葉義群

隨著混凝土建筑物的增多,混凝土的抗凍性能要求也日益提高,尤其在北方冬季較長,溫度較低的狀況下,建筑物對混凝土的抗凍性能要求非常高。對于一些重要的混凝土結(jié)構(gòu)工程,混凝土的防凍以及冬季施工的要求也尤為重要。

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,它導致混凝土性質(zhì)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?；炷恋膬龊ㄖ镌斐删薮蟮奈：?所以防治混凝土受凍害損傷在冬季施工中具有重大意義[1,2]。

1 混凝土受凍害損傷有關(guān)原因[3]

1.1 新拌水泥混凝土受凍害損傷的原因

新拌混凝土的強度低、空隙率高、含水多,極易發(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,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給,并進行宏觀規(guī)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(zhì)體受到拉應(yīng)力σt,如果超過抗拉強度即破壞。

1.2 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3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(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孔中,凝膠水由于表面的強大作用不大可能就地凍結(jié),氣泡水易凍結(jié)?；炷翗?gòu)件中各種孔徑的空隙可認為連續(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)的毛細管溝網(wǎng)絡(luò)體系破壞過程:隨著水化進展凝膠體生成,網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)系被破壞,分成個別孤立的毛細孔(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反作用力導致受拉破壞。材料組織愈致密水流宣泄不及時,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?yōu)榧儽蜐舛雀叩娜芤?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(xiàn)濃度差。其結(jié)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(chǎn)生膨脹壓力,導致破壞。

另一方面在水壓的情況下,水分凍結(jié)膨脹,多余水在壓力推動下外流,流向可能消納水分的未凍地點;作為水流的結(jié)果壓力消失,析冰情況正好相反。未凍地點的水移動一定距離后,最后以冰凍結(jié)束,作為水流運動的結(jié)果產(chǎn)生壓力。

以上兩點可以綜合為:第一階段毛細孔中始發(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。

骨料作為一個組分,如果冰凍膨脹同樣會成為導致混凝土破裂的應(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;從這個意義上來說,骨料抗凍性更具有突出意義。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,冰水無滲應(yīng)力出現(xiàn);根據(jù)施工經(jīng)驗應(yīng)避免使用高度吸水骨料,小顆粒石?？梢缘玫捷^大抗凍保證[4]。

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汽壓梯度與溫度梯度。

區(qū)分這三方面變函數(shù)將構(gòu)成研究這一問題的一個根本方式的轉(zhuǎn)變,這樣就有可能正確預言材料在指定環(huán)境中的抗凍能力。

2 抗凍理論在工程上的應(yīng)用

1)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(xù)水化。2)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(xiàn),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(chǎn)生的多余體積,有助于保護成熟混凝土免于傷害。3)配合比設(shè)計采取高效減水劑盡量降低水灰比并經(jīng)過充分水化,就有可能做出實際上不包含可凍水的飽和混凝土構(gòu)件。不包含毛細水(或數(shù)量很少)的混凝土構(gòu)件,由于凝膠中空間極微細,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。4)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,同時使用小顆粒石?？梢缘玫捷^大抗凍性保證。5)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,以此延長混凝土養(yǎng)護周期,保證成熟混凝土充分水化,盡量降低構(gòu)件毛細水含量,防止成熟混凝土受凍。

3 凍融破壞的修補措施

混凝土的凍融剝蝕進程一般比較緩慢,初期階段易被忽視,直到顯露出明顯特征才被發(fā)現(xiàn)。凍融剝蝕破壞發(fā)生后,首先要明確在特定工程條件下引發(fā)和控制凍融剝蝕發(fā)生、發(fā)展的主要因素,分清其中的可消除因素,根據(jù)工程維護管理資料確定或估計凍蝕的發(fā)展速度(年剝蝕深度),分析凍蝕現(xiàn)狀(深度和范圍)以及今后可能的發(fā)展或誘發(fā)其他病害對建筑物的安全性、適用性、耐久性和美觀的影響及危害嚴重程度,最后判斷修補處理的必要性及輕重緩急或采取相應(yīng)的防護措施[8,9]。對遭受凍融破壞的混凝土結(jié)構(gòu),目前均按照“鑿舊補新”原則進行修補,亦即將已遭受凍融破壞的混凝土全部鑿除,回填具有高抗凍性能的優(yōu)質(zhì)修補材料,在某些情況下還可采取防水,止住滲漏和排水等補救處理措施。

4 凍融破壞的修補材料

1)高抗凍性混凝土。2)聚合物水泥砂漿。3)預縮水泥砂漿。此外,凍融破壞的修補工藝也是非常重要的影響因素。良好的處理方法能夠大大改善混凝土的抗凍性能,滿足較高的抗凍性要求。

5 結(jié)語

混凝土在長期的凍融下,非常容易遭到破壞,致使構(gòu)件表面產(chǎn)生剝落,從而大大影響了混凝土結(jié)構(gòu)正常的使用功能。本文從混凝土的相變化以及凍融破壞產(chǎn)生的原因出發(fā),分析了影響混凝土抗凍性能的種種因素,以及改善混凝土抗凍性的措施。

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