混凝土抗冻理论及应用

混凝土抗冻理论及应用1 引言混凝土受冻害损伤可以区分为两种情况：（1）剥落脱皮是由于冻融引起的混凝土表面材料的损伤；（2）内部损伤是表面没有可见效应而在混凝土内部产生的损害，它导致混凝土性质改变（如动弹性模量降低）。

至于新拌混凝土受冻害损伤后则会导致混凝土冻胀破坏。

黄延高速公路第六合同段位于陕北地区，常年负温为130d左右，防治混凝土受冻害损伤在冬季施工中具有重大意义。

2 混凝土受冻害损伤有关原因2．1 新拌水泥混凝土的受冻害损伤的原因新拌混凝土的强度低、空隙率高、含水多，极易发生冻胀破坏。

冻胀破坏的外观特征是材料体内出现若干的冰夹层，彼此平行而垂直于热流方向。

其过程为：结构物表面降温冷却时，冷流向材料体内延伸，在深处某水平位置开始冻结，一般从较粗大孔穴中水分开始，冰晶形成后从间隙吸水，发育增长，且是不可逆转的过程，水分从材料未冻水或从外部水源补给，并进行宏观规模的移动。

第一层孔穴中冰冻后，在冰晶生长的过程中，材料质体受到拉应力σt，如果超过抗拉强度即破坏。

2．2 成熟混凝土受冻害损伤有关原因混凝土构件中的孔径分为三个范畴，即凝胶孔、毛细孔及气泡，在某一固定负温下混凝土构件中水分只有一部分是可冻水，可冻水产生多余体积直接衡量冰冻破坏威力。

可冻水（即冰）主要集中在水泥石及骨料颗粒的毛细孔中，凝胶水由于表面的强大作用不大可能就地冻结，气泡水易冻结。

混凝土构件中各种孔径的空隙可认为连续分布，分布在这些空隙中的水在降温过程中将按顺序逐步冻结，不可能同时冻结。

冻水一般是温度的逆函数，温度愈低，可冻水愈多。

连续的毛细管沟网络体系破坏过程；随着水化进展凝胶体生成，网络的联系被破坏、分成个别孤立的毛细孔（水在其中冻结的容器），而凝胶连同其特征性凝胶孔和少数细小毛孔就构成透水器壁。

随着水化深入，材料质地致密及温度的下降，将有更多细小空间的水参与冰冻，作为器壁的凝胶的渗水性也不断减小。

当冰冻多余水受水压力推动向附近气泡（逃逸边界）排除时，材料本身将受到推移水分前进的后应反作用力导致受拉破坏。

材料组织愈致密水流宣泄不及，疏导不畅引起的动水压力增大。

水泥浆中包含的一般是盐类稀溶液，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。

另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差。

浓度差使得溶剂向溶液中自发扩散渗透，即溶质向凝胶水中扩散，而凝胶水向毛细孔中浓溶液转移。

其结果毛细孔中水分增加，和冰接触的溶液稀释，冰晶逐渐生长，长大。

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，向所有方向产生的水压力，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。

骨料作为一个组分，如果冰冻膨胀同样会成为导致混凝土破裂的应力来源；为了保证混凝土完好，必须要求骨料和水泥净浆两者都不破坏。

由于引气混凝土的广泛使用，水泥净浆的抗冻性较易保证；从这个意义上来说，骨料抗冻性更具有突出意义。

如颗粒大到一定限度以上，核心存在的距离任何逃逸边界均在临界尺寸以上的保水区域，此时将因超过骨料破裂强度的内部水压力而破裂，这就是临界储存效应。

凡属中等吸水、细孔结构、渗透较低的岩石，这种危险较突出；空隙多、渗透性强的骨料临界尺寸也很大。

在特殊情况岩石吸水率极低（如重量吸水在0．5%以下的石英岩），可冻水极少，冰水是无渗应力出现；根据施工经验应避免使用高度吸水骨料，小颗粒石粒可以得到较大抗冻保证。

