高性能混凝土冻融破坏的原因及预防措施

的含水量少，其抗冻性就会加强。表２、表３ 关系：
直观的反映出混凝土空隙率和其吸水率的
表2 三种骨料的孔隙数量
Tab.2 The quantity of interspace in three aggregates
骨料类型
单位面积孔隙分布及数量
单位面积总孔隙数量
1-10µm
10-100µm
100µm
1-100µm
A
1122
377
14
1499
B
374
294
28
668
C
780
370
16
1150
表 3 三种骨料的吸水率
Tab.3 Water rates of three aggregates
骨料
吸水率%
类型
5min
30min
60min
2h
24h
A
8.1
9.3
11.0
12.0
16.3
B
6.8
8.2
8.9
/MPa
/%
环次数
1
0.36
4.56
23.6
32
105
2
4.4
5.09
27.2
85
550
3
3.5
4.96
25.1
78
450
表4为抗冻性试验结果，表中1号试块为 性会大幅提高。另外，随着含气量的提高，
普通混凝土，为增加含气量，2号试块为使 其各项耐久性能均有较大幅度的提高。引气
的渗透压力，从而提高混凝土的抗冻融能
力。大量的试验和工程实验证明，掺用引气
剂并使含气量达到一定要求的情况下，混凝 土的抗冻性可提高8 -1 0倍左右[3]。但是掺用
引气剂使混凝土含气量增加，在提高混凝土
抗冻性的同时，也会引起混凝土抗压强度的
下降，试验表明，混凝土含气量增加1％，
抗压强度下降3％-5％，因此引气剂在使用 时，要注意掺量问题的影响。
验结果：表 1 不同水灰比混凝土冻融试验结 果：
表1 不同水灰比的混凝土冻融循环结果
Tab.2 Result of concrete with different w/c after freeze— thaw cycles
w/c
冻融循环
0.45
0.55
次数 N 相对动
质量 抗压强 抗压强度 相对动 质量 抗压强 抗压强度
关键字： 高性能混凝土；冻融破坏；水灰比；骨料；含气量；外加剂
中图分类号：
文献标识码：
文章编号：
The reason and preventive measure of freeze-thaw damage of
high-performance concrete
QIU Xiao-guang ZHANG Yu-e SHEN Dong-lei GAO Guan-peng
46.8
1.775
9.95
Leabharlann Baidu
49.39
27.4
2.763
4.37
70.54
是增强其抗冻性的一个重要方法，骨料选择 的好，混凝土的密实性高，孔隙率就低，从 而降低了混凝土饱和面干吸水率。一般情况 下，混凝土密实度越差，即孔隙率越大，则 饱和面干吸水率越高。一方面，吸水率小， 渗入混凝土的水就少；另一方面，混凝土内 孔隙率小，水的流动性就差，从侧面降低了 渗透性，减少了混凝土中的含水量。结构中
减水剂的主要作用为改善混凝土的和
易性，增加密实度，提高抗渗性，从而达到
9.4
9.6
15.8
增加抗冻性的目的。在混凝土中加入减水
剂，由于减水剂的分数、湿润及润滑作用，
能够改变水泥的絮凝状结构，使大量的游离
水被释放出来，大大降低了混凝土的用水
量，同时也引进部分气泡， 可以使混凝土
的含气量增加1％-2％，也可适当提高混凝 土的抗冻性[4]。
1.3外加剂 在实际工程中，通过使用外加剂来提高
建筑的抗冻性也是一种较为普遍的做法，在
众多的外加剂产品中，对混凝土抗冻性影响
最显著的主要是引气剂和减水剂。
在混凝土中加入引气剂，主要是在混凝
土拌和过程中引进无数微小且不连通的气
泡，这些气泡在硬化后的混凝土中，可以缓
解冻融过程中产生的冰胀压力和毛细孔水
75
62.0
0.401
25.67
34.01
综合表１结果，我们可以看出水灰比较 小的试块与水灰比较大的试块相比，在经历 相同次数的冻融循环后，相对动弹性模量较 大，质量损失较小，抗压强度损失率较少。 由此可见，在相同的条件下，水灰比较小的 试块抗冻性要更好。
1.2骨料选择 配制高性能混凝土时，选择合适的骨料
凝土工程。
1.4含气量 各种抗冻性理论表明，冻融环境下，影
响混凝土抗冻性的一个重要因素是含气量，
当含气量=4%时，混凝土均具有良好的抗冻
性能。提高含气量最有效的方法是“引气”， 其中包括引气量和引入气泡质量[5]。简单的
说，在混凝土的水泥浆体中，引入大量微小
气泡，当冬季低温环境下混凝土内部水分结
冰时，冰冻产生的膨胀被气泡吸收，就保护
（Qingdao Technological University Civil Engineering College Qingdao 266033）
Abstract: The application of high performance concrete is wider and wider, but many problems to be solved have been exposed in the actual projects, freeze-thaw damage is one of them. Combining with the application, a systematic analysis has made in this paper on the high performance concrete structure which has problems due to freeze-thaw damage. And then sum up the impacts on the freeze-thaw damage of the high performance concrete by the water-cement ratio, aggregate selection, using of admixtures, air content and other aspects. The results show that, many methods can improve the frost resistance of high performance concrete such as decreasing water-cement ratio in certain extent, choosing the aggregate of low porosity, improving the air content, using admixture like air-entraining agent, water reducing agent and so on. Finally, the paper gives appropriate preventive measures according to the results of these studies to extend the service life of new high performance concrete structures by reducing the freeze-thaw damage. Key words: high-performance concrete ; freeze-thaw damage ; water -cement ratio ; aggregate ; air content ; admixture.
