混凝土抗凍性能的幾點(diǎn)研究

摘要：混凝土是土木工程中常用的材料之一，憑借其抗壓性能高、生產(chǎn)工藝簡單、耐久性能好等眾多優(yōu)勢使其在建筑項(xiàng)目建設(shè)中應(yīng)用最為廣泛，但同時(shí)混凝土自身也存在一些缺陷：許多建筑物在氣溫較低的環(huán)境下，混凝土出現(xiàn)一些非受力性裂縫，而混凝土的破壞多數(shù)與凍融作用有關(guān)，這種混凝土的凍融裂化現(xiàn)象直接關(guān)系到建筑物未來的使用壽命、安全問題、以及以此所產(chǎn)生的維護(hù)費(fèi)用等。因此，目前對于混凝土抗凍性的研究，越來越引起國內(nèi)外的許多混凝土專家的重視。

關(guān)鍵詞：混凝土 凍融 破壞 機(jī)理 因素 對策

一、混凝土凍融的破壞機(jī)理

對與混凝土凍融破壞機(jī)理的研究，主要包括：

（1）靜水壓假說

靜水壓學(xué)中將硬化混凝上中的孔隙分為凝膠孔、毛細(xì)孔、空氣泡等。一般情況下，凝膠孔的孔徑為15～100A，毛細(xì)孔孔徑為0．01～10，且各毛細(xì)孔之間是相互連通的，而空氣泡則是由于混凝土攪拌或振搗時(shí)，自然吸入或摻加引氣劑人為引入的封閉氣泡，因而產(chǎn)生了靜水壓力。而這種靜水壓力，隨著孔隙水流程長度的增加而增加，因此當(dāng)達(dá)到一個(gè)極限流程長度時(shí)，即孔隙水的流程長度大于極限流程長度，則靜水壓力將超過混凝土的抗拉極限強(qiáng)度，從而將造成混凝士的破壞現(xiàn)象。

（2）滲透壓假說

滲透壓假說認(rèn)為，混凝土中孔溶液內(nèi)含有Na+、K+、Ca+等鹽類，由于混凝土孔內(nèi)在結(jié)冰的過程中，大孔中的部分溶液先結(jié)冰，致使未凍結(jié)溶液中鹽的濃度上升，與周圍較小孔隙中的溶液之間形成一定的濃度差，造成小孔隙中的溶液向一部分已經(jīng)凍結(jié)的大孔隙遷移，由此形成混凝土內(nèi)部的滲透壓，致使混凝土發(fā)生破壞現(xiàn)象。

（3）溫差應(yīng)力假說

溫差應(yīng)力假說，主要針對的是高強(qiáng)度或高性能的混凝土凍融破壞現(xiàn)象。其認(rèn)為這類混凝土的凍融破壞，主要是由于混凝土集料與膠凝材料之間的熱膨脹系數(shù)差異較大，從而形成相應(yīng)的溫度疲勞應(yīng)力破壞。

二、影響抗凍性的主要因素

混凝土的抗凍性主要與混凝土內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)、受凍齡期、水飽和程度、混凝土的強(qiáng)度等因素有關(guān)，其中混凝土內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)對于混凝土的抗凍性具有極其重要的作用。而混凝土的孔結(jié)構(gòu)及其強(qiáng)度又主要取決于混凝土的養(yǎng)護(hù)方法、混凝土制作過程中的水灰比、以及有無外加劑等。

（1）水灰比

根據(jù)同本福岡大學(xué)的試驗(yàn)研究表明：當(dāng)水灰比在0.45~0.85范圍內(nèi)變化時(shí)，不摻引氣劑的混凝土的抗凍性并沒有太大的變化，而當(dāng)混凝土的水灰比小于0.45以后，混凝土的抗凍性才隨水灰比降低而明顯提高，具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下所示：

表一：300次凍融循環(huán)后混凝土的耐久性

水灰比0.250.350.450.55

耐久性系數(shù)98824735

孔隙體積（）2.323.535.936.49

（2）混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)

根據(jù)Powers的相關(guān)理論，其將混凝土內(nèi)部的氣泡間距的一半定義為氣泡間隔系數(shù)￡，當(dāng)混凝土的平均氣泡間隔系數(shù)￡小于某個(gè)臨界值時(shí)，混凝土內(nèi)部的毛細(xì)孔靜水壓或滲透壓不會(huì)超過自身的抗拉強(qiáng)度，該類混凝土的抗凍性較好，反之則抗凍性較差。相關(guān)的公式如下所示：

其中：——?dú)馀萜骄霃?/p>

——混凝土內(nèi)水泥漿體的體積百分?jǐn)?shù)（不包括空氣泡）

——混凝土中的含氣量（體積百分?jǐn)?shù)）

根據(jù)上式可以看出，混凝土內(nèi)部的水泥漿含量越大，氣泡平均半徑越大，含氣量越小，則平均氣泡間隔系數(shù)越大，而導(dǎo)致混凝土的抗凍性下降。

（3）混凝土構(gòu)成材料的性質(zhì)

