混凝土抗凍理論及應(yīng)用

1引言

　　混凝土受凍害損傷可以區(qū)分為兩種情況：（1）剝落脫皮是由于凍融引起的混凝土表面材料的損傷；（2）內(nèi)部損傷是表面沒有可見效應(yīng)而在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的損害，它導(dǎo)致混凝土性質(zhì)改變（如動(dòng)彈性模量降低）。至于新拌混凝土受凍害損傷后則會(huì)導(dǎo)致混凝土凍脹破壞。黃延高速公路第六合同段位于陜北地區(qū)，常年負(fù)溫為130d左右，防治混凝土受凍害損傷在冬季施工中具有重大意義。  

　　2混凝土受凍害損傷有關(guān)原因

　　2．1新拌水泥混凝土的受凍害損傷的原因

　　新拌混凝土的強(qiáng)度低、空隙率高、含水多，極易發(fā)生凍脹破壞。凍脹破壞的外觀特征是材料體內(nèi)出現(xiàn)若干的冰夾層，彼此平行而垂直于熱流方向。其過程為：結(jié)構(gòu)物表面降溫冷卻時(shí)，冷流向材料體內(nèi)延伸，在深處某水平位置開始凍結(jié)，一般從較粗大孔穴中水分開始，冰晶形成后從間隙吸水，發(fā)育增長，且是不可逆轉(zhuǎn)的過程，水分從材料未凍水或從外部水源補(bǔ)給，并進(jìn)行宏觀規(guī)模的移動(dòng)。第一層孔穴中冰凍后，在冰晶生長的過程中，材料質(zhì)體受到拉應(yīng)力σt，如果超過抗拉強(qiáng)度即破壞。

　　2．2成熟混凝土受凍害損傷有關(guān)原因

　　混凝土構(gòu)件中的孔徑分為三個(gè)范疇，即凝膠孔、毛細(xì)孔及氣泡，在某一固定負(fù)溫下混凝土構(gòu)件中水分只有一部分是可凍水，可凍水產(chǎn)生多余體積直接衡量冰凍破壞威力。

　　可凍水（即冰）主要集中在水泥石及骨料顆粒的毛細(xì)孔中，凝膠水由于表面的強(qiáng)大作用不大可能就地凍結(jié)，氣泡水易凍結(jié)。混凝土構(gòu)件中各種孔徑的空隙可認(rèn)為連續(xù)分布，分布在這些空隙中的水在降溫過程中將按順序逐步凍結(jié)，不可能同時(shí)凍結(jié)。凍水一般是溫度的逆函數(shù)，溫度愈低，可凍水愈多。

　　連續(xù)的毛細(xì)管溝網(wǎng)絡(luò)體系破壞過程；隨著水化進(jìn)展凝膠體生成，網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)系被破壞、分成個(gè)別孤立的毛細(xì)孔（水在其中凍結(jié)的容器），而凝膠連同其特征性凝膠孔和少數(shù)細(xì)小毛孔就構(gòu)成透水器壁。隨著水化深入，材料質(zhì)地致密及溫度的下降，將有更多細(xì)小空間的水參與冰凍，作為器壁的凝膠的滲水性也不斷減小。

　　當(dāng)冰凍多余水受水壓力推動(dòng)向附近氣泡（逃逸邊界）排除時(shí)，材料本身將受到推移水分前進(jìn)的后應(yīng)反作用力導(dǎo)致受拉破壞。材料組織愈致密水流宣泄不及，疏導(dǎo)不暢引起的動(dòng)水壓力增大。

　　水泥漿中包含的一般是鹽類稀溶液，一旦冰凍后變?yōu)榧儽�和濃度更高的溶液；隨著溫度下降，濃度不斷提高。另一方面鄰近凝膠中水分始終保持不凍，其溶液濃度保持原有的水平，于是在毛細(xì)孔溶液和凝膠水之間出現(xiàn)濃度差。濃度差使得溶劑向溶液中自發(fā)擴(kuò)散滲透，即溶質(zhì)向凝膠水中擴(kuò)散，而凝膠水向毛細(xì)孔中濃溶液轉(zhuǎn)移。其結(jié)果毛細(xì)孔中水分增加，和冰接觸的溶液稀釋，冰晶逐漸生長，長大。當(dāng)毛細(xì)孔穴充滿冰和溶液時(shí)，冰晶進(jìn)一步生長必將產(chǎn)生膨脹壓力，導(dǎo)致破壞。

