許玉濱

【摘? 要】隨著預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用，其耐久性問(wèn)題也越來(lái)越被人們所關(guān)注。由于預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)裂縫寬度很小，一般來(lái)說(shuō)其耐久性要高于普通混凝土結(jié)構(gòu)。但大量工程實(shí)踐表明，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)也普遍存在耐久性問(wèn)題，而凍融破壞時(shí)影響預(yù)應(yīng)力混凝土耐久性的重要問(wèn)題。近年來(lái)對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土抗凍融耐久性的研究表明，氯鹽溶液對(duì)凍融破壞有加速作用，應(yīng)力作用對(duì)抗凍融耐久性有可能使有利的，也有可能是不利的。

【關(guān)鍵詞】預(yù)應(yīng)力混凝土;耐久性;凍融破壞;研究

一、抗凍融原理

在混凝土凍融破壞的各種分析原理中，公認(rèn)程度較高的是由美國(guó)學(xué)者提出的膨脹壓和滲透壓的理論，即吸水飽和的混凝土在其凍融的過(guò)程中，遭受的破壞應(yīng)力主要由兩部分組成：一是混凝土毛細(xì)孔中的水在負(fù)溫下由水轉(zhuǎn)變成冰，體積膨脹，但由于受到毛細(xì)孔壁約束，因而在孔周圍的微觀結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生拉應(yīng)力;二是當(dāng)毛細(xì)孔水結(jié)成冰時(shí)，由于表面張力的作用，混凝土毛細(xì)孔隙中水的冰點(diǎn)隨著孔徑的減小而降低。凝膠孔水形成冰核的溫度在-78℃以下，因而，由冰與過(guò)冷水的飽和蒸汽壓差和過(guò)冷水之間的鹽分濃度差引起水分遷移而形成滲透壓。當(dāng)混凝土受凍時(shí)，這兩種壓力會(huì)損壞混凝土的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，當(dāng)經(jīng)過(guò)多次反復(fù)的凍融循環(huán)以后，損壞逐步積累不斷擴(kuò)大，最終發(fā)展成互相連通的裂縫，使混凝土的強(qiáng)度逐步降低，直至完全喪失。因此，飽水狀態(tài)是混凝土發(fā)生凍融破壞的必要條件。

二、復(fù)合作用下的混凝土耐久性探究

1.凍融與氯鹽復(fù)合作用下的混凝土耐久性探究

隨著人類文明的發(fā)展，碼頭和海港等海洋工程的建設(shè)不斷向高寒，海洋地區(qū)擴(kuò)展。在這些區(qū)域建造的工程每天都會(huì)受到潮汐、風(fēng)浪和冰凍等多重自然因素的侵蝕，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命縮短。例如冰鹽環(huán)境下的橋梁和道路工程，結(jié)構(gòu)表面就會(huì)發(fā)生混凝土層的剝落，內(nèi)部還會(huì)出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象。如果要對(duì)這種環(huán)境中的混凝土耐久性的壽命進(jìn)行預(yù)計(jì)，凍融和氯鹽侵蝕的雙重作用是不可忽視的兩個(gè)方面。

由于混凝土的內(nèi)部有很多的孔隙結(jié)構(gòu)，大氣中的水汽就會(huì)通過(guò)這些孔隙滲入其中。在寒冷低溫的情況下，這些水汽就會(huì)結(jié)冰膨脹，破壞混凝土的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)裂縫。這時(shí)，氯離子便會(huì)從裂縫侵入，引起鋼筋銹蝕。在鹽水環(huán)境的作用下，混凝土的內(nèi)滲透壓會(huì)增大，受凍后就更容易產(chǎn)生結(jié)晶壓，這就加劇了混凝土的破壞程度。

氯離子的入侵不僅會(huì)破壞鋼筋表面的鈍化膜，引起鋼筋嚴(yán)重的腐蝕，還會(huì)產(chǎn)生去極作用，周而復(fù)始的進(jìn)行破壞。因此在日常的工程建設(shè)中，人們對(duì)混凝土的性能就提出了更高的要求。有學(xué)者針對(duì)海洋環(huán)境中粉煤灰混凝土、硅灰混凝土的抗凍性與氯離子的耦合進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)粉煤灰和硅灰都不能提高混凝土的抗凍耐久性，但是可以有效增強(qiáng)混凝土的抗氯滲透性。

