水工混凝土冻融破坏的原因及解决措施

黄福锁　李艳华

由于混凝土组成的材料具有一定的吸水性,又长期处在水环境中,因而材料内部总是含有一定的水分,并在负温条件下冻结成冰,体积就会发生膨胀｡当这种膨胀作用引起的应力超过混凝土强度时,就会发生裂缝并增加吸水性,如此随着冻融的多次循环,,最终导致混凝土的破坏｡混凝土冻融破坏在我国北方地区非常普遍,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冻融剥蚀破坏｡

1 混凝土冻融破坏的机理

混凝土是由水泥砂浆及粗骨料组成的毛细孔多孔体｡在拌制混凝土时为了得到必要的和易性,加入的拌合水总要多于水泥的水化水｡这部分多余的水便以游离水的形式滞留于混凝土中形成连通的毛细孔,并占有一定的体积｡这种毛细孔中的自由水就是导致混凝土遭受冻害的主要内在因素｡因为水遇冷结冰会发生体积膨胀,引起混凝土内部结构的破坏｡混凝土处于保水状态时,当毛细孔中的水结冰,胶凝孔中的水就处于过冷状态｡因为混凝土孔隙中形成冰核的温度在-78℃以下｡胶凝孔中处于过冷状态的水分因为其蒸汽压高于同温度下冰的蒸汽压而向毛细孔中冰的界面处渗透｡于是在毛细孔中又产生一种渗透压力｡此外,胶凝水向毛细孔渗透压力两种压力｡当这两种压力超过混凝土的抗拉强度时,混凝土就会开裂｡经过反复冻融循环,混凝土中的损伤会不断扩大,逐步积累｡经过一定的冻融循环后,混凝土中的裂缝会相互贯通,其强度也逐渐降低,最后甚至完全丧失,使混凝土结构由表及里遭受破坏｡

2 影响混凝土抗冻性的主要因素

混凝土的抗冻性与内部孔结构､水饱和程度､受冻龄期､混凝土的强度等因素有关｡而混凝土的孔结构及强度又主要取决于其水灰比､有无外加剂及养护方法等,如:

2.1 水灰比

水灰比直接影响混凝土的孔隙率及孔结构｡随着水灰比的增大,不仅可饱水的开孔总体积增加,而且平均孔径也增大,因而混凝土的抗冻性必然降低｡国内外有关规范均规定了用于不同环境条件下的混凝土最大水灰比及最小水泥用量｡

2.2 含气量

含气量也是影响混凝土抗冻性的主要因素,特别是加入引气剂形成的微细气孔对提高混凝土抗冻性尤为重要｡这些互不连通的微细气孔在混凝土受冻初期能使毛细孔中的静水压力减少,起到减压作用｡在混凝土受冻结冰过程中这些孔隙可阻止或抑制水泥浆中微小冰体的生成｡每一种混凝土拌合物都有一个可防止其受冻的最小含气量｡

2.3 混凝土的饱水状态

混凝土的冻害与其孔隙的饱水程度紧密相关｡一般认为含水量小于孔隙总体积的91.7%就不会产生冻结膨胀压力,该数值被称为极限饱水度｡在混凝土完全饱水状态下,其冻结膨胀压力最大｡混凝土的饱水状态主要与混凝土结构的部位及其所处自然环境有关｡

2.4 混凝土受冻龄期

混凝土的抗冻性随其龄期的增长而提高｡因为龄期越长,水泥水化越充分,混凝土强度越高,抵抗膨胀的能力越大｡这一点对早期受冻的混凝土更为重要｡

2.5 水泥品种及集料质量

混凝土的抗冻性随水泥活性增高而提高｡普通硅酸盐水泥混凝土的抗冻性优于混合水泥混凝土,更优于火山灰水泥混凝土的抗冻性｡混凝土集料对抗冻性的影响主要体现在集料吸水量的影响及集料本身抗冻性的影响｡

2.6 外加剂及掺合料的影响

减水剂､引气剂及引气减水剂等外加剂均能提高混凝土的抗冻性｡引气剂能增加混凝土的含气量,而减水剂则能降低混凝土的水灰比,从而减少孔隙率,最终都能提高混凝土的抗冻性｡

3 提高混凝土抗冻性的措施

3.1 掺用引气剂和减水剂及引气型减水剂

掺引气剂是提高混凝土抗冻性的主要措施｡根据我国交通部一航局对天津新港北坡堤的调查可知,不加引气剂的混凝土使用15年即出现表面剥落等冻害现象,而加引气剂的混凝土则无冻害｡日本研究成功一种非引气型表面活性剂,掺量为水泥重量的2%~4%时,这种表面活性剂可使混凝土的耐久性指数提高50%~90%｡这种外加剂是烃基及醇基胺类化合物,其引气量虽少,但气泡很细且均匀分散,因此对提高混凝土抗冻性非常有利｡

3.2 严格控制水灰比,提高混凝土密实性

水灰比是影响混凝土密实性的主要因素,为了提高混凝土的抗冻性也必须从降低水灰比人手｡当前较为有效的方法是掺减水剂特别是高效减水剂｡许多研究成果及生产实践证明掺入水泥重量的0.5%~1.5%的高效减水剂可以减少用水量15%~25%,使混凝土强度提高20%~50%,抗冻性也能相应的提高｡

3.3 加强早期养护或掺入防冻剂防止混凝土早期受冻

常用的热养护方法有电热法､蒸汽养护法及热拌混凝土蓄热养护法｡目前我国常使用的还是蒸汽养护法,但耗汽量很大｡早强剂､防冻剂目前仍以氯盐､亚硝酸盐为主｡三乙醇胺复合早强剂使用也较普遍｡近几年我国开始研制和应用无氯盐早强减水剂和防冻剂｡中国建筑科学研究院混凝土研究所研制成功的SJ型早强减水剂和防冻剂均不含氯盐和铬盐,对钢筋无锈蚀作用,在负温条件下使混凝土具有较强的抗冻害能力,从而能保证冬季正常施工｡