混凝土冻融和碳化的影响因素及研究现状

杨凯

[摘 要]文章重点对混凝土冻融和碳化性能的研究现状及其研究的必要性及国内外关于碳化方面目前的系列研究成果了论述。

[关键词]冻融；钢纤维混凝土；碳化

1 混凝土抗冻融性能机理及研究现状

1.1 混凝土冻融破坏机理的研究

混凝土的冻融破坏机理研究始于20世纪30年代，1945年美国混凝土专家TC.Powers等人从混凝土亚微观层次入手，分析了孔隙水对孔壁的作用，提出了静水压理论和渗透压理

论。TC.Powers等人的研究工作为冻融破坏机理莫定了理论基础。目前提出的混凝土冻融破坏机理有以下几种：水的离析层理论、静水压理论、渗透压理论、充水系数理论、临界饱水值理论和孔结构理论，其中具有代表性的是静水压理论。

1.2 混凝土抗冻性的主要影响因素

混凝土的抗冻性与其内部孔结构、水饱和程度、受冻龄期、混凝土的强度等许多因素有关。而混凝土的孔结构及强度又取决于混凝土的水灰比、有无外加剂和养护方法等。混凝土抗冻性的主要影响因素有：

（1）水灰比：对于非引气混凝土，随着水灰比的增大，抗冻耐久性明显降低。

（2）含气量：含气量也是影响混凝土抗冻性的主要影响因素，加入最佳量的引气剂形成在砂浆中均匀分布的气孔对提高混凝土的抗冻性尤为重要。

（3）混凝土的饱水状态：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。

（4）混凝土的受冻龄期：混凝土的抗冻性随其龄期的增长而提高。

（5）水泥品种：混凝土的抗冻性随水泥活性增高而提高。

（6）骨料质量：混凝土骨料对混凝土抗冻性影响主要体现在骨料吸水率及骨料本身的抗冻性。吸水率大的骨料对抗冻性不利。

1.3 混凝土冻融性能研究的必要性和意义

中华人民共和国成立以来，我国兴建了大量的混凝土工程，随着运行时间的加长，混凝土结构的冻融破坏问题日益突出，这不仅影响正常的生产和工作，甚至危及到工程的安全运行。

1985年水电部关于混凝土耐久性的调查总结报告中指出：水工混凝土的冻融破坏在三北地区（即东北、华北和西北）的工程中占100%。这些大型混凝土工程的运行时间一股在30年左右，有的甚至不到20年，港口码头工程特别是接触海水的工程受冻现象尤为严重。这些工程中，北方港口混凝土受到的冻融破坏较华东地区更严重，破坏的结构主要是防波堤、胸墙、码头和栈桥等。采用普通混凝土的部分结构，经十几年的运行就产生了冻融破坏以致不能发挥作用。地处寒冷地区的混凝土建筑，包括水电站、厂房、桥梁、路面等，接触了雨水、蒸汽或受渗水作用的部分，也都会受到冻融破坏。由此可见，混凝土冻融破坏是引起混凝土结构老化病害的主要原因之一，严重影响混凝土建筑物的长期使用和安全运行。为使这些建筑物继续发挥作用，每年都会消耗巨额的维修费用。根据以往经验，混凝土安全使用期和维护使用期的比例是1：3～10，而维护使用期的费用是建设期的l—3倍。因此，开展对混凝土冻融领域的研究有其现实意义。

2 混凝土碳化影响因素及研究现状

20世纪60年代，国际上一些发达国家就开始重视混凝土结构的耐久性问题，在混凝土碳化方面进行了大量的试验研究及理论分析。首先，在混凝土碳化机理方面已经取得了比较统一完整的认识。其次，对于混凝土碳化影响因素、人工加速碳化以及碳化深度检测方面也有了全面的了解。基于这些研究成果，各国工程界相继都把碳化作为混凝土耐久性的一个主要方面纳入了设计规范，国际混凝土学术界已举办过多次有关混凝土碳化的学术讨论会，国际水泥化学会议也报导了混凝土碳化研究的进展，并且每次都有相当数量关于混凝土碳化的论文发表，并从不同角度提出了碳化深度的计算模型。我国在混凝土碳化方面的研究起步较晚，从20世纪80年代开始研究混凝土碳化与钢筋的锈蚀问题，通过快速碳化试验、长期暴露试验以及实际工程调查，研究混凝土碳化的影响因素与碳化深度预测模型，并且取得了可喜的研究成果。

