混凝土抗凍理論及應用

1引言

　　混凝土受凍害損傷可以區分為兩種情況：（1）剝落脫皮是由于凍融引起的混凝土表面材料的損傷；（2）內部損傷是表面沒有可見效應而在混凝土內部產生的損害，它導致混凝土性質改變（如動彈性模量降低）。至于新拌混凝土受凍害損傷后則會導致混凝土凍脹破壞。黃延高速公路第六合同段位于陜北地區，常年負溫為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

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

　　2．2成熟混凝土受凍害損傷有關原因

　　混凝土構件中的孔徑分為三個范疇，即凝膠孔、毛細孔及氣泡，在某一固定負溫下混凝土構件中水分只有一部分是可凍水，可凍水產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孔中，凝膠水由于表面的強大作用不大可能就地凍結，氣泡水易凍結。混凝土構件中各種孔徑的空隙可認為連續分布，分布在這些空隙中的水在降溫過程中將按順序逐步凍結，不可能同時凍結。凍水一般是溫度的逆函數，溫度愈低，可凍水愈多。

　　連續的毛細管溝網絡體系破壞過程；隨著水化進展凝膠體生成，網絡的聯系被破壞、分成個別孤立的毛細孔（水在其中凍結的容器），而凝膠連同其特征性凝膠孔和少數細小毛孔就構成透水器壁。隨著水化深入，材料質地致密及溫度的下降，將有更多細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。

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

　　水泥漿中包含的一般是鹽類稀溶液，一旦冰凍后變為純冰和濃度更高的溶液；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，于是在毛細孔溶液和凝膠水之間出現濃度差。濃度差使得溶劑向溶液中自發擴散滲透，即溶質向凝膠水中擴散，而凝膠水向毛細孔中濃溶液轉移。其結果毛細孔中水分增加，和冰接觸的溶液稀釋，冰晶逐漸生長，長大。當毛細孔穴充滿冰和溶液時，冰晶進一步生長必將產生膨脹壓力，導致破壞。

　　另一方面在水壓的情況下，水分凍結膨脹，多余水在壓力推動下外流，流向可能消納水分的未凍地點；作為水流的結果壓力消失，析冰情況正好相反：水分不是從冰凍地點外流，而是從未凍地點（凝膠）流向已凍冰地點（毛細孔），方向恰好相反。未凍地點的水移動一定距離后，最后以冰凍結束，作為水流運動的結果產生壓力。

　　以上兩點可以綜合為：第一階段毛細孔中始發的冰凍，向所有方向產生的水壓力，引起內應力；第二階段較大毛細孔中水分首先生成冰晶，可從小孔中吸引未凍結水使自身增長，產生靜應力。

　　骨料作為一個組分，如果冰凍膨脹同樣會成為導致混凝土破裂的應力來源；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域，此時將因超過骨料破裂強度的內部水壓力而破裂，這就是臨界儲存效應。凡屬中等吸水、細孔結構、滲透較低的巖石，這種危險較突出；空隙多、滲透性強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，冰水是無滲應力出現；根據施工經驗應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即：（1）材料的性質（強度、變形、空隙情況）；（2）氣候條件（凍融循環次數、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）。區分這幾方面變數將構成研究這一復雜問題的一個根本方式的轉變，這樣我們就有可能正確預言材料在指定環境中的抗凍能力。

　　3利用抗凍理論在工程上應用

　　根據材料的抗凍性上述的函數，在施工實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部水溶液冰點以及干擾冰晶生長，有效保護未成熟混凝土不受凍脹破壞，在負溫條件下能夠繼續水化。

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

　　配合比設計采取高效減水劑盡量降低水灰比并經過充分水化，就有可能做出實際上不包含可凍水的飽和混凝土構件。不包含毛細水（或數量很少）的混凝土構件，由于凝膠中空間極微細，結晶的始發十分困難，并不發生凍結，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，骨料表現安全，不受冰凍傷害，同時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構的冬季施工中，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，強度達到設計強度后采取棉氈包裹繼續保溫，以此延長混凝土養護周期，保證成熟混凝土充分水化，盡量降低構件毛細水含量，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備保溫。為避免入冬以后進料困難、砂石料在料場或運輸過程中受凍，砂石料應在入冬前組織進場；砂石料應在入冬前進行蓋上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，同時防止出現冰雪、凍塊進入攪拌機內，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；防止部分凍塊進入攪拌機內會很難被粉碎、溶化，嚴重影響混凝土質量；水泥、外加劑應在庫房或暖棚內進行保溫，禁止對其進行直接加溫；冬季溫度過低，應提前做好水源儲備并防止污染。

　　（2）混凝土拌和料的加溫。在對攪拌站進行搭設溫棚保溫、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混凝土拌和物混合溫度和計算控制。

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

　　（4）混凝土的運輸。各種混凝土運輸車、混凝土輸送泵以及管道在使用前必須用熱水清洗加溫；保證運輸過程順暢、運輸速度快速；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凍結、影響暢通。

　　（5）混凝土的澆筑。舊混凝土要沖洗干凈，并進行加溫，包括模板、鋼筋均必須采取有效措施如暖棚進行加溫至10℃以上方可進行混凝土澆筑；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間、及時對混凝土予以保溫。

　　（6）混凝土的溫度監控。建立溫度檢測制度、指定專人負責，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、減水等功能的復合性外加劑，采用5～25mm連續級配碎石粗集料與水泥配合，施工中防凍效果良好，能夠滿足現場冬季施工的要求。