不同類型的水對混凝土凍融破壞的影響

摘 要：文章論述了混凝土凍融破壞問題的重要性，著重研究影響混凝土凍融破壞因素中不同類型的水對混凝土凍融破壞的影響，總結對混凝土凍融破壞的認識，為解決實際工程中凍融對混凝土的影響提供相關借鑒。

關鍵詞：混凝土；凍融破壞；耐久性

1 混凝土凍融破壞現狀

我國地域遼闊， 在寒冷冬季的北方地區，尤其東北三省、內蒙古、以及西北五省等省市自治區，氣溫均在零度以下。而混凝土在零度以下的環境中易發生凍融破壞，這些地區的混凝土結構破壞基本上均與凍融相關[1]。

2008年初，我國長江以南大部分地區持續冰凍災害，由于持續的冰凍天氣，混凝土輸電塔出現不同程度的結冰現象，在長江以南地區出現這樣的現象讓人難以預料。無論是冬季嚴寒的北方，還是特殊情況下的南方，凍融破壞的現象在全國各地均有存在，并且對混凝土耐久性造成了極大的影響。研究凍融破壞對混凝土的影響，對混凝土耐久性研究具有重要意義。

2 混凝土凍融破壞機理研究狀況

混凝土的凍融破壞，是一系列物理變化的結果。從大約二十世紀中葉開始，美國與歐洲等科技較為領先的國家或地區均注重研究混凝土凍融破壞機理，并且提出了多種混凝土凍融破壞理論[2]。在此領域以T.C.Powers為代表的理論成為最基本的混凝土凍融破壞理論。截止目前，混凝土的凍融破壞基本理論[3]有膨脹壓、滲透壓、水的離析成層等理論，但目前學術界認可度比較高的，仍然是膨脹壓理論和滲透壓理論。

2.1 膨脹壓力理論

混凝土一般是在集料中摻入適當比例的水與水泥，并且引入適當的外加劑所共同組成的。一方面無論是何種集料，在其內部總會或多或少地存在一定的孔隙；另一方面混凝土在拌合、澆筑、振搗和成型過程中，也會殘留一定的孔隙。混凝土的這些孔隙中經常含有水，當溫度低于零度時，毛細孔中的水會生成冰。由于水凍結成冰體積會增大約9%，隨著外界環境溫度的逐漸降低，越來越多的水逐漸變成體積膨脹的冰，未結冰的水持續受壓，由于四周密閉而無處流動，使得混凝土毛細孔中逐漸產生越來越大的內應力。此內應力積累到一定程度，便會逐漸平衡混凝土內部所能承受的最大漲裂應力，進而使混凝土因漲裂產生破壞。

2.2 滲透壓力理論

有研究指出[3]，在混凝土孔隙中，即便達不到完全飽和，也會引起混凝土的凍融破壞，僅以零度以下水結冰時體積膨脹9%的膨脹壓力理論無法準確論述復雜的混凝土凍融破壞現象。T.C.Powers在混凝土凍融破壞領域進行深入研究后發現，混凝土孔隙中的水凝結成冰時，所生成的冰并不向外排出，而是向著冷源方向推進。鑒于此情況，T.C.Powers等人對混凝土的凍融破壞提出了滲透壓理論。該理論認為，在結冰的條件下，混凝土孔隙中的水分首先有部分凝結成固態的冰，由于本來位于混凝土孔隙中的水被凍結成冰，使得混凝土孔隙中的溶液濃度發生變化，凝膠孔中的自由水便會向毛細孔移動，進而引起混凝土毛細孔的擴散作用而形成了滲透壓力，毛細孔中的水在凍結體積逐漸膨脹的作用下導致混凝土發生漲裂破壞。

3 不同類型水對凍融的影響

雖然以上兩種理論都是混凝土凍融破壞中認可度較高的理論，但這兩種理論均屬于基本理論，對混凝土凍融過程中具體的因素都描述過于簡單。本文作者認為，在混凝土凍融破壞中，混凝土中各種水的影響作用尤為重要，不能簡單一筆帶過，而應該做深入比較研究。

混凝土在成型養護過程中由于水化反應消耗水分引起混凝土體積減小，這也就是常見的混凝土養護完成后經常出現細小裂紋的原因。在混凝土發生水化的過程中，有一部分水參與混凝土的水化反應而被消耗掉，另一部分水殘留在混凝土之中形成結晶水、吸附水、毛細孔水和游離水[4]。