　　另一方面在水壓的情況下，水分凍結(jié)膨脹，多余水在壓力推動(dòng)下外流，流向可能消納水分的未凍地點(diǎn)；作為水流的結(jié)果壓力消失，析冰情況正好相反：水分不是從冰凍地點(diǎn)外流，而是從未凍地點(diǎn)（凝膠）流向已凍冰地點(diǎn)（毛細(xì)孔），方向恰好相反。未凍地點(diǎn)的水移動(dòng)一定距離后，最后以冰凍結(jié)束，作為水流運(yùn)動(dòng)的結(jié)果產(chǎn)生壓力。

　　以上兩點(diǎn)可以綜合為：第一階段毛細(xì)孔中始發(fā)的冰凍，向所有方向產(chǎn)生的水壓力，引起內(nèi)應(yīng)力；第二階段較大毛細(xì)孔中水分首先生成冰晶，可從小孔中吸引未凍結(jié)水使自身增長，產(chǎn)生靜應(yīng)力。

　　骨料作為一個(gè)組分，如果冰凍膨脹同樣會(huì)成為導(dǎo)致混凝土破裂的應(yīng)力來源；為了保證混凝土完好，必須要求骨料和水泥凈漿兩者都不破壞。由于引氣混凝土的廣泛使用，水泥凈漿的抗凍性較易保證；從這個(gè)意義上來說，骨料抗凍性更具有突出意義。如顆粒大到一定限度以上，核心存在的距離任何逃逸邊界均在臨界尺寸以上的保水區(qū)域，此時(shí)將因超過骨料破裂強(qiáng)度的內(nèi)部水壓力而破裂，這就是臨界儲(chǔ)存效應(yīng)。凡屬中等吸水、細(xì)孔結(jié)構(gòu)、滲透較低的巖石，這種危險(xiǎn)較突出；空隙多、滲透性強(qiáng)的骨料臨界尺寸也很大。在特殊情況巖石吸水率極低（如重量吸水在0．5%以下的石英巖），可凍水極少，冰水是無滲應(yīng)力出現(xiàn)；根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)應(yīng)避免使用高度吸水骨料，小顆粒石粒可以得到較大抗凍保證。

　　綜上所述，混凝土材料的抗凍性是以下三方面的變函數(shù)即：（1）材料的性質(zhì)（強(qiáng)度、變形、空隙情況）；（2）氣候條件（凍融循環(huán)次數(shù)、最低溫度、降溫速度、降水量、空氣相對濕度等）；（3）材料使用方式（降水量、自由水及跨越材料的蒸氣壓梯度與溫度梯度）。區(qū)分這幾方面變數(shù)將構(gòu)成研究這一復(fù)雜問題的一個(gè)根本方式的轉(zhuǎn)變，這樣我們就有可能正確預(yù)言材料在指定環(huán)境中的抗凍能力。

　　3利用抗凍理論在工程上應(yīng)用

　　根據(jù)材料的抗凍性上述的函數(shù)，在施工實(shí)踐中采取的抗凍施工措施如下： 

　　采取摻用防凍劑以降低新拌水泥混凝土的內(nèi)部水溶液冰點(diǎn)以及干擾冰晶生長，有效保護(hù)未成熟混凝土不受凍脹破壞，在負(fù)溫條件下能夠繼續(xù)水化。

　　采取摻用引氣劑，引氣不僅在表面無冰時(shí)減輕大體積冰誘導(dǎo)冰凍的出現(xiàn)，并且在過程中也減輕了冰擠出的損害，消納更多的毛細(xì)孔中冰凍所產(chǎn)生的多余體積，有助于保護(hù)成熟混凝土免于傷害。

　　配合比設(shè)計(jì)采取高效減水劑盡量降低水灰比并經(jīng)過充分水化，就有可能做出實(shí)際上不包含可凍水的飽和混凝土構(gòu)件。不包含毛細(xì)水（或數(shù)量很少）的混凝土構(gòu)件，由于凝膠中空間極微細(xì)，結(jié)晶的始發(fā)十分困難，并不發(fā)生凍結(jié)，故施工中盡量不使用粉煤灰作為外摻料加入混凝土。

