抗凍混凝土在凍融環(huán)境下的設(shè)計與方法研究

葛惠魯

（鐵正檢測科技有限公司，山東 濟南 250000）

京新高速項目巴木段位于新疆巴里坤哈薩克自治縣，屬溫帶大陸性寒冷干燥天氣地區(qū)，一般海拔范圍在1 600 m左右，冬季寒冷，夏季清涼，但光照較充裕，故四季并不分明，月平均溫度約為-1 ℃，而極端最低氣溫為-43.6 ℃。在混凝土強度增長過程中，會經(jīng)歷數(shù)次的凍融循環(huán)的破壞，這對混凝土的結(jié)構(gòu)和性能構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。普通的混凝土在這般環(huán)境中，往往無法維持預(yù)期的設(shè)計壽命。為了適應(yīng)混凝土在凍融環(huán)境下的挑戰(zhàn)，需要不斷設(shè)計并采取一系列的措施，以確保混凝土能夠經(jīng)受住環(huán)境的考驗。

1 混凝土的凍融破壞機理和影響抗凍的主要因素

1.1 凍融破壞原理研究

混凝土是一種有很多小孔的建筑材料。為了讓它變得容易攪拌，加入的水總是比混凝土里的水化水要多。這部分多余的水就以游離水的形式留在混凝土里，形成連接的小毛細(xì)孔。這些毛細(xì)孔里的自由水是導(dǎo)致混凝土建筑物凍融破壞的主要原因。因為水遇冷會結(jié)冰，體積會變大，從而對混凝土結(jié)構(gòu)造成破壞。研究發(fā)現(xiàn)，凍融過程中，吸水飽和后的水泥混凝土結(jié)構(gòu)受到的破壞力主要來自兩個方面：①膨脹壓力。當(dāng)氣溫降到零攝氏度以下時，水中便開始形成固體冰，水在形成冰塊時，容積擴大到了9%，由于受到毛細(xì)孔的限制，會產(chǎn)生張應(yīng)力。②滲透的壓力。在混凝土中毛細(xì)孔隙的孔徑越小，其冰點越小。通過這種方式，在粗孔內(nèi)的水冷卻形成冰顆粒之后，在較細(xì)的孔和凝膠孔中的冰粒因為飽和蒸氣壓力差與過冷水之間的鹽濃度的差異，導(dǎo)致了水的移動，由此滲透壓力開始發(fā)揮作用。而且，過冷水不斷滲透，使得毛細(xì)孔里的冰體積持續(xù)增大，導(dǎo)致膨脹壓力增大。在混凝土受凍的過程中，溫度的變化會破壞混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。凍融層對混凝土的影響程度，與很多因素有關(guān)，比如水泥混凝土的抗凍性能、含水量、極端最低氣溫、凍融速率、最大凍深以及每年凍融循環(huán)次數(shù)等。

1.2 影響混凝土抗凍的主要因素

水泥混凝土的抗凍性能與其內(nèi)在孔隙結(jié)構(gòu)、含水率、受凍結(jié)齡期以及抗壓等級因素緊密相連。至于水泥混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)與強度，則取決于水膠比、外加劑的應(yīng)用以及養(yǎng)護方式等要素。

①水膠比。水膠比對水泥混凝土的孔隙大小和結(jié)構(gòu)有更直接的作用。隨水膠比的增加，不僅使過飽和水的開口空隙增加，同時使其的孔徑增加，由此引起水泥的耐凍性能降低。國內(nèi)有關(guān)技術(shù)規(guī)范里面，對各種情況下的最大水膠比和最小水泥用量都給出了規(guī)定。②含氣量。這個混凝土中的氣體含量對混凝土的抗凍性能產(chǎn)生很大影響，特別是加入引氣劑后產(chǎn)生的微小氣孔，這對提升混凝土的抗凍性起著關(guān)鍵作用。在混凝土受凍早期，這些相互不相聯(lián)的微小孔隙可以降低混凝土的靜水壓，從而達(dá)到降低混凝土受凍早期的壓力。這些微孔可以防止或抑制水泥中的微粒冰塊的形成。每種混凝土攪拌物要保證最低含氣量，防止結(jié)冰。③混凝土的水分飽和度。混凝土受凍的程度和水分飽和度有很大關(guān)系。一般認(rèn)為，當(dāng)孔隙中的水分含量小于孔隙容積91.7%時，就不會發(fā)生凝固膨脹現(xiàn)象，這便是所謂的極限飽水度。水泥飽水后，凍融脹壓力最大?；炷恋娘査潭雀渌幍淖匀画h(huán)境和位置有關(guān)。④混凝土的抗凍性能?；炷笼g期越長，抗凍性能越好，混凝土的抗凍性逐漸增強。由于隨著齡期的延長，水泥水化作用的增強，混凝土的抗脹性也隨之增強。這對于早期凍結(jié)的混凝土尤為重要。⑤水泥類型和碎石質(zhì)量。水泥活性越高，混凝土抗凍性能就越好。相比復(fù)合硅酸鹽水泥，普通硅酸鹽水泥混凝土抗凍性能更出色，比火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥混凝土也更強?；炷晾锏乃槭瘜ζ淇箖鲂阅艿挠绊?，主要看碎石的吸水性和抗凍性。⑥外加劑和混合料的作用。改變水泥混凝土結(jié)構(gòu)，加入減水劑、引氣劑和引氣減水劑等添加劑，能提高混凝土的抗凍性能。