2.凍融與碳化復(fù)合作用下的混凝土耐久性探究

當(dāng)空氣中的二氧化碳進(jìn)入混凝土內(nèi)部的孔隙后，會(huì)慢慢溶解于孔隙溶液中，并與混凝土中的氫氧化鈣等堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，這就是混凝土的碳化過(guò)程。這是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的多相物理化學(xué)過(guò)程，該過(guò)程會(huì)降低混凝土的酸堿值，導(dǎo)致鋼筋銹蝕。

在凍融的循環(huán)作用下，混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)會(huì)逐漸劣化，抗?jié)B性會(huì)不斷降低，導(dǎo)致混凝土的抗碳性能也隨之下降。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在凍融作用的損傷下，會(huì)出現(xiàn)微裂隙縫，表面會(huì)開(kāi)裂或被剝落，從而為二氧化碳的入侵提供了有利條件。當(dāng)凍融循環(huán)的次數(shù)越來(lái)越多時(shí)，混凝土中的氫氧化鈣含量和碳化的深度也越來(lái)越大。但是對(duì)于處在寒冷地區(qū)的工程結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，凍融和二氧化碳復(fù)合侵蝕的風(fēng)險(xiǎn)就很高。不過(guò)目前的試驗(yàn)數(shù)據(jù)還不能完成此種情況下的混凝土耐久性研究，所以相關(guān)部門(mén)還應(yīng)展開(kāi)大量的研究和探索。

3.凍融與荷載復(fù)合作用下的混凝土耐久性探究

在實(shí)際的工程操作中，幾乎所有的混凝土結(jié)構(gòu)都會(huì)承受各種各樣的荷載作用，荷載在與氣候、環(huán)境等因素的共同作用下加速了對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性破壞。但是由于客觀條件的限制，對(duì)凍融和荷載復(fù)合作用下的混凝土耐久性的相關(guān)研究發(fā)展緩慢。

近幾年來(lái)，針對(duì)凍融和荷載復(fù)合作用的試驗(yàn)多是圍繞“彎曲荷載+凍融循環(huán)”的模式，在壓縮彈簧加載裝置中進(jìn)行的。由于這種裝置在應(yīng)力松弛的情況下會(huì)出現(xiàn)加載不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，中國(guó)建材研究所就對(duì)其進(jìn)行了改造。但是改造后的裝置會(huì)受到凍融試驗(yàn)箱的尺寸限制，仍存在加載系統(tǒng)過(guò)小和施加荷載不能過(guò)大的局限，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)中只能采用砂漿試件或者是非標(biāo)準(zhǔn)的小型試件，這就降低了實(shí)際工程的符合性和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均性。因此，要想精確的實(shí)現(xiàn)凍融與荷載的耦合作用，就得以有一套具有恒定的穩(wěn)定性和荷載保持力、能模擬出實(shí)際的工程情況并可以與其他組件和整個(gè)系統(tǒng)完美兼容的加載裝置為前提。

三、改善混凝土抗凍性的方法

1.保證混凝土的施工質(zhì)量

這是提高混凝土抗凍性最直接、有效的辦法。對(duì)混凝土的施工質(zhì)量，我們必須做到嚴(yán)要求高標(biāo)準(zhǔn)，做到攪拌透徹、澆筑均勻、振搗密實(shí)，絕不允許出現(xiàn)蜂窩、麻面以及完工后注意加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)。

2.努力減小水灰比，提高混凝土密實(shí)度

水灰比的大小是影響混凝土密實(shí)度的主要因素，提高混凝土的抗凍性，必須從降低水灰比入手。生產(chǎn)實(shí)踐證明摻入水泥重量的0.5%～1.5%時(shí)，可以減少用水15%～25%，使混凝土的抗凍性提高10%左右。