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、降水量、空气相对湿度等）；（3）材料使用方式（降水量、自由水及跨越材料的蒸气压梯度与温度梯度）。

区分这几方面变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。

3 利用抗冻理论在工程上应用根据材料的抗冻性上述的函数，在施工实践中采取的抗冻施工措施如下：采取掺用防冻剂以降低新拌水泥混凝土的内部水溶液冰点以及干扰冰晶生长，有效保护未成熟混凝土不受冻胀破坏，在负温条件下能够继续水化。

采取掺用引气剂，引气不仅在表面无冰时减轻大体积冰诱导冰冻的出现，并且在过程中也减轻了冰挤出的损害，消纳更多的毛细孔中冰冻所产生的多余体积，有助于保护成熟混凝土免于伤害。

配合比设计采取高效减水剂尽量降低水灰比并经过充分水化，就有可能做出实际上不包含可冻水的饱和混凝土构件。

不包含毛细水（或数量很少）的混凝土构件，由于凝胶中空间极微细，结晶的始发十分困难，并不发生冻结，故施工中尽量不使用粉煤灰作为外掺料加入混凝土。

选用岩石吸水率较低（如重量吸水在0．5%以下的岩石），可冻水极少，骨料表现安全，不受冰冻伤害，同时使用小颗粒石粒可以得到较大抗冻性保证。

改善混凝土的气候条件以及使用方式，在地面以上的混凝土结构的冬季施工中，采取棉毡包裹等有效的蓄热保温措施，使新拌混凝土在正温条件下水化，强度达到设计强度后采取棉毡包裹继续保温，以此延长混凝土养护周期，保证成熟混凝土充分水化，尽量降低构件毛细水含量，防止成熟混凝土的受冻。

混凝土的冬季施工要求：（1）混凝土冬季施工的材料储备保温。

为避免入冬以后进料困难、砂石料在料场或运输过程中受冻，砂石料应在入冬前组织进场；砂石料应在入冬前进行盖上10cm以上的草袋以及棉毡或采取其它措施，必须保证砂石料不受冻、温度在0℃以上，同时防止出现冰雪、冻块进入搅拌机内，给混凝土温度带来损失；防止过大的冻块堵塞砂石料输送带；防止部分冻块进入搅拌机内会很难被粉碎、溶化，严重影响混凝土质量；水泥、外加剂应在库房或暖棚内进行保温，禁止对其进行直接加温；冬季温度过低，应提前做好水源储备并防止污染。

（2）混凝土拌和料的加温。

在对搅拌站进行搭设温棚保温、砂石料保持正温的情况下，混凝土拌和料要加温，拌和水加热温度根据混凝土拌和物混合温度和计算控制。

（3）混凝土的拌和。

混凝土拌和料的投料顺序：1）砂石料进拌和机加90%的水进行搅拌1min；2）水泥、外加剂进拌和机进行搅拌1．5min以上并补充剩余10%的水分；砂石料与水泥、外加剂分开进料斗，必须以此防止水泥、外加剂接触热水发生水泥“假凝”现象；拌和时间适当延长，以防止出现：a）混凝土颜色不均匀、外观质量问题；b）防止材料间热交换时间过短，混凝土和易性和施工性能差。

（4）混凝土的运输。

各种混凝土运输车、混凝土输送泵以及管道在使用前必须用热水清洗加温；保证运输过程顺畅、运输速度快速；混凝土泵安装后要加保温采暖棚，管道用棉毡包裹保温；管道在使用前后用热水冲洗干净，防止混凝土残料在管道内冻结、影响畅通。

（5）混凝土的浇筑。

旧混凝土要冲洗干净，并进行加温，包括模板、钢筋均必须采取有效措施如暖棚进行加温至10℃以上方可进行混凝土浇筑；尽量减少因施工操作引起的混凝土拌和物温度损失，如减少混凝土暴露时间、及时对混凝土予以保温。

