簡述關(guān)于混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土凍融機(jī)理及耐久性評估研究

許玉濱

【摘? 要】隨著預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用，其耐久性問題也越來越被人們所關(guān)注。由于預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)裂縫寬度很小，一般來說其耐久性要高于普通混凝土結(jié)構(gòu)。但大量工程實(shí)踐表明，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)也普遍存在耐久性問題，而凍融破壞時(shí)影響預(yù)應(yīng)力混凝土耐久性的重要問題。近年來對預(yù)應(yīng)力混凝土抗凍融耐久性的研究表明，氯鹽溶液對凍融破壞有加速作用，應(yīng)力作用對抗凍融耐久性有可能使有利的，也有可能是不利的。

【關(guān)鍵詞】預(yù)應(yīng)力混凝土;耐久性;凍融破壞;研究

一、抗凍融原理

在混凝土凍融破壞的各種分析原理中，公認(rèn)程度較高的是由美國學(xué)者提出的膨脹壓和滲透壓的理論，即吸水飽和的混凝土在其凍融的過程中，遭受的破壞應(yīng)力主要由兩部分組成：一是混凝土毛細(xì)孔中的水在負(fù)溫下由水轉(zhuǎn)變成冰，體積膨脹，但由于受到毛細(xì)孔壁約束，因而在孔周圍的微觀結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生拉應(yīng)力;二是當(dāng)毛細(xì)孔水結(jié)成冰時(shí)，由于表面張力的作用，混凝土毛細(xì)孔隙中水的冰點(diǎn)隨著孔徑的減小而降低。凝膠孔水形成冰核的溫度在-78℃以下，因而，由冰與過冷水的飽和蒸汽壓差和過冷水之間的鹽分濃度差引起水分遷移而形成滲透壓。當(dāng)混凝土受凍時(shí)，這兩種壓力會(huì)損壞混凝土的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，當(dāng)經(jīng)過多次反復(fù)的凍融循環(huán)以后，損壞逐步積累不斷擴(kuò)大，最終發(fā)展成互相連通的裂縫，使混凝土的強(qiáng)度逐步降低，直至完全喪失。因此，飽水狀態(tài)是混凝土發(fā)生凍融破壞的必要條件。

二、復(fù)合作用下的混凝土耐久性探究

1.凍融與氯鹽復(fù)合作用下的混凝土耐久性探究

隨著人類文明的發(fā)展，碼頭和海港等海洋工程的建設(shè)不斷向高寒，海洋地區(qū)擴(kuò)展。在這些區(qū)域建造的工程每天都會(huì)受到潮汐、風(fēng)浪和冰凍等多重自然因素的侵蝕，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命縮短。例如冰鹽環(huán)境下的橋梁和道路工程，結(jié)構(gòu)表面就會(huì)發(fā)生混凝土層的剝落，內(nèi)部還會(huì)出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象。如果要對這種環(huán)境中的混凝土耐久性的壽命進(jìn)行預(yù)計(jì)，凍融和氯鹽侵蝕的雙重作用是不可忽視的兩個(gè)方面。

由于混凝土的內(nèi)部有很多的孔隙結(jié)構(gòu)，大氣中的水汽就會(huì)通過這些孔隙滲入其中。在寒冷低溫的情況下，這些水汽就會(huì)結(jié)冰膨脹，破壞混凝土的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)裂縫。這時(shí)，氯離子便會(huì)從裂縫侵入，引起鋼筋銹蝕。在鹽水環(huán)境的作用下，混凝土的內(nèi)滲透壓會(huì)增大，受凍后就更容易產(chǎn)生結(jié)晶壓，這就加劇了混凝土的破壞程度。

