抗冻混凝土在冻融环境下的设计与方法研究

葛惠鲁

（铁正检测科技有限公司，山东 济南 250000）

京新高速项目巴木段位于新疆巴里坤哈萨克自治县，属温带大陆性寒冷干燥天气地区，一般海拔范围在1 600 m左右，冬季寒冷，夏季清凉，但光照较充裕，故四季并不分明，月平均温度约为-1 ℃，而极端最低气温为-43.6 ℃。在混凝土强度增长过程中，会经历数次的冻融循环的破坏，这对混凝土的结构和性能构成了严重的威胁。普通的混凝土在这般环境中，往往无法维持预期的设计寿命。为了适应混凝土在冻融环境下的挑战，需要不断设计并采取一系列的措施，以确保混凝土能够经受住环境的考验。

1 混凝土的冻融破坏机理和影响抗冻的主要因素

1.1 冻融破坏原理研究

混凝土是一种有很多小孔的建筑材料。为了让它变得容易搅拌，加入的水总是比混凝土里的水化水要多。这部分多余的水就以游离水的形式留在混凝土里，形成连接的小毛细孔。这些毛细孔里的自由水是导致混凝土建筑物冻融破坏的主要原因。因为水遇冷会结冰，体积会变大，从而对混凝土结构造成破坏。研究发现，冻融过程中，吸水饱和后的水泥混凝土结构受到的破坏力主要来自两个方面：①膨胀压力。当气温降到零摄氏度以下时，水中便开始形成固体冰，水在形成冰块时，容积扩大到了9%，由于受到毛细孔的限制，会产生张应力。②渗透的压力。在混凝土中毛细孔隙的孔径越小，其冰点越小。通过这种方式，在粗孔内的水冷却形成冰颗粒之后，在较细的孔和凝胶孔中的冰粒因为饱和蒸气压力差与过冷水之间的盐浓度的差异，导致了水的移动，由此渗透压力开始发挥作用。而且，过冷水不断渗透，使得毛细孔里的冰体积持续增大，导致膨胀压力增大。在混凝土受冻的过程中，温度的变化会破坏混凝土的内部结构。冻融层对混凝土的影响程度，与很多因素有关，比如水泥混凝土的抗冻性能、含水量、极端最低气温、冻融速率、最大冻深以及每年冻融循环次数等。

1.2 影响混凝土抗冻的主要因素

水泥混凝土的抗冻性能与其内在孔隙结构、含水率、受冻结龄期以及抗压等级因素紧密相连。至于水泥混凝土的孔隙结构与强度，则取决于水胶比、外加剂的应用以及养护方式等要素。

①水胶比。水胶比对水泥混凝土的孔隙大小和结构有更直接的作用。随水胶比的增加，不仅使过饱和水的开口空隙增加，同时使其的孔径增加，由此引起水泥的耐冻性能降低。国内有关技术规范里面，对各种情况下的最大水胶比和最小水泥用量都给出了规定。②含气量。这个混凝土中的气体含量对混凝土的抗冻性能产生很大影响，特别是加入引气剂后产生的微小气孔，这对提升混凝土的抗冻性起着关键作用。在混凝土受冻早期，这些相互不相联的微小孔隙可以降低混凝土的静水压，从而达到降低混凝土受冻早期的压力。这些微孔可以防止或抑制水泥中的微粒冰块的形成。每种混凝土搅拌物要保证最低含气量，防止结冰。③混凝土的水分饱和度。混凝土受冻的程度和水分饱和度有很大关系。一般认为，当孔隙中的水分含量小于孔隙容积91.7%时，就不会发生凝固膨胀现象，这便是所谓的极限饱水度。水泥饱水后，冻融胀压力最大。混凝土的饱水程度跟其所处的自然环境和位置有关。④混凝土的抗冻性能。混凝土龄期越长，抗冻性能越好，混凝土的抗冻性逐渐增强。由于随着龄期的延长，水泥水化作用的增强，混凝土的抗胀性也随之增强。这对于早期冻结的混凝土尤为重要。⑤水泥类型和碎石质量。水泥活性越高，混凝土抗冻性能就越好。相比复合硅酸盐水泥，普通硅酸盐水泥混凝土抗冻性能更出色，比火山灰质硅酸盐水泥混凝土也更强。混凝土里的碎石对其抗冻性能的影响，主要看碎石的吸水性和抗冻性。⑥外加剂和混合料的作用。改变水泥混凝土结构，加入减水剂、引气剂和引气减水剂等添加剂，能提高混凝土的抗冻性能。