減水劑可以降低混凝土的水膠比，進而降低多孔性，增加水泥混凝土的防凍性能。

添加適當(dāng)?shù)囊龤鈩┦歉纳扑嗷炷恋目箖瞿芰Φ囊豁楆P(guān)鍵和可行的方法。引氣劑是一種表層活性劑，它的表層活性能力可以明顯降低水泥混凝土的表層張力，使之在混凝土內(nèi)形成一些微小而穩(wěn)定的致密氣泡?？梢园l(fā)揮潤滑功能，提高水泥混凝土的和易性能，從而降低施工難度；還可以使水泥混凝土中的含氣量增加，使其細(xì)密孔隙結(jié)構(gòu)得以改變，抗凍性得到明顯的改善。國內(nèi)外大量的試驗和施工實踐證明，當(dāng)使用引氣劑，在細(xì)密氣泡的作用下，混凝土的抗凍能力獲得了很大的改善。

2 防凍混凝土配合比設(shè)計過程與試驗驗證

本標(biāo)混凝土設(shè)計等級為C40，防凍級別不小于F300，混凝土拌和物的總含氣量控制在3.0%～6.0%之間。

2.1 原材料選用

（1）水泥：具有較好的保水性、低泌水性和低濕熱的水泥是最好的選擇。由于混凝土的抗凍性，選擇了P.042.5。因為水泥水化會產(chǎn)生熱量，如果熱量過高，混凝土就會因為熱脹冷縮不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)收縮裂縫，這樣就會讓加入混凝土的添加劑效果大打折扣。

（2）粉煤灰：粉煤灰的摻入除代替部分水泥，用作混凝土的膠結(jié)類料外還可以填充微小孔隙，既可以降低水泥的孔隙度，提高密實性，還可以改善混凝土的抗凍性能。

（3）粗集料為5～31.5 mm連續(xù)級配的破碎碎石。首先進行機械反擊破碎，水洗，試驗，然后進行混凝土澆筑。必須說明的是堿集料反應(yīng)是無法回避的，但如果超出了該指標(biāo)，會對混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的影響，說明該集料與水泥、外加劑產(chǎn)生堿集料反應(yīng)。此外，對粗集料的壓碎值做出了規(guī)定，控制在10%以下，進一步保障了凍融混凝土的性能。

（4）細(xì)集料：細(xì)集料選用質(zhì)地堅硬，潔凈，級配良好的河砂，或細(xì)度模數(shù)為2.4～2.8，石粉含量為6%～18%的機制砂。

（5）水：用于混凝土攪拌或養(yǎng)護的水，不得包含對混凝土中的鋼筋造成傷害的物質(zhì)。

（6）減水劑/引氣劑：在抗凍防滲水泥混凝土中添加引氣劑或引氣型減水劑，能夠使水泥混凝土的內(nèi)部產(chǎn)生均勻分布的微小氣泡，從而提高抗凍性能和防滲性能，達(dá)到技術(shù)和施工需要。含氣量為3%～5%。

2.2 配合比設(shè)計

2.2.1 設(shè)計步驟

根據(jù)設(shè)計文件對混凝土的要求，選用合適的原料，制定出既能滿足凍融性能、強度和耐久性，又具有經(jīng)濟合理性的混凝土配比。

（1）在混凝土的配比中，最大水膠比應(yīng)控制在0.45以內(nèi)。若水膠比過大，將導(dǎo)致混凝土中出現(xiàn)大量游離水。水化作用所需的水分僅占水泥的25%～30%，然而為確保施工便捷和提高混凝土的易用性，實際應(yīng)用中水分含量通常增加至50%～70%。然而，這部分多余的游離水會在混凝土中形成孔隙，導(dǎo)致密度降低，進而削弱混凝土的抗凍性和強度。

（2）砂率選擇：合理確定砂率對混凝土拌合物的和易性具有顯著影響。

砂率過大會減少混凝土拌合物的和易性和流動度；砂率太小也會減少混凝土的和易性。

2.2.2 配合比的試配

抗凍混凝土配合比結(jié)束后，須進行試驗，確定理論配比。在試配前，要保證原材料符合配比的要求。在試配時，工序要配合好，物料稱重要精確。步驟見圖1。

圖1 流程圖

2.2.3 理論配合比選定及參數(shù)匯總

（1）按照J(rèn)GJ55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》中測定的結(jié)果作為基準(zhǔn)配合比的確定條件，根據(jù)要求調(diào)整水膠比，添加水膠比0.38和0.34的配合比各一組。

