浅谈混凝土抗冻理论及控制措施

曹宏亮

0 引言

我国地域辽阔,有相当大的部分处于严寒地带,致使不少水工建筑物发生了冻融破坏现象。根据全国水工建筑物耐久性调查资料[1],在32座大型混凝土坝工程、40余座中小型工程中,22%的大坝和21%的中小型水工建筑物存在冻融破坏问题。尤其在北方严寒地区,兴建的水工混凝土建筑物,很多工程局部或大面积地遭受不同程度的冻融破坏,地处较为温和的地区的混凝土建筑物也发现有冻融现象,混凝土的冻融破坏是我国建筑物老化病害的主要问题之一。因此开展对混凝土冻融的研究具有重要的理论意义,实用价值。

1 混凝土冻融破坏机理

混凝土在低温下冻结时,毛细孔内的水结冰膨胀,对毛细孔壁产生巨大的挤压作用,毛细孔张开,产生塑性变形,孔径变大。混凝土内部凝胶孔的过冷水向外迁移,产生渗透压力,此时混凝土内部承受拉应力。升温时,混凝土内部的冰融化,重新成为液态水,水的体积收缩,毛细孔因塑性变形的作用,比初始的大,外部水分补充进入,混凝土内的水分增多。如此反复冻融,混凝土内部的毛细孔孔径越来越大,混凝土承受的拉应力也越来越大,到达一定程度,超过混凝土的抗拉强度时,产生局部微小裂隙,最后裂隙贯通,导致混凝土破坏。最常见的是混凝土因水泥浆基体受反复冻融循环而逐渐膨胀引起的开裂和剥落。

1.1 冰冻作用对硬化水泥浆体的影响

毛细孔中,混凝土在低温作用下冻结时,毛细孔里的水分结冰,体积增大,需要孔隙扩展结冰水体积的9%,或者把多余的水沿着试件边界排除,或者二者同时发生。这个过程形成水压力,其大小取决于结冰处至“逸出边界”的距离,材料的渗透性和结冰速率。经验表明:饱和水泥浆试件中,除非浆体里每个毛细孔距最近的逸出边界不超过75 μ m～100 μ m,否则就会产生破坏。

如图1所示,液态水结冰体积膨胀9%,如果结冰发生在体积较小的毛细孔中,冰晶能够通过挤压毛细管壁或产生水压使水泥浆体损伤。如果在气孔中结冰时,气孔可提供逸出边界,从而有效减轻水压,冰晶不会对孔壁产生压力。气孔中冰晶要从毛细管吸取水分,因此可减轻水压并导致水泥浆体收缩。

当饱和的水泥浆处于冰冻条件下,尽管大孔中的水会结冰,而凝胶孔里的水分还会以过冷的形式保持液态。这就使毛细孔里的结冰水和胶凝孔的过冷水之间产生热力学不平衡,前者处于低能态,后者处于高能态。冰和过冷水之间的差异,迫使后者移动到低能态的位置后结冰,从胶凝孔向毛细孔供水,使其冰冻体积稳定增大,一直持续到不再有容纳空间为止。

在水泥浆中一般包含碱、氯化物和氢氧化钙等可溶物溶液,溶液的冰点低于纯水。一旦冰冻后变为纯冰和浓度更高的溶液;随着温度下降,浓度不断提高。一方面邻近凝胶中水分始终保持不冻,其溶液浓度保持原有的水平,于是在毛细孔溶液和凝胶水之间出现浓度梯度,因此形成渗透压。渗透压使得溶剂向溶液中自发扩散渗透,当毛细孔穴充满冰和溶液时,冰晶进一步生长必将产生膨胀压力,导致破坏。另一方面在水压的情况下,水分冻结膨胀,多余水在压力推动下外流,流向可能消纳水分的未冻地点;作为水流的结果压力消失,析冰情况正好相反:水分不是从冰冻地点外流,而是从未冻地点(凝胶)流向已冻冰地点(毛细孔),方向恰好相反。未冻地点的水移动一定距离后,最后以冰冻结束作为水流运动的结果产生压力。