减水剂可以降低混凝土的水胶比，进而降低多孔性，增加水泥混凝土的防冻性能。

添加适当的引气剂是改善水泥混凝土的抗冻能力的一项关键和可行的方法。引气剂是一种表层活性剂，它的表层活性能力可以明显降低水泥混凝土的表层张力，使之在混凝土内形成一些微小而稳定的致密气泡。可以发挥润滑功能，提高水泥混凝土的和易性能，从而降低施工难度；还可以使水泥混凝土中的含气量增加，使其细密孔隙结构得以改变，抗冻性得到明显的改善。国内外大量的试验和施工实践证明，当使用引气剂，在细密气泡的作用下，混凝土的抗冻能力获得了很大的改善。

2 防冻混凝土配合比设计过程与试验验证

本标混凝土设计等级为C40，防冻级别不小于F300，混凝土拌和物的总含气量控制在3.0%～6.0%之间。

2.1 原材料选用

（1）水泥：具有较好的保水性、低泌水性和低湿热的水泥是最好的选择。由于混凝土的抗冻性，选择了P.042.5。因为水泥水化会产生热量，如果热量过高，混凝土就会因为热胀冷缩不稳定，容易出现收缩裂缝，这样就会让加入混凝土的添加剂效果大打折扣。

（2）粉煤灰：粉煤灰的掺入除代替部分水泥，用作混凝土的胶结类料外还可以填充微小孔隙，既可以降低水泥的孔隙度，提高密实性，还可以改善混凝土的抗冻性能。

（3）粗集料为5～31.5 mm连续级配的破碎碎石。首先进行机械反击破碎，水洗，试验，然后进行混凝土浇筑。必须说明的是碱集料反应是无法回避的，但如果超出了该指标，会对混凝土结构产生较大的影响，说明该集料与水泥、外加剂产生碱集料反应。此外，对粗集料的压碎值做出了规定，控制在10%以下，进一步保障了冻融混凝土的性能。

（4）细集料：细集料选用质地坚硬，洁净，级配良好的河砂，或细度模数为2.4～2.8，石粉含量为6%～18%的机制砂。

（5）水：用于混凝土搅拌或养护的水，不得包含对混凝土中的钢筋造成伤害的物质。

（6）减水剂/引气剂：在抗冻防渗水泥混凝土中添加引气剂或引气型减水剂，能够使水泥混凝土的内部产生均匀分布的微小气泡，从而提高抗冻性能和防渗性能，达到技术和施工需要。含气量为3%～5%。

2.2 配合比设计

2.2.1 设计步骤

根据设计文件对混凝土的要求，选用合适的原料，制定出既能满足冻融性能、强度和耐久性，又具有经济合理性的混凝土配比。

（1）在混凝土的配比中，最大水胶比应控制在0.45以内。若水胶比过大，将导致混凝土中出现大量游离水。水化作用所需的水分仅占水泥的25%～30%，然而为确保施工便捷和提高混凝土的易用性，实际应用中水分含量通常增加至50%～70%。然而，这部分多余的游离水会在混凝土中形成孔隙，导致密度降低，进而削弱混凝土的抗冻性和强度。