（6）混凝土的温度监控。

建立温度检测制度、指定专人负责，建立完整的检测记录。

在老庄和特大桥冬季施工中外加剂的选用具有防冻、引气、减水等功能的复合性外加剂，采用5～25mm连续级配碎石粗集料与水泥配合，施工中防冻效果良好，能够满足现场冬季施工的要求。

冬季施工冬期保证施工措施在若考虑本工程冬期施工时，依据鞍山地区的冬期气温情况，做好冬期施工准备。

在具体施工项目上，根据施工的部位及施工当时的气温具体确定防护温度。

考虑业主可能对炼铁车间、炼钢车间、连铸车间、制氧车间、烧结车间的土方工程、地基与基础工程（主要包括深基础如桩基础、厂房柱基础、设备基础）在冬季来临前或在冬季进行施工，所以就针对各分项工程的冬季施工做以下阐述。

1、土方工程土方工程在冬期施工时，应在土方挖完之后，立即盖上一层草垫子进行保温，在垫层施工时，应分片进行，垫层施工后，达到终凝，再继续覆盖草垫子一层。

回填土的处理，必须根据具体情况采取不同的措施，如回填土的预先保温、重大工程用松散材料如砂或矿渣等处理。

2、地基与基础工程（1）钢筋工程钢筋工程的冬季施工主要考虑钢筋或钢筋骨架的焊接。

1) 基本要求焊接环境温度不能低于-20℃。

在3级以上风力时焊接要采取挡风措施。

焊接后的钢筋未冷却之前不要接触冰雪。

2) 负温闪光对焊负温闪光对焊宜采用预热闪光或闪光—预热—闪光工艺。

调伸长度宜增大10%-20%，以利增大热影响区，增加热储蓄，降低冷却速度，改善接头性能。

变压器级数应降低1-2级，以能保证闪光顺利进行。

负温闪光焊接应根据钢种、直径、施焊温度，灵活运用焊接参数。

3) 负温电渣压力焊负温电渣压力焊的焊接步骤与常温相同，但焊接参数需要做适当调整。

其中焊接电流的大小，应根据钢筋直径和焊接时的温度而定。

它影响渣池温度、粘度、电渣过程的稳定性和钢筋的熔化程度，当焊接电流过小，常常发生断孤，使焊接接头不能溶化，因此，应适当增加焊接电流，焊接时间也应适当增加。

负温电渣压力焊，接头药盒拆除时间比常温延长2min，接头渣壳宜延长5min方可打渣。

（2）混凝土工程混凝土工程的冬期施工，主要采用综合蓄热法，即提高初温，掺早强防冻剂，现场覆盖草垫子。

混凝土工程的冬季施工主要从混凝土材料、混凝土搅拌、混凝土运输和浇灌、混凝土的养护四个环节考虑。

1)冬期施工的混凝土在受冻前的临界强度，普通水泥和普通硅酸盐水泥应为设计强度的30%，矿渣硅酸盐水泥40%，但低于C10的混凝土不应低于5.0N/mm2。

2)掺防冻剂的混凝土，当室外最低气温不低于-15℃时，不得小于4.0N/m2，当室外最低气温不低-30℃时，不得小于5.0N/m2。

搅拌混凝土时，砂、石等不得有冰雪及冻块，在进行加热时，应首先加热水，3)但水温不宜超过80℃，如80℃不能满足施工要求，也可加热至100℃，但搅拌时要改变掺料顺序，先投砂、石，后投水泥。

4)防冻剂如为粉剂，可直接与水泥同时加入，如为水剂，所需先稀释成规定溶液，然后再根据要求掺加。

5）冬期施工混凝土应比常温搅拌时间延长1分钟。

6）混凝土到达现场温度不得低于+10℃，入模温度不得低于+5℃。

7)混凝土外加剂可根据当地的情况选择优质外加剂，一般应选择省级建设主管部门的推荐产品。

8）混凝土入模后，要及时覆盖，覆盖时用一层草垫子、一层塑料布。