以上两点可以综合为:第一阶段毛细孔中始发的冰冻,向所有方向产生水压力,引起内应力;第二阶段较大毛细孔中水分首先生成冰晶,可从小孔中吸引未冻结水使自身增长,产生静应力。

1.2 冰冻对骨料的作用

饱和水泥浆体结冰产生内部压力的机理,同样适用于混凝土中如骨料这类的多孔材料。暴露于冻融循环条件下的骨料颗粒其性能主要取决于空隙大小、数量、连通性(即孔径分布)和渗透性。一般将骨料分为三类:第一类为低渗透性骨料,孔隙中的水结冰时,颗粒会发生弹性形变,但不会引起断裂。第二类为中等渗透性骨料,这种骨料的渗透性比水泥浆体更高。凡属中等吸水、细孔结构、渗透较低的岩石,这种危险较突出。第三类为高渗透性骨料,这种骨料通常存在很多大孔,尽管水分进出高渗透性骨料比较容易,但也会引起耐久性问题。在一定的孔径分布、渗透性、饱和度和结冰速率条件下,大颗粒骨料可能会受到冻害,小颗粒则不会。

综上所述,混凝土材料的抗冻性是以下三方面的变函数即:1)材料的性质(强度、变形、空隙情况);2)气候条件(冻融循环次数、最低温度、降温速度、空气相对湿度等);3)材料使用方式。区分这几方面变函数将构成研究这一复杂问题的一个根本方式的转变,这样我们就有可能正确预言材料在指定环境中的抗冻能力。

2 提高混凝土抗冻性的措施

1)掺用引气剂:长期的工程实践与室内研究资料表明:提高混凝土抗冻耐久性的一个十分重要而有效的措施是在混凝土拌合物中掺入一定量的引气剂。引气剂是具有增水作用的表面活性物质,它可以明显的降低混凝土拌合水的表面张力和表面能,使混凝土内部产生大量的微小稳定的封闭气泡。这些气泡切断了部分毛细管通路能使混凝土结冰时产生的膨胀压力得到缓解,不使混凝土遭到破坏,起到缓冲减压的作用。同时大量的气泡还能起到润滑作用,改善混凝土和易性。因此,掺用引气剂,使混凝土内部具有足够的含气量,改善了混凝土内部的孔结构,大大提高混凝土的抗冻耐久性。2)严格限制水灰比:采取高效减水剂尽量降低水灰比并经过充分水化。水灰比小,混凝土密实度高、强度高、毛细孔数量少,其吸水率低,由于凝胶中空间极微细,结晶的始发困难,可以减小水冻结时产生的破坏力。3)选用优质骨料:骨料的级配对混凝土的含气量有影响,含泥量大的骨料会降低混凝土抗冻性,吸水率大的骨料同样会降低混凝土抗冻性。因此选用含泥量、吸水率较低,级配良好的骨料,对混凝土抗冻是有利的。

3 结语

影响混凝土抗冻性的因素有很多,其中影响最大的3个因素是含气量、水灰比、原材料。而引气作用已被证明是减小混凝土受冻损伤的有效方法。同时,合理的气泡结构是混凝土抗冻耐久性得以真正改善的关键,高度重视气泡体系稳定性的问题就显得更加重要。混凝土中气泡体系形成与稳定性的因素和混凝土中各组成材料、配合比、拌合物特性以及外界条件有着紧密的联系,如环境温度、搅拌、运输和浇灌技术等。针对不同环境条件、不同工程要求的混凝土,必须因地制宜,科学合理的进行适应性试验,才能使得硬化混凝土具有设计要求的耐久性。

[1] [美]库马◦梅塔(P.Kumar Mehta).混凝土微观结构、性能和材料[M].北京:中国电力出版社,2008.

[2] 丁 凯,曹征齐.混凝土工程类[M].郑州:黄河水利出版社,2008.

[3] 曾宇光.浅谈混凝土结构的耐久性[J].山西建筑,2009,35(35):32-33.

[4] 张 誉.混凝土结构耐久性概论[M].上海:上海科学技术出版社,2003.