混凝土冻害的影响因素分析

鲁国夫

摘 要：混凝土的冻害是影响混凝土耐久性的重要因素之一，冻害对建筑物的正常使用产生了较大影响，甚至危及安全问题，本文讨论了混凝土冻害的影响因素。

关键词：混凝土； 冻害； 影响因素

混凝土的冻害是影响混凝土耐久性的重要因素之一，大量调查研究发现，尽管在北方地区冻融破坏是主要的病害之一，但是在我国南方地区也时有发生，房屋建筑、桥涵、路面和港口等工程常常会因冻融破坏影响工程的正常使用。

1.抗冻害性的影响因素

1.1气泡间隔系数

混凝土搅拌时，引入空气，硬化后成为气泡残留在混凝土中。对抗冻害性影响最大的不是含气量的绝对值，而是气泡间隔系数。含气量相同时，气泡越细小，气泡间隔系数越小，抗冻害越有利。为了获得良好的抗冻性，气泡间隔系数应在200～250 m之间。

1.2水灰比与养护条件和抗冻性关系

水灰比是决定混凝土组织致密性，也即是决定孔结构特性的基本因素，水分的冻结与混凝土细孔孔径有相关性，水灰比低、养护条件好，混凝土越致密，抗冻性越好。而且，细孔孔径在某一极限值以下时，其内部水分是不冻结的。相当低水灰比的高强混凝土，在一般的冻结温度范围内，其中的水分是不受冻的。即使不掺入引气剂也得到优异的冻融效果。

1.3抗冻性与骨料的作用

混凝土的水灰比相同，养护条件相同，使用的骨料不同，抗冻性不同。骨料对抗冻性的作用，主要是吸水率的影响。有的人提出低晶位骨料的要求主要是规定其吸水率和安定性。也有人提出从骨料的细孔构造来判断其抗冻性等。在混凝土冻结融解的过程中，受到很大的温度变动的作用；从冻害的机理出发考虑骨料的作用时，骨料与硬化水泥浆的热膨胀特性不同，骨料表面的粘结性能是很重要的。甚至，骨料，特别是细骨料，引入混凝土中气泡的特性给予抗冻性能以很大的影响。

2.关于抗冻性试验

混凝土受冻害的影响，不仅与冻融循环次数有关，而且与冻结时的最低温度、及水接触的条件等有关。

国内外的冻融循环试验方法，都是以将材料的抗冻融破坏性能相互比较为目的，不能预测实际使用的混凝土的耐久性。

快速冻融试验 使用这种方法的有ASTMC666及JISA6204。在一定的温度条件下进行反复冻融试验。ASTMC666有A法（水中冻结融解法）、B法（空气中冻结、水中融解法）。A法与B法冻结最低温度为-18℃，融解温度为+5℃；经过一定冻融循环之后，测定质量损失与动弹性系数降低，按下式计算耐久性指数

2.含不同矿物质粉体的抗冻性

2.1硅粉混凝土的抗冻性

当前，关于硅粉混凝土的抗冻融性能是一个有争论的问题，而且缺乏长期试验数据。几年以前，有人推测硅粉混凝土可以不需要引气剂来提高其抗冻性，因为硅粉填充水泥空隙，使胶凝材料密实，水泥石一骨料界面改善。但也有很多人，认为需要引气剂，硅粉混凝土按照ASTMC666—A进行冻融循环试验时，发现含硅粉混凝土所需的气泡间隔系数，比普通混凝土要求的250（相当于500 m）低得多。这种临界气泡间隔系数的变化，与硅粉混凝土的密实度和低的渗透性有关。这样，硅粉混凝土在冻融循环时，水分迁移到临近的孔隙中去比较难。Carette等人断言混凝土中有一个临界硅粉含量，他们认为是10%。

Cheng-Yi和Feldman讨沦过含硅粉砂浆的抗冻性与孔结构之间的关系。发现含硅粉砂浆在20000～2000nm和2000～350nm的孔体积比基准砂浆大得多，，而且认为Ca（OH）2首先沉积在骨料周围的界面上。硅粉与Ca（OH）2反应，影响到砂浆的孔结构，而且进一步引起在砂粒界面周围2000～350nm的孔。经过计算，孔的间隔低于0.1nm，满足ASTMC457-71对抗冻性的要求。在这些孔径范围内，部分体积的孔是墨水瓶型的，水分是相对进不去的。这些特性，使试件在冻融循环时饱和度相对降低。也就是说，这些孔能起贮水池作用，在冰冻过程中，接纳由小孔迁移过来的水分。当硅粉含量大时（30%），硅粉比完全反应所需的量还多，这就需要比较高的有效水灰比。特別是，在这样的系统中，水化作用是不完全的，在水胶比0.45时，有相当数量的可蒸发水仍然留在孔缝中，在冻融过程中，由于水泥石低的渗透性，这些水受冻，导致破坏。

