淺談對架構混凝土抗凍性和耐久性

摘要：混凝土是由粗集料架構、砂漿和界面過渡區組合而成，揭示了混凝土宏觀結構本質，能更充分地體現混凝土中各材料組分對混凝土整體性能的真正意義上的貢獻，為混凝土研究開辟了嶄新的領域，也為混凝土數字化設計奠定了堅實的理論基礎。

關鍵詞：混凝土；架構；抗凍性；耐久性.

1 架構混凝土的抗凍性

通過大量社會實踐證明，影響架構混凝土抗凍性因素：架漿比、摻合料和起裂荷載。在一定范圍內(1．12～1．34)，架漿比越小，混凝土抗凍性越好。但根據架構理論，架漿比越大，表明混凝土中粗骨料越多，混凝土越密實，抗凍性越好，但前提是，混凝土中砂漿必須有足夠的強度和耐久性保證自身及界面不提前發生凍融破壞；在混凝土中摻加粉煤灰和硅灰，能有效提高混凝土的抗凍耐久性，硅灰效果要優于粉煤灰；起裂應力越大，混凝土抗凍性越好。

2 融后架構混凝土滲透性變化

混凝土耐久性是指暴露在特定使用環境下抵抗各種物理和化學作用的能力。引起混凝土破壞的主要因素有凍融和鹽凍破壞、鋼筋銹蝕和碳化、堿骨料反應、化學侵蝕、磨損等。一般認為，除磨損外，其它破壞因素均與有害物質如H2O、C02、S042-、CL酸等侵入混凝土有密切關系，即只要這些有害物質不能進入混凝土中，混凝土的損傷就非常小。

在混凝土中，滲透性是一個綜合指標。它是指氣體、液體或者離子受壓力、化學勢或者電場的作用，在混凝土中滲透、擴散或遷移的難易程度。混凝土滲透性與耐久性之間有著密切的關系，混凝土獲得高耐久性與長壽命的關鍵是提高混凝土的抗滲性15引。眾所周知，影響混凝土抗凍性的因素比較復雜，從混凝土的凍融破壞機理可知，混凝土的抗凍性與其內部孔結構、水飽和程度、混凝土水灰比及原材料特性等許多因素有關，其中最主要的因素便是它的孔隙率及孔結構。本質上，混凝土抵抗凍融破壞的能力主要取決于自身的孔隙率以及孔隙特征。無論普通混凝土或引氣混凝土，其吸水率均呈逐步增加的趨勢。這一結果從宏觀上說明，混凝土在凍融破壞過程中內部孔隙逐步增加，密實度逐步下降，這與宏觀強度的下降是一致的。混凝土在凍融破壞過程中微孔含量在逐步增加，微孔直徑在逐步擴大

3 架構混凝土的滲透性

3.1 根據滲流場和電場的相關性，采用電場模擬滲流場，提出“滲阻”的概念，通過滲阻的大小，表示混凝土滲透性的好壞。

3.2 在架構混凝土中摻入粉煤灰、硅灰能有效提高其滲透性，并且硅灰效果更好。并且，滲阻和摻合料的摻量之間有非常好的線性關系。

3.3 架構混凝土的滲透性隨水膠比的減小而降低；水泥標號和架構混凝土滲透性并無直接關系，不能認為高水泥標號就一定能夠配制出高抗滲性、高耐久性的混凝土；和普通混凝土不同，架構混凝土的強度和滲透性之間線性相關性不好。

4 凍融后架構混凝土滲透性變化

混凝土在凍融破壞過程中微細裂縫的不斷擴展，內部孔隙增大，密實度逐步下降。本文通過交流電測量混凝土的滲阻，以滲阻的大小表示混凝土內部裂縫擴展和密室程度，分析了混凝土凍融后滲阻的變化，即凍融后混凝土滲透性的變化。

4.1 混凝土試塊凍融循環后的滲透性降低非常快，在凍融100次時，除SF3-5、SF3-10、SF3-15，其它試塊的滲阻損失率一般都達到50％以上，損失非常嚴重。

