简述关于混凝土及预应力混凝土冻融机理及耐久性评估研究

许玉滨

【摘  要】随着预应力混凝土结构的广泛应用，其耐久性问题也越来越被人们所关注。由于预应力结构裂缝宽度很小，一般来说其耐久性要高于普通混凝土结构。但大量工程实践表明，预应力混凝土结构也普遍存在耐久性问题，而冻融破坏时影响预应力混凝土耐久性的重要问题。近年来对预应力混凝土抗冻融耐久性的研究表明，氯盐溶液对冻融破坏有加速作用，应力作用对抗冻融耐久性有可能使有利的，也有可能是不利的。

【关键词】预应力混凝土;耐久性;冻融破坏;研究

一、抗冻融原理

在混凝土冻融破坏的各种分析原理中，公认程度较高的是由美国学者提出的膨胀压和渗透压的理论，即吸水饱和的混凝土在其冻融的过程中，遭受的破坏应力主要由两部分组成：一是混凝土毛细孔中的水在负温下由水转变成冰，体积膨胀，但由于受到毛细孔壁约束，因而在孔周围的微观结构中产生拉应力;二是当毛细孔水结成冰时，由于表面张力的作用，混凝土毛细孔隙中水的冰点随着孔径的减小而降低。凝胶孔水形成冰核的温度在-78℃以下，因而，由冰与过冷水的饱和蒸汽压差和过冷水之间的盐分浓度差引起水分迁移而形成渗透压。当混凝土受冻时，这两种压力会损坏混凝土的内部微观结构，当经过多次反复的冻融循环以后，损坏逐步积累不断扩大，最终发展成互相连通的裂缝，使混凝土的强度逐步降低，直至完全丧失。因此，饱水状态是混凝土发生冻融破坏的必要条件。

二、复合作用下的混凝土耐久性探究

1.冻融与氯盐复合作用下的混凝土耐久性探究

随着人类文明的发展，码头和海港等海洋工程的建设不断向高寒，海洋地区扩展。在这些区域建造的工程每天都会受到潮汐、风浪和冰冻等多重自然因素的侵蚀，导致混凝土结构的使用寿命缩短。例如冰盐环境下的桥梁和道路工程，结构表面就会发生混凝土层的剥落，内部还会出现锈蚀现象。如果要对这种环境中的混凝土耐久性的寿命进行预计，冻融和氯盐侵蚀的双重作用是不可忽视的两个方面。

由于混凝土的内部有很多的孔隙结构，大气中的水汽就会通过这些孔隙渗入其中。在寒冷低温的情况下，这些水汽就会结冰膨胀，破坏混凝土的内部微观结构，出现裂缝。这时，氯离子便会从裂缝侵入，引起钢筋锈蚀。在盐水环境的作用下，混凝土的内渗透压会增大，受冻后就更容易产生结晶压，这就加剧了混凝土的破坏程度。

氯离子的入侵不仅会破坏钢筋表面的钝化膜，引起钢筋严重的腐蚀，还会产生去极作用，周而复始的进行破坏。因此在日常的工程建设中，人们对混凝土的性能就提出了更高的要求。有学者针对海洋环境中粉煤灰混凝土、硅灰混凝土的抗冻性与氯离子的耦合进行研究，发现粉煤灰和硅灰都不能提高混凝土的抗冻耐久性，但是可以有效增强混凝土的抗氯渗透性。

2.冻融与碳化复合作用下的混凝土耐久性探究

当空气中的二氧化碳进入混凝土内部的孔隙后，会慢慢溶解于孔隙溶液中，并与混凝土中的氢氧化钙等碱性物质发生反应，这就是混凝土的碳化过程。这是一个相当复杂的多相物理化学过程，该过程会降低混凝土的酸碱值，导致钢筋锈蚀。

在冻融的循环作用下，混凝土的孔隙结构会逐渐劣化，抗渗性会不断降低，导致混凝土的抗碳性能也随之下降。实验结果表明，混凝土的内部结构在冻融作用的损伤下，会出现微裂隙缝，表面会开裂或被剥落，从而为二氧化碳的入侵提供了有利条件。当冻融循环的次数越来越多时，混凝土中的氢氧化钙含量和碳化的深度也越来越大。但是对于处在寒冷地区的工程结构来说，冻融和二氧化碳复合侵蚀的风险就很高。不过目前的试验数据还不能完成此种情况下的混凝土耐久性研究，所以相关部门还应展开大量的研究和探索。