投稿日期：2010-08-24 基金项目：国家自然科学基金资助项目（50878109）。 作者简介：邱晓光（1986—），男，山东淄博人，硕士研究生，跟随导师进行混凝土耐久性方面的研究.E-mail: qq3175311@163.com
通讯联系人：田砾，女，副教授。E-mail: tlsxf@163.com
外加剂使用、含气量等方面对高性能混凝土发生冻融破坏的影响做出总结。 结果表明：在一定范围内降低
水灰比，使用空隙率低的骨料，提高含气量、使用引气剂和减水剂等外加剂，这些方法都能提高高性能混
凝土的抗冻性。最后，根据上述研究成果给出了相应的预防措施，以期通过用减少新建高性能混凝土结构
的冻融破坏来延长其使用寿命。
量等。下面本文就对以上四个因素对高性能 混凝土冻融破坏的影响做出详细分析。
由于冻融破坏的原因而提前失效，达不到预 1.1水灰比
计的服役年限，不得不进行修复，甚至重建，
从混凝土设计、试配、搅拌、成型、振
造成了极大的资源浪费。因此，提高高性能 混凝土结构抗冻性的问题亟待解决。
捣、养护、不同龄期，直至施工完毕交付使 用，水灰比都在起着重要的作用[2]。大量实 际工程表明，引起高性能混凝土冻融破坏的
学科代码 ５６０．２５
高性能混凝土冻融破坏的原因及预防措施
邱晓光 张玉娥 沈东磊 高贯鹏
（青岛理工大学 土木工程学院 青岛 ２６６０３３）
摘要： 高性能混凝土的应用越来越广泛，但是实际工程暴露出许多亟待解决的问题，冻融破坏就是其中之
一。本文结合实际，对因冻融破坏而产生问题的高性能混凝土结构做出系统分析，从水灰比、骨料选择、
高 性 能 混 凝 土 是 一 种 新 型 高 技 术 混 假设和推导而得出的，有些是以水泥净浆或
凝 土 ， 是 在 大 幅 度 提 高 普 通 混 凝 土 性 能 砂浆试件通过部分试验得出的，因此迄今为
的基础上采用现代混凝土技术制作的混 凝土，正因如此，高性 能混凝土 在当今建
止，对混凝土的冻融破坏机理，国内外尚未 得到统一的认识和结论[1]。但是在前人的研
筑行业中的应用已是越来越普遍。耐久性是 究基础上，在大量的工程实践中，我们发现
高性能混凝土的一个重要指标，也是广大科 了许多影响高性能混凝土冻融破坏的因素，
研人员研究高性能混凝土的一个重要方向， 包括水灰比、骨料选择，外加剂使用、含气
在我国北方地区，影响高性能混凝土耐久性 的主要问题是冻融破坏，大量的混凝土结构
浆体结构不被冻胀压力破坏，也就使混凝土
具有良好的抗冻性。
表4 含气量不同的混凝土冻融试验结果
Tab.4 Result of freezing-thawing test for concrete with different gas content
试件
含气量
抗折强度
抗压强度
相对动弹
冻融循
编号
%
/MPa
目前研制成功并成为商品的引气型减
水剂是优质引气剂和减水剂的复合剂。它们
兼有引气剂和减水剂的功能，既可以在混凝
土中产生达到一定含气量要求的微小气泡，
同时又具有较为明显的减水作用，这种复合
型外加剂不仅能较大幅度地提高混凝土的
抗冻性，同时也可弥补由于纯掺加引气剂使
混凝土强度下降的不足，因此，特别适用于
既有高抗冻性又有高强度要求的高性能混
1 影响高性能混凝土冻融破坏的
主要原因是混凝土微孔隙中的水在正负温 度交替作用下，形成的由冰胀压力和渗透压
因素
力联合作用的一种疲劳应力，在这种疲劳应 力作用下的混凝土产生了由表及里的剥蚀 破坏，从而降低了混凝土的抗冻性，影响建
筑物的安全使用。因此为了减少这种疲劳应
混凝土的冻融破坏，是国内外研究较 力，应该在配制混凝土时尽量减小用水量。
弹模
损失／％ 度／ＭＰａ 损失率／％ 弹模 损失／％ 度／ＭＰａ 损失率／％
0
100
0
38.90
0
100
0
19.66
0
25
92.3
0.201
34.40
11.57
74.1
0.789
15.15
22.94
50
78.4
0.306
29.43
24.34
9.1
10.9
C
7.3
8.7
通过表2可以看出B种骨料孔隙最少最
为密实，A种骨料孔隙最多；表 3反映出 B类
骨料吸水率最小而A类骨料吸水率最大。这
与理论分析的相一致，即骨料的吸水率主要
被骨料内部孔隙数量控制，骨料内部孔隙数
量越多，吸水率越大。因此，在选择骨料时，
应该尽量选择内部孔隙少、孔隙率低的骨
料。
早、较深入的课题。从上世纪40年代以后， 美国、原苏联、欧洲、日本等均开展过混凝 土冻融破坏机理的研究，提出了多种破坏理
表1是水灰比为0.45和0.55的混凝土，分 别在经历0、25 、50和75 次冻融循环后，动 弹性模量、质量损失以及单轴抗压强度的试
论。如美国鲍尔斯提出的冰胀压和渗透压理 论等，但大部分是从纯物理的模型出发，经