4.2 在混凝土耐久性的劣化過程中，一般應當存在初劣點及陡劣點。50次凍融循環后就出現滲阻明顯的下降，即混凝土滲透性損失很大，其主要原因：混凝土滲透性對其凍融破壞反映比較敏感。因此，在分析混凝土凍融后滲透性的變化時，應當減小混凝土凍融次數，最好控制在50次以內，以10次凍融循環作為一次滲透試驗點。

4.3 基于混凝土滲阻損失率對凍融破壞程度的敏感性，因此，可以考慮用滲阻損失率表征混凝土凍融破壞程度。

5 凍脹力與混凝土凍融破壞的關系

凍脹力大小取決于負溫大小、冰凍速率以及對未凍區的壓密狀態，這種壓密狀態就與混凝土強度等級有關。根據試驗，本文計算出了基準配合比P2的起裂應力，約為0．4-0.6MPa。在“負溫混凝土早期冰脹應力與強度發展規律的研究’’測量出混凝土在一5℃、-10℃、-15℃時早期的冰脹應力最大值分別為0.25MPa、0.45MPa和0.52MPa，并且混凝土的凍脹應力隨溫度的降低而增加。通常情況下凍脹力取0.19-1.43MPa；而對冬季地下水仍很豐富的地區，其凍脹力取為0.92-2.31MPa。實際上，只要起裂應力大于凍脹力，混凝土就能抵抗由于凍脹力而造成的起裂破壞，這樣可以避免混凝土的凍融破壞。因此，非常有必要建立混凝土起裂應力與凍脹力之間的關系，以起裂應力來評價混凝土抗凍性。

6 基于“栓塞效應”的架構混凝土耐久性

作為高性能混凝土的關鍵技術之一，礦物微細粉已經被廣泛應用于提高混凝土的耐久性。以“栓塞因子”定量表征不同礦物微細粉對混凝土耐久性的改善程度，即栓塞效應的大小。通過采用粉煤灰、硅灰作為礦物微細粉改善混凝土的氯離子滲透性能的試驗結果，驗證了栓塞因子這一新概念，為實現混凝土耐久性定量化設計提供了有效依據。

7 對架構混凝土耐久性的建議

7.1 基于起裂荷載的混凝土凍融機理研究，主要是從宏觀的角度定量描述混凝土材料抵抗凍融破壞的能力，使混凝土抗凍性的研究簡單化。采用起裂荷載評價混凝土抗凍性時，需要建立起裂荷載與混凝土凍脹力的關系，即只要混凝土的起裂應力大于凍融破壞時的凍脹力，混凝土就能夠抵抗凍融破壞。但目前對于混凝土凍脹力的研究還十分少，沒有建立混凝土凍脹力模型。因此，以后研究的重點是混凝土的凍脹力；本文主要分析了破壞荷載與水膠比、摻合料、水泥強度等的關系，沒有建立起裂荷載與破壞荷載的關系，以及起裂荷載與水膠比、摻合料、水泥強度等的關系；另一方面，有必要根據試驗數據，如起裂荷載、破壞荷載、臨界裂縫長度等試驗數據，驗證起裂荷載模型。

7.2 根據架構模型理論的研究，理想架漿比是2．83，混凝土配位數為12，而空隙率為26％；架漿比為0．14時，配位數為2～3，空隙率為87．3％。普通混凝土的粗集料配位數一般為4-6，而對于高性能混凝土為6-12。在本文分析混凝土抗凍性時，不考慮混凝土配位數，對于架構混凝土來說，配位數是一個十分重要的參數；另一方面，混凝土架漿比相差不大，造成水泥砂漿的強度對混凝土抗凍性的影響比較明顯，而使混凝土實際抗凍性不符合架構理論：架漿比越大，混凝土越密實，抗凍性越好。

參考文獻

[1]范磊，曾艷華，何川，程小虎．寒區硬巖隧道凍脹力的量值及分布規律[J]．中國鐵道科學，2007(01)：24-26

[2]GBJ82--85，普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法[S]

[3]趙鐵軍，劉淑梅．活性摻合料混凝土的研究[J]．青島建筑工程學院學報，1996(1)：25—28

[4]王立久，艾紅梅等．粉煤灰膠凝系數研究[J]．大連理工大學學報，2002，42(6)：724-727