3.1 混凝土中不同類型水對凍融的影響

3.1.1 結晶水

化合物中所結合的水分子稱為結晶水，在常見的晶體物質中，會以一定比例結合著部分水。這部分水與其他成分之間成簡單的比例，屬于物質組成的一部分，是不可能結冰的，所以結晶水的存在對混凝土凍融沒有影響。

3.1.2 吸附水

吸附水也稱為凝膠水，其中一些水被吸附在混凝土漿體的外面，另一些水停留在混凝土顆粒之間的空隙中。通常情況下凝膠孔尺寸比較小，在-70℃以下才能凝結成冰。一般常見環境根本達不到如此低的溫度，因此這部分水被認為在一般情況下不存在結冰問題，進而說明吸附水不會對混凝土的凍融破壞造成影響。

3.1.3 毛細孔水

在混凝土實際拌合時，其用水量一般都會與理論計算值存在細微差異，此時發生水化反應后剩余的水便會滯留于毛細孔之中，使混凝土內產生相互連通的毛細孔。廣泛存在于毛細孔中的這些毛細孔水是可凍的，并且隨著毛細孔的逐漸縮小，毛細孔水的冰點也隨著逐漸降低，這些存在于混凝土中的毛細孔水很容易發生以上所提到的膨脹與滲透破壞，這也就是混凝土產生凍融破壞的主要因素。

3.1.4 游離水

游離水也就是以水分子狀態存在于混凝土各類型固體顆粒之間的自由水。由于游離水是以分子狀態存在于混凝土固體顆粒之間，當環境溫度達到結冰溫度后，游離水便會結冰產生凍融破壞。故游離水的存在，對混凝土的凍融破壞也有很大的影響。

3.2 引起混凝土產生凍融破壞的水分析研究

由以上的對比可以發現，凍融作用引起的破壞主要是由存在于混凝土中的毛細孔水和游離水在外界環境達到結冰溫度時，由水凝結生成冰所造成的，而結晶水和吸附水由于自身存在的特點，對凍融幾乎不產生任何影響。

T.C.Powers[5]在20世紀四十年代提出了混凝土中由于毛細孔水結冰膨脹，在混凝土中所產生的膨脹內應力計算公式如下所示：

P=η（1.09-1/s）μc（λ/3）k

式中：η-粘性系數；s-飽水度；μc-凍結速率；k-滲透率。

該理論公式充分說明了孔徑較大的毛細孔水對混凝土凍融破壞有著直接的影響。滲透率與孔隙率直接相關，混凝土受到凍融破壞的嚴重程度，與毛細孔中飽水程度有很大的關系。不同類型的水對混凝土凍融破壞有著不同的影響，所以我們在研究混凝土凍融破壞時，應高度重視并區分各種不同類型水對混凝土凍融破壞的影響。

4 結束語

凍融破壞對混凝土的影響主要由存在于混凝土之中的水在結冰溫度之下凝結成冰，使混凝土之中產生膨脹力與滲透力，進而導致混凝土在此應力的作用下產生破壞。但并不是混凝土中所有類型的水都會對混凝土產生凍融破壞，只有存在于毛細孔中的毛細孔水與骨料之間的游離水才可對混凝土產生凍融破壞。混凝土長年累月存在于凍融交替的環境中，由于內應力漲裂所產生的裂縫將會不斷擴大，最終連接貫通，使混凝土產生剝離的耐久性破壞。

通過混凝土中不同水存在的形式對混凝土凍融破壞的影響研究，可以充分利用混凝土凍融破壞的特點，有針對性地在混凝土設計與施工過程中盡量減少毛細孔水與游離水的含量，不但能滿足混凝土的基本性能指標要求，更可以大幅提高混凝土的耐凍融性能，對實際工程具有極大的指導意義。

參考文獻

[1]徐學英.提高混凝土耐久性的措施[J].建筑，2010（13）.

[2]李艷梅.淺談如何提高混凝土的耐久性[J].內蒙古石油化工.2011（08）.

[3]季榮華.混凝土結構耐久性探析[J].江蘇建材.2003（04）.

[4]陳國忠.提高混凝土耐久性的措施[J].河南水利與南水北調，2010，

10：86.

[5]李新福，雷紹鋒，馬成松，等.土木工程材料[M].武漢：武漢理工大學出版社，2008：78-80.