2.1 混凝土碳化的影响因素

从混凝土碳化的物理化学过程可以知道，影响碳化的最主要因素是混凝土本身的密实性和碱性储备的大小。具体分析，影响混凝土碳化的因素可分为：材料因素、环境因素和施工因素三大类。材料因素包括水灰比、水泥品种和用量、骨料品种与级配、外加剂等，主要通过影响混凝土的碱度来影响混凝土碳化；环境因素包括环境相对湿度、温度、压力以及C02浓度等，主要通过影响碳化反应的发生条件来影响混凝土碳化速度的；施工因素包括混凝土搅拌、振捣和养护等条件的影响，主要通过影响混凝土密实性来影响混凝土碳化。

2.2 碳化深度测定方法

碳化深度的测定有三种方法：X射线法、酚酞试剂测试法和彩虹指示剂法。X射线法要用专门的仪器，不仅能够测到完全碳化的深度，還能测到部分碳化的深度，适用于试验室的精确测测量。酚酞试剂测试法只能测到完全碳化深度，但操作简单，适于现场测量。彩虹指示剂测试方法可以根据反映的颜色判别不同的pH值（pH=5-13），因而也可用来测定完全碳化和未完全碳化的深度。由此可见混凝土碳化的测定方法已比较成熟。

2.3 碳化混凝土力学性能的研究现状

对碳化混凝土力学性研究结果表明，混凝土碳化后抗压强度提高，延性降低，其静力弹性模量的变化正比于强度的变化，具有明显的脆性，对抗震不利。同济大学建筑改造加固研究所的一组试验结果明显地表明了这种影响，给出了典型的碳化混凝土应力一应变关系对比曲线，对这一现象的解释是碳化造成混凝土空隙下降，提高了混凝土的密实度，导致其抗压强度提高。

2.4 碳化混凝土的本构关系

碳化混凝土的本构关系目前研究较少。同济大学范子彦采用室内快速碳化制作了三组不同强度等级的试件，测量其抗压强度，通过碳化区域面积比α来考虑截面碳化部分的面积，并用系数β来反映混凝土强度等级的影响，得出部分截面碳化的混凝土应力一应变关系，但没有反映出碳化混凝土下降段的特性。同济大学李检保进行了类似的试验，测出了应力一应变曲线的下降段，由试验结果得出考虑下降段的完全碳化混凝土的本构关系。

2.5 混凝土碳化对结构耐久性的影响

碳化使混凝土的碱度降低，碳化后，完全碳化区的pH值由13左右降至9以下，钢筋表面的钝化膜可能发生破坏而导致钢筋锈蚀。铁锈的体积一般要增长2～4倍，对结构造成三方面的不利影响：

（1）铁锈的生成造成钢筋截面减小，构件承载能力降低；

（2）铁锈体积膨胀，使混凝土保护层胀裂甚至脱落，严重影响结构的正常使用；

（3）铁锈将破坏钢筋与混凝土的粘结，钢筋与混凝土的协同工作能力降低，甚至造成整个构件失效。

由此可见，混凝土碳化引起的钢筋锈蚀对混凝土结构耐久性影响十分严重。通过研究碳化速度，估计出碳化至钢筋表面所需要的时间，从而确定混凝土结构的耐久性或保护层厚度

参考文献：

1.冀晓东；冻融后混凝土力学性能及钢筋混凝土粘结性能的研究[D]；大连理工大学；2007年

2.牛荻涛；肖前慧；；混凝土冻融损伤特性分析及寿命预测[J]；西安建筑科技大学学报（自然科学版）；2010年03期

3.吴文伟；纤维混凝土的力学性能试验研究及有限元分析[D]；南京理工大学；2012年