　　選用巖石吸水率較低（如重量吸水在0．5%以下的巖石），可凍水極少，骨料表現(xiàn)安全，不受冰凍傷害，同時(shí)使用小顆粒石粒可以得到較大抗凍性保證。

　　改善混凝土的氣候條件以及使用方式，在地面以上的混凝土結(jié)構(gòu)的冬季施工中，采取棉氈包裹等有效的蓄熱保溫措施，使新拌混凝土在正溫條件下水化，強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后采取棉氈包裹繼續(xù)保溫，以此延長混凝土養(yǎng)護(hù)周期，保證成熟混凝土充分水化，盡量降低構(gòu)件毛細(xì)水含量，防止成熟混凝土的受凍。

　　混凝土的冬季施工要求：

　　（1）混凝土冬季施工的材料儲(chǔ)備保溫。為避免入冬以后進(jìn)料困難、砂石料在料場或運(yùn)輸過程中受凍，砂石料應(yīng)在入冬前組織進(jìn)場；砂石料應(yīng)在入冬前進(jìn)行蓋上10cm以上的草袋以及棉氈或采取其它措施，必須保證砂石料不受凍、溫度在0℃以上，同時(shí)防止出現(xiàn)冰雪、凍塊進(jìn)入攪拌機(jī)內(nèi)，給混凝土溫度帶來損失；防止過大的凍塊堵塞砂石料輸送帶；防止部分凍塊進(jìn)入攪拌機(jī)內(nèi)會(huì)很難被粉碎、溶化，嚴(yán)重影響混凝土質(zhì)量；水泥、外加劑應(yīng)在庫房或暖棚內(nèi)進(jìn)行保溫，禁止對其進(jìn)行直接加溫；冬季溫度過低，應(yīng)提前做好水源儲(chǔ)備并防止污染。

　　（2）混凝土拌和料的加溫。在對攪拌站進(jìn)行搭設(shè)溫棚保溫、砂石料保持正溫的情況下，混凝土拌和料要加溫，拌和水加熱溫度根據(jù)混凝土拌和物混合溫度和計(jì)算控制。

　　（3）混凝土的拌和。混凝土拌和料的投料順序：1）砂石料進(jìn)拌和機(jī)加90%的水進(jìn)行攪拌1min；2）水泥、外加劑進(jìn)拌和機(jī)進(jìn)行攪拌1．5min以上并補(bǔ)充剩余10%的水分；砂石料與水泥、外加劑分開進(jìn)料斗，必須以此防止水泥、外加劑接觸熱水發(fā)生水泥“假凝”現(xiàn)象；拌和時(shí)間適當(dāng)延長，以防止出現(xiàn)：a）混凝土顏色不均勻、外觀質(zhì)量問題；b）防止材料間熱交換時(shí)間過短，混凝土和易性和施工性能差。

　　（4）混凝土的運(yùn)輸。各種混凝土運(yùn)輸車、混凝土輸送泵以及管道在使用前必須用熱水清洗加溫；保證運(yùn)輸過程順暢、運(yùn)輸速度快速；混凝土泵安裝后要加保溫采暖棚，管道用棉氈包裹保溫；管道在使用前后用熱水沖洗干凈，防止混凝土殘料在管道內(nèi)凍結(jié)、影響暢通。

　　（5）混凝土的澆筑。舊混凝土要沖洗干凈，并進(jìn)行加溫，包括模板、鋼筋均必須采取有效措施如暖棚進(jìn)行加溫至10℃以上方可進(jìn)行混凝土澆筑；盡量減少因施工操作引起的混凝土拌和物溫度損失，如減少混凝土暴露時(shí)間、及時(shí)對混凝土予以保溫。

　　（6）混凝土的溫度監(jiān)控。建立溫度檢測制度、指定專人負(fù)責(zé)，建立完整的檢測記錄。在老莊和特大橋冬季施工中外加劑的選用具有防凍、引氣、減水等功能的復(fù)合性外加劑，采用5～25mm連續(xù)級配碎石粗集料與水泥配合，施工中防凍效果良好，能夠滿足現(xiàn)場冬季施工的要求。