3.摻用引氣劑和引氣型減水劑

引氣劑能改善混凝土坍落度、流動(dòng)性和可塑性;提高混凝土的抗折強(qiáng)度，當(dāng)含氣量為3%～5%時(shí)，抗折強(qiáng)度提高10%～20%;大大提高混凝土抗凍性、抗鹽漬性、抗?jié)B性、耐硫酸鹽侵蝕及抗堿集料反應(yīng)性能。摻入減水劑能顯著改善混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，使混凝土的透水性降低40%～80%，從而可提高抗?jié)B、抗凍、抗化學(xué)腐蝕及抗銹蝕等能力，改善混凝土的耐久性。常用的減水劑有木質(zhì)素、糖蜜、MF復(fù)合劑、JG3等。

4.使用聚合物浸漬混凝土

聚合物摻加量一般為水泥重量的 5～20%。使用的聚合物一般為合成橡膠乳液，如氯丁膠乳（CR）、丁苯膠乳（SBR）、丁腈膠乳（NBR）;或熱塑性樹(shù)脂乳液，如聚丙烯酸酯類乳液 （PAE）、聚乙酸乙烯乳液（PVAC）等由于聚合物的引入，聚合物水泥混凝土改進(jìn)了普通混凝土的抗拉強(qiáng)度、耐磨、耐蝕、抗?jié)B、抗沖擊等性能，并改善混凝土的和易性。

5.摻入防凍劑或早強(qiáng)劑

防凍劑可以大幅度降低拌合水的冰點(diǎn)，防止在塑性狀態(tài)和早期混凝土內(nèi)部水分結(jié)冰膨脹，凍傷混凝土且對(duì)混凝土強(qiáng)度性能沒(méi)有明顯危害。防凍劑常用于負(fù)溫條件下施工的混凝土。目前國(guó)產(chǎn)防凍劑品種適用于0～–15℃的氣溫，當(dāng)在更低的氣溫下施工時(shí)，應(yīng)增加其他混凝土冬期施工的措施，如蓄熱法、暖棚法以及原料預(yù)熱法。早強(qiáng)劑可促進(jìn)水泥的水化和硬化進(jìn)程，縮短混凝土的凝結(jié)時(shí)間，提高早期強(qiáng)度特別適用于冬期施工。目前廣泛使用的混凝土早強(qiáng)劑有三種，即氯化物（如CaCl2、NaCl等），硫酸鹽系（如Na2SO4、K2SO4等）和三乙醇胺系N（C2H4OH），但使用最多的是以它們?yōu)榛牡膹?fù)合早強(qiáng)劑。近幾年來(lái)工程中使用的無(wú)氯鹽早強(qiáng)減水劑和防凍劑，對(duì)鋼筋無(wú)銹蝕作用，在–10℃左右氣溫條件下使用，使混凝土具有較強(qiáng)的抗凍害能力，從而保證冬季施工。

結(jié)語(yǔ)

預(yù)應(yīng)力混凝土凍融環(huán)境下耐久研究目前處于起步階段，還沒(méi)有形成完整的體系。其中無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的抗凍性有別于一般的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的抗凍性，不能再按以往抗凍性研究中的單一指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的耐久性，必須建立適合于無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土的雙指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，制定出以概率理論為基礎(chǔ)的可靠度意義上的耐久性設(shè)計(jì)及評(píng)估方法將是長(zhǎng)期努力的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1]曹大富，秦曉川，袁沈峰.? 凍融后預(yù)應(yīng)力混凝土梁受力全過(guò)程試驗(yàn)研究[J]. 土木工程學(xué)報(bào). 2013（08）

[2]曹大富，富立志，楊忠偉，秦曉川.? 凍融循環(huán)作用下混凝土受壓本構(gòu)特征研究[J]. 建筑材料學(xué)報(bào). 2013（01）

[3]曹大富，周敏，葛文杰，袁沈峰.? 凍融循環(huán)作用后鋼筋混凝土梁受剪性能研究[J]. 工業(yè)建筑. 2015（02）