淺談混凝土的凍融破壞及抗凍措施

葉義群

隨著混凝土建筑物的增多,混凝土的抗凍性能要求也日益提高,尤其在北方冬季較長,溫度較低的狀況下,建筑物對混凝土的抗凍性能要求非常高。對于一些重要的混凝土結構工程,混凝土的防凍以及冬季施工的要求也尤為重要。

混凝土受凍害損傷可以區分為兩種情況: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。混凝土的凍害會對建筑物造成巨大的危害,所以防治混凝土受凍害損傷在冬季施工中具有重大意義[1,2]。

1 混凝土受凍害損傷有關原因[3]

1.1 新拌水泥混凝土受凍害損傷的原因

新拌混凝土的強度低、空隙率高、含水多,極易發生凍脹破壞。凍脹破壞的外觀特征是材料體內出現若干的冰夾層,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。

1.2 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3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。混凝土構件中各種孔徑的空隙可認為連續分布,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,溫度愈低,可凍水愈多。

連續的毛細管溝網絡體系破壞過程:隨著水化進展凝膠體生成,網絡的聯系被破壞,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反作用力導致受拉破壞。材料組織愈致密水流宣泄不及時,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,一旦冰凍后變為純冰和濃度更高的溶液;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濃度差。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。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。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,冰水無滲應力出現;根據施工經驗應避免使用高度吸水骨料,小顆粒石粒可以得到較大抗凍保證[4]。

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、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汽壓梯度與溫度梯度。

區分這三方面變函數將構成研究這一問題的一個根本方式的轉變,這樣就有可能正確預言材料在指定環境中的抗凍能力。

2 抗凍理論在工程上的應用

1)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水化。2)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,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生的多余體積,有助于保護成熟混凝土免于傷害。3)配合比設計采取高效減水劑盡量降低水灰比并經過充分水化,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(或數量很少)的混凝土構件,由于凝膠中空間極微細,結晶的始發十分困難,并不發生凍結,故施工中盡量不使用粉煤灰作為外摻料加入混凝土。4)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。5)改善混凝土的氣候條件以及使用方式,在地面以上的混凝土結構的冬季施工中,采取棉氈包裹等有效的蓄熱保溫措施,以此延長混凝土養護周期,保證成熟混凝土充分水化,盡量降低構件毛細水含量,防止成熟混凝土受凍。

3 凍融破壞的修補措施

混凝土的凍融剝蝕進程一般比較緩慢,初期階段易被忽視,直到顯露出明顯特征才被發現。凍融剝蝕破壞發生后,首先要明確在特定工程條件下引發和控制凍融剝蝕發生、發展的主要因素,分清其中的可消除因素,根據工程維護管理資料確定或估計凍蝕的發展速度(年剝蝕深度),分析凍蝕現狀(深度和范圍)以及今后可能的發展或誘發其他病害對建筑物的安全性、適用性、耐久性和美觀的影響及危害嚴重程度,最后判斷修補處理的必要性及輕重緩急或采取相應的防護措施[8,9]。對遭受凍融破壞的混凝土結構,目前均按照“鑿舊補新”原則進行修補,亦即將已遭受凍融破壞的混凝土全部鑿除,回填具有高抗凍性能的優質修補材料,在某些情況下還可采取防水,止住滲漏和排水等補救處理措施。

4 凍融破壞的修補材料

1)高抗凍性混凝土。2)聚合物水泥砂漿。3)預縮水泥砂漿。此外,凍融破壞的修補工藝也是非常重要的影響因素。良好的處理方法能夠大大改善混凝土的抗凍性能,滿足較高的抗凍性要求。

5 結語

混凝土在長期的凍融下,非常容易遭到破壞,致使構件表面產生剝落,從而大大影響了混凝土結構正常的使用功能。本文從混凝土的相變化以及凍融破壞產生的原因出發,分析了影響混凝土抗凍性能的種種因素,以及改善混凝土抗凍性的措施。

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[4] 徐 峰,王 琳,儲 健.提高混凝土耐久性的原理與實踐[J].混凝土,2001(9):21-24.

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[8] 張承志,王愛勤.建筑混凝土[M].北京:化學工業出版社,2007.

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