3.冻融与荷载复合作用下的混凝土耐久性探究

在实际的工程操作中，几乎所有的混凝土结构都会承受各种各样的荷载作用，荷载在与气候、环境等因素的共同作用下加速了对混凝土结构的耐久性破坏。但是由于客观条件的限制，对冻融和荷载复合作用下的混凝土耐久性的相关研究发展缓慢。

近几年来，针对冻融和荷载复合作用的试验多是围绕“弯曲荷载+冻融循环”的模式，在压缩弹簧加载装置中进行的。由于这种装置在应力松弛的情况下会出现加载不稳定的缺点，中国建材研究所就对其进行了改造。但是改造后的装置会受到冻融试验箱的尺寸限制，仍存在加载系统过小和施加荷载不能过大的局限，导致实验中只能采用砂浆试件或者是非标准的小型试件，这就降低了实际工程的符合性和试验数据的平均性。因此，要想精确的实现冻融与荷载的耦合作用，就得以有一套具有恒定的稳定性和荷载保持力、能模拟出实际的工程情况并可以与其他组件和整个系统完美兼容的加载装置为前提。

三、改善混凝土抗冻性的方法

1.保证混凝土的施工质量

这是提高混凝土抗冻性最直接、有效的办法。对混凝土的施工质量，我们必须做到严要求高标准，做到搅拌透彻、浇筑均匀、振捣密实，绝不允许出现蜂窝、麻面以及完工后注意加强养护。

2.努力减小水灰比，提高混凝土密实度

水灰比的大小是影响混凝土密实度的主要因素，提高混凝土的抗冻性，必须从降低水灰比入手。生产实践证明掺入水泥重量的0.5%～1.5%时，可以减少用水15%～25%，使混凝土的抗冻性提高10%左右。

3.掺用引气剂和引气型减水剂

引气剂能改善混凝土坍落度、流动性和可塑性;提高混凝土的抗折强度，当含气量为3%～5%时，抗折强度提高10%～20%;大大提高混凝土抗冻性、抗盐渍性、抗渗性、耐硫酸盐侵蚀及抗碱集料反应性能。掺入减水剂能显著改善混凝土的孔隙结构，使混凝土的透水性降低40%～80%，从而可提高抗渗、抗冻、抗化学腐蚀及抗锈蚀等能力，改善混凝土的耐久性。常用的减水剂有木质素、糖蜜、MF复合剂、JG3等。

4.使用聚合物浸渍混凝土

聚合物掺加量一般为水泥重量的 5～20%。使用的聚合物一般为合成橡胶乳液，如氯丁胶乳（CR）、丁苯胶乳（SBR）、丁腈胶乳（NBR）;或热塑性树脂乳液，如聚丙烯酸酯类乳液 （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进了普通混凝土的抗拉强度、耐磨、耐蚀、抗渗、抗冲击等性能，并改善混凝土的和易性。

5.掺入防冻剂或早强剂

防冻剂可以大幅度降低拌合水的冰点，防止在塑性状态和早期混凝土内部水分结冰膨胀，冻伤混凝土且对混凝土强度性能没有明显危害。防冻剂常用于负温条件下施工的混凝土。目前国产防冻剂品种适用于0～–15℃的气温，当在更低的气温下施工时，应增加其他混凝土冬期施工的措施，如蓄热法、暖棚法以及原料预热法。早强剂可促进水泥的水化和硬化进程，缩短混凝土的凝结时间，提高早期强度特别适用于冬期施工。目前广泛使用的混凝土早强剂有三种，即氯化物（如CaCl2、NaCl等），硫酸盐系（如Na2SO4、K2SO4等）和三乙醇胺系N（C2H4OH），但使用最多的是以它们为基材的复合早强剂。近几年来工程中使用的无氯盐早强减水剂和防冻剂，对钢筋无锈蚀作用，在–10℃左右气温条件下使用，使混凝土具有较强的抗冻害能力，从而保证冬季施工。

结语

预应力混凝土冻融环境下耐久研究目前处于起步阶段，还没有形成完整的体系。其中无粘结预应力混凝土结构的抗冻性有别于一般的预应力混凝土结构的抗冻性，不能再按以往抗冻性研究中的单一指标评价结构的耐久性，必须建立适合于无粘结预应力混凝土的双指标评价体系，制定出以概率理论为基础的可靠度意义上的耐久性设计及评估方法将是长期努力的目标。

参考文献

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[2]曹大富，富立志，杨忠伟，秦晓川.  冻融循环作用下混凝土受压本构特征研究[J]. 建筑材料学报. 2013（01）

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