2.2超细矿渣混凝土的抗冻性

许多研究者的研究证明，含气量混凝土，按ASTMC666-84（A）进行抗冻性试验，硅酸盐水泥与掺入矿渣细粉水泥的混凝土是相同的。

Hogan和Meusel对含5%矿渣的水泥混凝土（掺入一定引气剂）进行抗冻性试验。按ASTMC666进行，试件抗冻试验前先在潮湿养护室中养护14d，试验结果如表1所示。

由表1可以明显地观察到耐久性系数有很大差别。然而，含与不含矿渣的两种混凝土，都认为是抗冻的。

Malhotra以25%～65%的矿渣置换相应的硅酸盐水泥，配制含矿渣与不含矿渣的混凝土，按ASTMC666（B）进行抗冻试验，经100次冻融循环后测定一次，试验经过了700次循环。测定了重量、长度、纵向共振频率和脉冲速率。按ASTMC666（B）计算耐久性系数。

实验数据表明：混凝土中含一定引气剂可大大改善抗冻性。当混凝土强度与含气量保持一个常数时，掺入矿渣可稍微改善抗冻性。采用超细矿渣混凝土可以获得抗冻性很好的混凝土、但是如果以部分矿渣代替水泥，如果不掺引气剂，抗冻融性能是不能改善的。保持混凝土中含气量为一个常数，并与基准混凝土具有相同的强度，矿渣水泥混凝土的抗冻性甚至比基准混凝土还好。

2.3粉煤灰混凝土的抗冻性

粉煤灰掺入混凝土中，为了提高抗冻性也要有一定的含气量。WhitinR试验了含粉煤灰、不同含气量、不同养护条件的高强混凝土的抗冻性。试验中也使用了去冰盐。试验结果归纳如下：

①非含气混凝土 空气中养护的试件比潮湿条件下养护的试件具有更高的耐久性。在空气中养护，混凝土的饱和程度是降低的。水化作用过程和渗透性的降低，使得融化过程水份难以填充孔隙，降低了冰在混凝土中的形成。空气中养护的高强混凝土（抗压强度69MPa），经300次冻融循环以后，初始弹性模量降低到70%（按ASTMC666-84）。而湿养护试件经200次冻融后破坏，使用去冰盐时，全部非含气混凝土试件，经≤50次冻融循环时，出现严重的剥落。去冰盐溶液CaCl2含量4%，试验方法按ASTMC672。

②含气混凝土 全部含气的混凝土试件的性能，均远远超过非含气混凝土。经过300次冻融后，动弹模是原始数值的99%或者还稍高一些，重量损失甚少。空气中养护的试件重量损失也很低。

使用去冰盐时有以下结果：

抗压强度41MPa含气量3.5%的混凝土试件，抗冻融效果很好，经过300次冻融循环，仅少量剥落。而抗压强度69MPa的混凝土，即使含气量更高一些，其抗冻融性能电比41MPa的混凝土要差些。冻融后剥落程度随着强度增加而增加。

Malhotra等人使用F级（低钙灰）粉煤灰配制混凝土，按ASTMC672方法，进行抗盐冻融试验。在该方法中，以CaCl2溶液代替去冰盐。混凝土中水泥用量150kg/m3，水胶比0.32，粉煤灰用量为胶凝材料总量的56%，气泡间隔系数0.253mm。比通常0.2mm的气泡间隔系数稍高。按照ASTM观察得到的剥落程度，试验的试件属于5级。说明有严重的剥落，粗骨料已外露。说明高体积含量的粉煤灰混凝土抗盐冻融试验差。

混凝土是大部分建筑物的主要材料之一，在寒冷地区，混凝土的冻害对建筑物的正常使用产生了较大影响，甚至危及安全问题，因此人们对混凝土的冻害问题越来越重视。

参考文献

[1]阮承祥.《混凝土外加剂及工作原理》[M].江西科学技术出版社，2008

[2]陈建奎.《混凝土外加剂原理与应用》中国计划出版社， 2004