氯離子的入侵不僅會(huì)破壞鋼筋表面的鈍化膜，引起鋼筋嚴(yán)重的腐蝕，還會(huì)產(chǎn)生去極作用，周而復(fù)始的進(jìn)行破壞。因此在日常的工程建設(shè)中，人們對混凝土的性能就提出了更高的要求。有學(xué)者針對海洋環(huán)境中粉煤灰混凝土、硅灰混凝土的抗凍性與氯離子的耦合進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)粉煤灰和硅灰都不能提高混凝土的抗凍耐久性，但是可以有效增強(qiáng)混凝土的抗氯滲透性。

2.凍融與碳化復(fù)合作用下的混凝土耐久性探究

當(dāng)空氣中的二氧化碳進(jìn)入混凝土內(nèi)部的孔隙后，會(huì)慢慢溶解于孔隙溶液中，并與混凝土中的氫氧化鈣等堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，這就是混凝土的碳化過程。這是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的多相物理化學(xué)過程，該過程會(huì)降低混凝土的酸堿值，導(dǎo)致鋼筋銹蝕。

在凍融的循環(huán)作用下，混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)會(huì)逐漸劣化，抗?jié)B性會(huì)不斷降低，導(dǎo)致混凝土的抗碳性能也隨之下降。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在凍融作用的損傷下，會(huì)出現(xiàn)微裂隙縫，表面會(huì)開裂或被剝落，從而為二氧化碳的入侵提供了有利條件。當(dāng)凍融循環(huán)的次數(shù)越來越多時(shí)，混凝土中的氫氧化鈣含量和碳化的深度也越來越大。但是對于處在寒冷地區(qū)的工程結(jié)構(gòu)來說，凍融和二氧化碳復(fù)合侵蝕的風(fēng)險(xiǎn)就很高。不過目前的試驗(yàn)數(shù)據(jù)還不能完成此種情況下的混凝土耐久性研究，所以相關(guān)部門還應(yīng)展開大量的研究和探索。

3.凍融與荷載復(fù)合作用下的混凝土耐久性探究

在實(shí)際的工程操作中，幾乎所有的混凝土結(jié)構(gòu)都會(huì)承受各種各樣的荷載作用，荷載在與氣候、環(huán)境等因素的共同作用下加速了對混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性破壞。但是由于客觀條件的限制，對凍融和荷載復(fù)合作用下的混凝土耐久性的相關(guān)研究發(fā)展緩慢。

近幾年來，針對凍融和荷載復(fù)合作用的試驗(yàn)多是圍繞“彎曲荷載+凍融循環(huán)”的模式，在壓縮彈簧加載裝置中進(jìn)行的。由于這種裝置在應(yīng)力松弛的情況下會(huì)出現(xiàn)加載不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，中國建材研究所就對其進(jìn)行了改造。但是改造后的裝置會(huì)受到凍融試驗(yàn)箱的尺寸限制，仍存在加載系統(tǒng)過小和施加荷載不能過大的局限，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)中只能采用砂漿試件或者是非標(biāo)準(zhǔn)的小型試件，這就降低了實(shí)際工程的符合性和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均性。因此，要想精確的實(shí)現(xiàn)凍融與荷載的耦合作用，就得以有一套具有恒定的穩(wěn)定性和荷載保持力、能模擬出實(shí)際的工程情況并可以與其他組件和整個(gè)系統(tǒng)完美兼容的加載裝置為前提。

三、改善混凝土抗凍性的方法

1.保證混凝土的施工質(zhì)量

這是提高混凝土抗凍性最直接、有效的辦法。對混凝土的施工質(zhì)量，我們必須做到嚴(yán)要求高標(biāo)準(zhǔn)，做到攪拌透徹、澆筑均勻、振搗密實(shí)，絕不允許出現(xiàn)蜂窩、麻面以及完工后注意加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)。

2.努力減小水灰比，提高混凝土密實(shí)度

水灰比的大小是影響混凝土密實(shí)度的主要因素，提高混凝土的抗凍性，必須從降低水灰比入手。生產(chǎn)實(shí)踐證明摻入水泥重量的0.5%～1.5%時(shí)，可以減少用水15%～25%，使混凝土的抗凍性提高10%左右。

