透較低的巖石,這種危險較突出。第三類為高滲透性骨料,這種骨料通常存在很多大孔,盡管水分進出高滲透性骨料比較容易,但也會引起耐久性問題。在一定的孔徑分布、滲透性、飽和度和結冰速率條件下,大顆粒骨料可能會受到凍害,小顆粒則不會。

綜上所述,混凝土材料的抗凍性是以下三方面的變函數即:1)材料的性質(強度、變形、空隙情況);2)氣候條件(凍融循環次數、最低溫度、降溫速度、空氣相對濕度等);3)材料使用方式。區分這幾方面變函數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境中的抗凍能力。

2 提高混凝土抗凍性的措施

1)摻用引氣劑:長期的工程實踐與室內研究資料表明:提高混凝土抗凍耐久性的一個十分重要而有效的措施是在混凝土拌合物中摻入一定量的引氣劑。引氣劑是具有增水作用的表面活性物質,它可以明顯的降低混凝土拌合水的表面張力和表面能,使混凝土內部產生大量的微小穩定的封閉氣泡。這些氣泡切斷了部分毛細管通路能使混凝土結冰時產生的膨脹壓力得到緩解,不使混凝土遭到破壞,起到緩沖減壓的作用。同時大量的氣泡還能起到潤滑作用,改善混凝土和易性。因此,摻用引氣劑,使混凝土內部具有足夠的含氣量,改善了混凝土內部的孔結構,大大提高混凝土的抗凍耐久性。2)嚴格限制水灰比:采取高效減水劑盡量降低水灰比并經過充分水化。水灰比小,混凝土密實度高、強度高、毛細孔數量少,其吸水率低,由于凝膠中空間極微細,結晶的始發困難,可以減小水凍結時產生的破壞力。3)選用優質骨料:骨料的級配對混凝土的含氣量有影響,含泥量大的骨料會降低混凝土抗凍性,吸水率大的骨料同樣會降低混凝土抗凍性。因此選用含泥量、吸水率較低,級配良好的骨料,對混凝土抗凍是有利的。

3 結語

影響混凝土抗凍性的因素有很多,其中影響最大的3個因素是含氣量、水灰比、原材料。而引氣作用已被證明是減小混凝土受凍損傷的有效方法。同時,合理的氣泡結構是混凝土抗凍耐久性得以真正改善的關鍵,高度重視氣泡體系穩定性的問題就顯得更加重要。混凝土中氣泡體系形成與穩定性的因素和混凝土中各組成材料、配合比、拌合物特性以及外界條件有著緊密的聯系,如環境溫度、攪拌、運輸和澆灌技術等。針對不同環境條件、不同工程要求的混凝土,必須因地制宜,科學合理的進行適應性試驗,才能使得硬化混凝土具有設計要求的耐久性。

[1] [美]庫馬?梅塔(P.Kumar Mehta).混凝土微觀結構、性能和材料[M].北京:中國電力出版社,2008.

[2] 丁 凱,曹征齊.混凝土工程類[M].鄭州:黃河水利出版社,2008.

[3] 曾宇光.淺談混凝土結構的耐久性[J].山西建筑,2009,35(35):32-33.

[4] 張 譽.混凝土結構耐久性概論[M].上海:上海科學技術出版社,2003.