（2）砂率选择：合理确定砂率对混凝土拌合物的和易性具有显著影响。

砂率过大会减少混凝土拌合物的和易性和流动度；砂率太小也会减少混凝土的和易性。

2.2.2 配合比的试配

抗冻混凝土配合比结束后，须进行试验，确定理论配比。在试配前，要保证原材料符合配比的要求。在试配时，工序要配合好，物料称重要精确。步骤见图1。

图1 流程图

2.2.3 理论配合比选定及参数汇总

（1）按照JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》中测定的结果作为基准配合比的确定条件，根据要求调整水胶比，添加水胶比0.38和0.34的配合比各一组。

①每立方米材料的用量见表1。

表1 每立方米材料的用量

②混凝土拌合物性能参数表见表2。

表2 混凝土拌合物性能参数

③配合比抗压强度试验结果见表3。

表3 配合比抗压强度试验结果

④抗冻耐久性测试结果见图2、图3。

图2 质量损失率

图3 相对动弹模量

在抗冻混凝土配合比试件经过28 d的标准养护后，紧接着进行了为期300次的冻融循环试验。试验完成后，根据试验数据，分析了试件的质量损失率和相对动弹性模量。结果显示，试验结果符合设计规范要求。

（2）配合比的调整与确定。根据试验结论，现场理论配合比每立方米的材料用量如表4。

表4 现场理论配合比每立方米的材料用量 单位：kg

（3）混凝土拌和物性能及耐久性指标见表5。

表5 混凝土拌和物性能及耐久性指标

3 冻融混凝土施工过程控制

施工时，应严格按照规范进行控制。

3.1 原材料控制

①水泥进场后试验室应进行取样检验，水泥质量检验通过后，方可进行混凝土的配制。②粗、细骨料按每400 m3进行抽检，符合要求后方可以进行水泥混凝土的配制。③外加剂入库后，需对各批次产品进行严格检验。如遇质量异常情况，应及时抽取样品进行检测，确保混凝土外加剂的品质，严格杜绝任何可能影响混凝土质量的因素。

3.2 混凝土搅拌

①搅拌设备应配备自动计量装置，并经相关部门进行校准。每次搅拌时间应在3 min以内，以确保混凝土搅拌均匀。②搅拌站和浇筑工地要保持联络，在进场之前要对混凝土进行坍落度测试，如果发现有任何不正常的情况，立即通知搅拌站，搅拌站立即进行调整。

3.3 混凝土输送

混凝土的运输采用水泥罐车方式，运送过程中要少拉多趟，保证混凝土的和易性能。同时避免因路面状况差而造成的混凝土运输延迟。

3.4 混凝土浇筑

①钢筋和模具浇筑之前应进行必要的检验。清理底层的杂质淤泥，检查用电的接线情况。做好浇注前的各种准备工作，保证施工安全。②在混凝土进入模具后，应检测其内外温度。避免混凝土温度开裂，减少温度的变化。③在混凝土施工过程中，不可一次性倾倒，分层实施，施工一遍振捣一遍。

3.5 混凝土养护

①当混凝土浇灌完成后，及时做好保温、保湿等养护。②在大风区域，要保证混凝土的水化放热均匀，得做好防风措施。③对于新浇筑的混凝土构件，如承台、墩台身、涵洞边墙和基础等，须及时采取防水措施。④在混凝土浇筑后14 d，强度达到85%时，可拆除遮盖，并在混凝土表面喷涂养护剂，以抵抗风霜雨雪，确保其后续水化过程的顺利进行。

4 结语

在综合试验的基础上，对抗冻混凝土的配合比方案进行了总结。具体而言，混凝土应选用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥为原料，根据结构设计选择合适的粗细骨料，并控制外加剂掺入量不超过1%。同时，混凝土拌和料的入模含气率应保持在3.0%～6.0%的范围内。当前，我国高原地区的建设与大规模开发已初见成效，但抗冻混凝土的应用仍有很大的发展空间有待挖掘。未来，将以提升抗冻性能、节约材料等为重点目标，研制出符合高原应用需求的混凝土。