气孔结构与抗冻性的关系

气孔结构与抗冻性的关系

摘要

硬化混凝土含气量对于建筑在高寒高盐度等地区的强度与寿命具有重要意义。混凝土中的孔与抗冻性有着密切的联系，这可以从冻融破坏机理的角度来说明。有两种假说来说明冻融破坏的机制:静水压假说和渗透压假说。

静水压假说

混凝土中除了有凝胶孔和孔径大小不等的毛细孔外，还有在搅拌和成型过程中引入的空气，以及掺加引气剂或引气型减水剂人为引入的空气泡。前者约占混凝土体积的1%，后者则根据外加剂掺量而不等(2%-7%)。由于毛细孔力的作用，细的毛细孔先吸水，孔径较大的空气泡由于空气的压力，常压条件下不易吸满水。粗孔中的水先结冰，在降温过程中，在水冻结成冰膨胀的推动下，细孔中未冻结水向粗孔渗透，形成静水压力，这是冻融破坏的动力。当由冻结产生的水压力超过混凝土强度能承受的程度，混凝土即破坏。这是静水压假说。

采用VISION208混凝土含气量检测仪来测定硬化混凝土的气孔体系参数，所测定参数主要有气泡总个数、硬化后混凝土含气量、气泡比表面积、气泡平均半径、气泡间距系数和气泡孔径分布。

通过VISION208硬化混凝土含气量检测仪获得的图片示例

G．Fagerlundr为了更形象地说明静水压力的影响因素，假定了一个模型，图1-2所示。

假设混凝土中某两个空气泡之间的距离为d，两空气泡之间的毛细孔吸水饱和并部分结冰。在空气泡之间的某点A，距空气泡为x，由于结冰生成的水压力为P。由D'Arcy定律知，水的流量与水压力梯度成正比，见式(1-1)

冰水混合物的流量即厚度为x薄片混凝土中单位时间内由于结冰产生的体积增量，见式(1-2):

将(1-2)式代入(1-1)式，积分得到A点的水压力P A，见式(1-3)

该处的水压力计算式为在厚度d的范围内，最大水压力在x=d

2

式(1-4)

从式(1- 4)可知:毛细孔水饱和时，结冰产生的最大静水压力与材料渗透系数成反比，又与结冰量的增加速率和空气泡的平均间距的平方成正比，而结冰量的增加速率又与毛细孔水的含量(与水灰比、混凝土的水化程度有关)和降温速度成正比。

渗透压假说

渗透压假说是指由于孔内冰与未冻水两相的自由能之差造成渗透压使冰附近尚未冻结的水向冻结区迁移，并在该冻结区转变为冰。此外，混凝土中的水含有各种盐类(环境中的盐、水泥水化产生的可溶盐和外加剂带入的盐)，冻结区水结冰后，未冻溶液中盐的浓度增大，与周围液相中盐的浓度的差别也产生一个渗透压。因此作为施于混凝土的破坏力的渗透压是冰水蒸气压以及盐浓度差两者引气的。

在渗透压假说中，毛细孔的弧形界面即毛细孔壁受到的压力可以抵消一部分渗透压，此外，毛细孔水向未吸满水的空气泡迁移，失水的毛细孔壁受到的压力也可以抵消一部分渗透压。这个毛细孔压力不仅不使水泥浆体膨胀，还能使其收缩。这一部分毛细孔壁所受到的压力又与空气泡间距有关，间距越小，失水收缩越大，也就是说起到抵消渗透压的作用越大。

由此可见，气泡对静水压和渗透压都是一个卸压因素，特别是静水压力。

综上述，空气泡间距系数是混凝土材料抗冻性的一个重要参数。而空气泡间距决定于混凝土中引入的气泡数量和气泡平均直径。引入气泡越多，气泡越细，则毛细孔结冰有足够的容许膨胀空间。因此，采用引气剂引入足够量的小空气泡，己成为提高混凝土抗冻耐久性的基本措施。例如，我国水工混凝土有关标准规程早己规定无论南方北方混凝土都必须引气。北美、欧洲等发达国家的混凝土大部分是引气的。而在日本，不论混凝土的使用环境和部位，包括建筑用混凝土，

都必须引气，非引气混凝土在日本属于特种混凝土。鉴于发达国家的经验，我国的有些混凝土专家也向政府主管部门提出建议将使用优质引气剂的措施纳入施工规范，使该有益混凝土工程耐久性的措施见之实施。

对于气泡间距系数与抗冻性的关系的研究国内外学者己作过很多的工作。有研究表明[61:平均气泡间距是决定混凝土抗冻性的最主要的因素。一般认为对高耐久性混凝土，平均气泡间距应小于

0.25mm，因为大于0.25mm -0.30mm时，抗冻性急剧下降。但也有资料表明:对于抗冻耐久性系数为90%的普通混凝土和粉煤灰混凝土，对于不同的强度等级，其气泡间距可在0.35mm-0.55mm(普通混凝土)、0.33mm-0.55mm(粉煤灰混凝土)之间变化。

陈联荣研究表明:混凝土抗冻性是平均气泡间距和水灰比两个参数的函数，也就是说:平均气泡间距和水灰比两者是决定混凝土的最主要因素。水灰比通过两个途径影响抗冻性，水灰比影响可冻结水的含量，同时水灰比又决定了强度，而这两者又都影响混凝土的抗冻性。一般情况下，水灰比越低，一方面，水泥石中孔的体积较小，孔中存留的可冻结水较少:另一方面，由于水灰比的降低，混凝土的密实度、强度得以提高，相应地提高了混凝土的抗渗透性和抵抗破坏的能力。一般认为，混凝土的碳化速度与水灰比成正比，而与混凝土的抗压强度成反比。但对混凝土抗冻性而台，有资料表明:如果混凝土中引入足够的含气量，则水灰比的影响不大。往往低强度等级的引气混凝土较高强度等级的非引气混凝土抗冻性还好。但当混凝土强度等级超过

C80时，有较高的抗冻性。北京水科院[191的试验表明，超高强混凝土不引气抗冻性标号能达到1000次。其原因可能是如此低的水灰比，水化后毛细孔量很少，毛细孔吸水饱和度很小。