①每立方米材料的用量見表1。

表1 每立方米材料的用量

②混凝土拌合物性能參數(shù)表見表2。

表2 混凝土拌合物性能參數(shù)

③配合比抗壓強度試驗結(jié)果見表3。

表3 配合比抗壓強度試驗結(jié)果

④抗凍耐久性測試結(jié)果見圖2、圖3。

圖2 質(zhì)量損失率

圖3 相對動彈模量

在抗凍混凝土配合比試件經(jīng)過28 d的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護后，緊接著進行了為期300次的凍融循環(huán)試驗。試驗完成后，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，分析了試件的質(zhì)量損失率和相對動彈性模量。結(jié)果顯示，試驗結(jié)果符合設(shè)計規(guī)范要求。

（2）配合比的調(diào)整與確定。根據(jù)試驗結(jié)論，現(xiàn)場理論配合比每立方米的材料用量如表4。

表4 現(xiàn)場理論配合比每立方米的材料用量 單位：kg

（3）混凝土拌和物性能及耐久性指標(biāo)見表5。

表5 混凝土拌和物性能及耐久性指標(biāo)

3 凍融混凝土施工過程控制

施工時，應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范進行控制。

3.1 原材料控制

①水泥進場后試驗室應(yīng)進行取樣檢驗，水泥質(zhì)量檢驗通過后，方可進行混凝土的配制。②粗、細(xì)骨料按每400 m3進行抽檢，符合要求后方可以進行水泥混凝土的配制。③外加劑入庫后，需對各批次產(chǎn)品進行嚴(yán)格檢驗。如遇質(zhì)量異常情況，應(yīng)及時抽取樣品進行檢測，確?；炷镣饧觿┑钠焚|(zhì)，嚴(yán)格杜絕任何可能影響混凝土質(zhì)量的因素。

3.2 混凝土攪拌

①攪拌設(shè)備應(yīng)配備自動計量裝置，并經(jīng)相關(guān)部門進行校準(zhǔn)。每次攪拌時間應(yīng)在3 min以內(nèi)，以確?；炷翑嚢杈鶆?。②攪拌站和澆筑工地要保持聯(lián)絡(luò)，在進場之前要對混凝土進行坍落度測試，如果發(fā)現(xiàn)有任何不正常的情況，立即通知攪拌站，攪拌站立即進行調(diào)整。

3.3 混凝土輸送

混凝土的運輸采用水泥罐車方式，運送過程中要少拉多趟，保證混凝土的和易性能。同時避免因路面狀況差而造成的混凝土運輸延遲。

3.4 混凝土澆筑

①鋼筋和模具澆筑之前應(yīng)進行必要的檢驗。清理底層的雜質(zhì)淤泥，檢查用電的接線情況。做好澆注前的各種準(zhǔn)備工作，保證施工安全。②在混凝土進入模具后，應(yīng)檢測其內(nèi)外溫度。避免混凝土溫度開裂，減少溫度的變化。③在混凝土施工過程中，不可一次性傾倒，分層實施，施工一遍振搗一遍。

3.5 混凝土養(yǎng)護

①當(dāng)混凝土澆灌完成后，及時做好保溫、保濕等養(yǎng)護。②在大風(fēng)區(qū)域，要保證混凝土的水化放熱均勻，得做好防風(fēng)措施。③對于新澆筑的混凝土構(gòu)件，如承臺、墩臺身、涵洞邊墻和基礎(chǔ)等，須及時采取防水措施。④在混凝土澆筑后14 d，強度達(dá)到85%時，可拆除遮蓋，并在混凝土表面噴涂養(yǎng)護劑，以抵抗風(fēng)霜雨雪，確保其后續(xù)水化過程的順利進行。

4 結(jié)語

在綜合試驗的基礎(chǔ)上，對抗凍混凝土的配合比方案進行了總結(jié)。具體而言，混凝土應(yīng)選用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥為原料，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計選擇合適的粗細(xì)骨料，并控制外加劑摻入量不超過1%。同時，混凝土拌和料的入模含氣率應(yīng)保持在3.0%～6.0%的范圍內(nèi)。當(dāng)前，我國高原地區(qū)的建設(shè)與大規(guī)模開發(fā)已初見成效，但抗凍混凝土的應(yīng)用仍有很大的發(fā)展空間有待挖掘。未來，將以提升抗凍性能、節(jié)約材料等為重點目標(biāo)，研制出符合高原應(yīng)用需求的混凝土。