混凝土構(gòu)成材料的性質(zhì)直接影響混凝土的抗凍性，例如在整個(gè)混凝土的原材料中占有70%----93％比例的石子和砂，這些骨料質(zhì)量的好壞直接影響混凝土的抗凍性，而骨料的質(zhì)量主要包括骨料的風(fēng)化程度、堅(jiān)實(shí)性、雜質(zhì)含量、粘土含量等。除了骨料本身的質(zhì)量外， 骨料的吸濕性、滲透性對于混凝土的抗凍性也有影響，這主要是因?yàn)橛捎诨炷羶?nèi)部骨料濕度和強(qiáng)度的變化， 引起含針狀物巖石體積的變化， 致使已硬化的水泥砂漿和混凝土表面產(chǎn)生損壞。

（4）外加劑

許多混凝土外加劑均能在不同程度上影響混凝土的抗凍性，其中對混凝土抗凍性有顯著影響的就是引氣劑，由于在混凝土施工過程中摻入引氣劑，能夠改善混凝土的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)， 加混凝土的含氣量且能使氣泡均勻分布，以緩沖混凝土產(chǎn)生的凍脹作用， 大大降低凍脹的應(yīng)力， 以此提高混凝土的抗凍性能。

（5）外部環(huán)境

混凝土所處的外部環(huán)境，對其自身的抗凍性也具有一定程度的影響。這里所指的外部環(huán)境條件主要包括混凝土所處環(huán)境的凍結(jié)齡期、最低凍結(jié)溫度、降溫速率等。

三、提高混凝土凍融性措施

從上述對于混凝土的抗凍性影響因素分析，得知混凝土的外部環(huán)境、內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)、原材料、外加劑等均能在一定程度上改善混凝土的抗凍性能，具體相關(guān)的提高混凝土抗凍性的措施，如下所示：

（1）作為構(gòu)成混凝土的原材料，其質(zhì)量和性質(zhì)直接影響混凝土的抗凍性高低，因此，在配制混凝土?xí)r，應(yīng)合理選擇原材料。而這其中作為混凝土原材料主要組成部分的水泥和骨料，其選擇更應(yīng)謹(jǐn)慎。

（2）嚴(yán)格控制水灰比

水灰比是影響混凝土抗凍性能的另一主要因素，同時(shí)它也是是決定混凝土組織致密性，即是決定孔結(jié)構(gòu)特性的基本因素。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果顯示，較低的水灰比有利于提高混凝土的抗凍性，這主要是由于水泥在水化的過程中，所需要水分僅為其重量的25%左右，因此若混凝土中的水灰比過大，就會(huì)導(dǎo)致多余的水游離并析出孔隙，導(dǎo)致飽和后的空隙易受凍脹破壞，而較小的水灰比可以減少混凝土在拌和過程中的用水量， 使水泥水化反應(yīng)剩余的水量減少， 可以大大減少由這些水造成的孔隙和滲水通道，提高混凝土的密實(shí)度及強(qiáng)度，增強(qiáng)抗?jié)B性能。

從下表的相關(guān)數(shù)據(jù)我們可以看出，伴隨水灰比減小，混凝土內(nèi)部的結(jié)冰量和水的膨脹率明顯降低，因而混凝土的抗凍性顯著提高。因此，水灰比越低，在好的養(yǎng)護(hù)條件下，混凝土越致密，抗凍性也越好，而相關(guān)規(guī)范中通常把混凝土的水灰比控制在0.55以內(nèi)。

表二： 凍前養(yǎng)護(hù)7天的混凝土在-20℃時(shí)結(jié)冰及水體積膨脹量

水灰比結(jié)冰量與混凝土體積膨脹量/%水的膨脹與混凝土的體積比/%

0.413.80.35

0.494.90.45

0.728.10.75

（3）摻入性能優(yōu)越的外摻劑

當(dāng)今，隨著科技的發(fā)展，一些性能優(yōu)良的外加劑不斷應(yīng)用在工程的材料配置中，以改善建筑材料中的一些缺陷或者減少相應(yīng)的建設(shè)成本，其中對于混凝土抗凍性能的提高，大量研究資料表明，摻入一些性能優(yōu)良的外加劑，可以大大提高混凝土的抗凍融能力。這些外加劑包括引氣劑、減水劑、早強(qiáng)劑、防凍劑、纖維等，均能在不同程度上提高混凝土的抗凍性能。

本文通過研究國內(nèi)外與中低強(qiáng)度混凝土抗凍性能相關(guān)的理論基礎(chǔ)，總結(jié)并分析中低強(qiáng)度混凝土發(fā)生凍融破壞的相關(guān)機(jī)理，并找出影響中低強(qiáng)度混凝土抗凍性能的相關(guān)因素，具體包括：水灰比、混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)、混凝土構(gòu)成材料的性質(zhì)、外加劑、外部環(huán)境條件，并據(jù)此提出增加混凝土抗凍性的相關(guān)措施，即合理選擇原材料、嚴(yán)格控制水灰比、摻入性能優(yōu)良的外加劑、摻入礦物摻合料等。

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