黃福鎖　李艷華

由于混凝土組成的材料具有一定的吸水性,又長期處在水環(huán)境中,因而材料內部總是含有一定的水分,并在負溫條件下凍結成冰,體積就會發(fā)生膨脹?當這種膨脹作用引起的應力超過混凝土強度時,就會發(fā)生裂縫并增加吸水性,如此隨著凍融的多次循環(huán),,最終導致混凝土的破壞?混凝土凍融破壞在我國北方地區(qū)非常普遍,包括大?中?小型水工混凝土工程都存在不同程度的混凝土的凍融剝蝕破壞?

1 混凝土凍融破壞的機理

混凝土是由水泥砂漿及粗骨料組成的毛細孔多孔體?在拌制混凝土時為了得到必要的和易性,加入的拌合水總要多于水泥的水化水?這部分多余的水便以游離水的形式滯留于混凝土中形成連通的毛細孔,并占有一定的體積?這種毛細孔中的自由水就是導致混凝土遭受凍害的主要內在因素?因為水遇冷結冰會發(fā)生體積膨脹,引起混凝土內部結構的破壞?混凝土處于保水狀態(tài)時,當毛細孔中的水結冰,膠凝孔中的水就處于過冷狀態(tài)?因為混凝土孔隙中形成冰核的溫度在-78℃以下?膠凝孔中處于過冷狀態(tài)的水分因為其蒸汽壓高于同溫度下冰的蒸汽壓而向毛細孔中冰的界面處滲透?于是在毛細孔中又產生一種滲透壓力?此外,膠凝水向毛細孔滲透壓力兩種壓力?當這兩種壓力超過混凝土的抗拉強度時,混凝土就會開裂?經過反復凍融循環(huán),混凝土中的損傷會不斷擴大,逐步積累?經過一定的凍融循環(huán)后,混凝土中的裂縫會相互貫通,其強度也逐漸降低,最后甚至完全喪失,使混凝土結構由表及里遭受破壞?

2 影響混凝土抗凍性的主要因素

混凝土的抗凍性與內部孔結構?水飽和程度?受凍齡期?混凝土的強度等因素有關?而混凝土的孔結構及強度又主要取決于其水灰比?有無外加劑及養(yǎng)護方法等,如:

2.1 水灰比

水灰比直接影響混凝土的孔隙率及孔結構?隨著水灰比的增大,不僅可飽水的開孔總體積增加,而且平均孔徑也增大,因而混凝土的抗凍性必然降低?國內外有關規(guī)范均規(guī)定了用于不同環(huán)境條件下的混凝土最大水灰比及最小水泥用量?

2.2 含氣量

含氣量也是影響混凝土抗凍性的主要因素,特別是加入引氣劑形成的微細氣孔對提高混凝土抗凍性尤為重要?這些互不連通的微細氣孔在混凝土受凍初期能使毛細孔中的靜水壓力減少,起到減壓作用?在混凝土受凍結冰過程中這些孔隙可阻止或抑制水泥漿中微小冰體的生成?每一種混凝土拌合物都有一個可防止其受凍的最小含氣量?

2.3 混凝土的飽水狀態(tài)

混凝土的凍害與其孔隙的飽水程度緊密相關?一般認為含水量小于孔隙總體積的91.7%就不會產生凍結膨脹壓力,該數值被稱為極限飽水度?在混凝土完全飽水狀態(tài)下,其凍結膨脹壓力最大?混凝土的飽水狀態(tài)主要與混凝土結構的部位及其所處自然環(huán)境有關?

2.4 混凝土受凍齡期

混凝土的抗凍性隨其齡期的增長而提高?因為齡期越長,水泥水化越充分,混凝土強度越高,抵抗膨脹的能力越大?這一點對早期受凍的混凝土更為重要?

2.5 水泥品種及集料質量

混凝土的抗凍性隨水泥活性增高而提高?普通硅酸鹽水泥混凝土的抗凍性優(yōu)于混合水泥混凝土,更優(yōu)于火山灰水泥混凝土的抗凍性?混凝土集料對抗凍性的影響主要體現(xiàn)在集料吸水量的影響及集料本身抗凍性的影響?

2.6 外加劑及摻合料的影響

減水劑?引氣劑及引氣減水劑等外加劑均能提高混凝土的抗凍性?引氣劑能增加混凝土的含氣量,而減水劑則能降低混凝土的水灰比,從而減少孔隙率,最終都能提高混凝土的抗凍性?

3 提高混凝土抗凍性的措施

3.1 摻用引氣劑和減水劑及引氣型減水劑

摻引氣劑是提高混凝土抗凍性的主要措施?根據我國交通部一航局對天津新港北坡堤的調查可知,不加引氣劑的混凝土使用15年即出現(xiàn)表面剝落等凍害現(xiàn)象,而加引氣劑的混凝土則無凍害?日本研究成功一種非引氣型表面活性劑,摻量為水泥重量的2%~4%時,這種表面活性劑可使混凝土的耐久性指數提高50%~90%?這種外加劑是烴基及醇基胺類化合物,其引氣量雖少,但氣泡很細且均勻分散,因此對提高混凝土抗凍性非常有利?

3.2 嚴格控制水灰比,提高混凝土密實性

水灰比是影響混凝土密實性的主要因素,為了提高混凝土的抗凍性也必須從降低水灰比人手?當前較為有效的方法是摻減水劑特別是高效減水劑?許多研究成果及生產實踐證明摻入水泥重量的0.5%~1.5%的高效減水劑可以減少用水量15%~25%,使混凝土強度提高20%~50%,抗凍性也能相應的提高?

3.3 加強早期養(yǎng)護或摻入防凍劑防止混凝土早期受凍

常用的熱養(yǎng)護方法有電熱法?蒸汽養(yǎng)護法及熱拌混凝土蓄熱養(yǎng)護法?目前我國常使用的還是蒸汽養(yǎng)護法,但耗汽量很大?早強劑?防凍劑目前仍以氯鹽?亞硝酸鹽為主?三乙醇胺復合早強劑使用也較普遍?近幾年我國開始研制和應用無氯鹽早強減水劑和防凍劑?中國建筑科學研究院混凝土研究所研制成功的SJ型早強減水劑和防凍劑均不含氯鹽和鉻鹽,對鋼筋無銹蝕作用,在負溫條件下使混凝土具有較強的抗凍害能力,從而能保證冬季正常施工?