3.摻用引氣劑和引氣型減水劑

引氣劑能改善混凝土坍落度、流動(dòng)性和可塑性;提高混凝土的抗折強(qiáng)度，當(dāng)含氣量為3%～5%時(shí)，抗折強(qiáng)度提高10%～20%;大大提高混凝土抗凍性、抗鹽漬性、抗?jié)B性、耐硫酸鹽侵蝕及抗堿集料反應(yīng)性能。摻入減水劑能顯著改善混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，使混凝土的透水性降低40%～80%，從而可提高抗?jié)B、抗凍、抗化學(xué)腐蝕及抗銹蝕等能力，改善混凝土的耐久性。常用的減水劑有木質(zhì)素、糖蜜、MF復(fù)合劑、JG3等。

4.使用聚合物浸漬混凝土

聚合物摻加量一般為水泥重量的 5～20%。使用的聚合物一般為合成橡膠乳液，如氯丁膠乳（CR）、丁苯膠乳（SBR）、丁腈膠乳（NBR）;或熱塑性樹脂乳液，如聚丙烯酸酯類乳液 （PAE）、聚乙酸乙烯乳液（PVAC）等由于聚合物的引入，聚合物水泥混凝土改進(jìn)了普通混凝土的抗拉強(qiáng)度、耐磨、耐蝕、抗?jié)B、抗沖擊等性能，并改善混凝土的和易性。

5.摻入防凍劑或早強(qiáng)劑

防凍劑可以大幅度降低拌合水的冰點(diǎn)，防止在塑性狀態(tài)和早期混凝土內(nèi)部水分結(jié)冰膨脹，凍傷混凝土且對混凝土強(qiáng)度性能沒有明顯危害。防凍劑常用于負(fù)溫條件下施工的混凝土。目前國產(chǎn)防凍劑品種適用于0～–15℃的氣溫，當(dāng)在更低的氣溫下施工時(shí)，應(yīng)增加其他混凝土冬期施工的措施，如蓄熱法、暖棚法以及原料預(yù)熱法。早強(qiáng)劑可促進(jìn)水泥的水化和硬化進(jìn)程，縮短混凝土的凝結(jié)時(shí)間，提高早期強(qiáng)度特別適用于冬期施工。目前廣泛使用的混凝土早強(qiáng)劑有三種，即氯化物（如CaCl2、NaCl等），硫酸鹽系（如Na2SO4、K2SO4等）和三乙醇胺系N（C2H4OH），但使用最多的是以它們?yōu)榛牡膹?fù)合早強(qiáng)劑。近幾年來工程中使用的無氯鹽早強(qiáng)減水劑和防凍劑，對鋼筋無銹蝕作用，在–10℃左右氣溫條件下使用，使混凝土具有較強(qiáng)的抗凍害能力，從而保證冬季施工。

結(jié)語

預(yù)應(yīng)力混凝土凍融環(huán)境下耐久研究目前處于起步階段，還沒有形成完整的體系。其中無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的抗凍性有別于一般的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的抗凍性，不能再按以往抗凍性研究中的單一指標(biāo)評價(jià)結(jié)構(gòu)的耐久性，必須建立適合于無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土的雙指標(biāo)評價(jià)體系，制定出以概率理論為基礎(chǔ)的可靠度意義上的耐久性設(shè)計(jì)及評估方法將是長期努力的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1]曹大富，秦曉川，袁沈峰.? 凍融后預(yù)應(yīng)力混凝土梁受力全過程試驗(yàn)研究[J]. 土木工程學(xué)報(bào). 2013（08）

[2]曹大富，富立志，楊忠偉，秦曉川.? 凍融循環(huán)作用下混凝土受壓本構(gòu)特征研究[J]. 建筑材料學(xué)報(bào). 2013（01）

[3]曹大富，周敏，葛文杰，袁沈峰.? 凍融循環(huán)作用后鋼筋混凝土梁受剪性能研究[J]. 工業(yè)建筑. 2015（02）