混凝土抗冻耐久性综述

混凝土抗冻耐久性综述

张鸿雁

(内蒙古建筑职业技术学院,内蒙古呼和浩特　010000)

摘　要:我国地域辽阔,环境复杂,华北、西北、东北地区的水工大坝,特别是东北地区的混凝土结构物,几乎100%的工程局部或大面积地遭受不同程度冻融破坏。本文针对混凝土冻融破坏问题,结合笔者所做的实验,扼要介绍了影响混凝土抗冻耐久性的主要因素及相应预防措施。

关键词:混凝土;抗冻;耐久性

中图分类号:T U528 文献标识码:A 文章编号:1006—7981(2012)23—0034—02

1　综述

混凝土在饱水状态下因冻融循环产生的破坏即为混凝土冻融破坏,混凝土在饱水状态下抵抗冻融循环作用的性能称为混凝土的抗冻耐久性(简称抗冻性)。混凝土冻害发生必须具备两个条件:一是混凝土处于饱水状态;二是冻融循环交替发生。我国的华北、西北、东北地区的水工混凝土构筑物,几乎100%的工程局部或大面积地遭受不同程度冻融破坏。而且长江以北黄河以南的中部地区,也有大量的混凝土建筑物(构筑物)出现冻融破坏的现象。由此可见,北方地区,混凝土的抗冻耐久性直接决定影响混凝土的耐久性[1]。

2　冻融破坏机理研究

迄今为止,关于混凝土冻融破坏机理还没有形成共识。得到较多学者认可的假说可以归结为2类:一类是Pow ers提出的静水压假说[2];一类是他此后与Helm uth一起提出了渗透压假说。这两个假说结合在一起,较为成功的解释了混凝土冻融破坏机理。

静水压假说认为:水受冻变成冰时,体积要膨胀9%,从而迫使未结冰的孔溶液从结冰区向外迁移,产生静水压力。静水压力随孔隙水流程长度增加而增加,因此,存在一个极限流程长度,如果孔隙水的流程长度大于该极限长度则静水压力将超过混凝土的抗拉强度,混凝土开始破坏。

渗透压假说认为:混凝土孔溶液中含有Na+、K+、Ca2+等盐类,气温降低时大孔中的部分溶液首先结冰,则未冻溶液中盐的浓度就会上升,就会与周围较小空隙中的溶液产生浓度差。这个浓度差将迫使小孔中溶液向大孔迁移。即使是浓度为0的孔溶液,由于冰的饱和蒸汽压低于同温度下水的饱和蒸汽压,小孔中的溶液也要向已部分结冰的大孔溶液迁移。可见渗透压是孔溶液的盐浓度差和冰水饱和蒸气压差共同形成的。

目前静水压、渗透压不能由实验测定,也无法准确用物理化学公式计算。现阶段得到公认的影响混凝土抗冻性的参数是平均气泡间隔系数。气泡间隔系数即气泡间距的一半。当混凝土的平均气泡间隔系数小于某个临界值时,毛

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[参考文献]

[1]　黄平森.热工自动化设备的改造对策[J].电力

建设,1996,(3).

[2]　樊静明,孙宝义.热控保护标准化作业[M].北

京:中国电力出版社,2007.

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细孔中的渗透压或静水压就不会超过混凝土的抗拉强度,即抗冻性能较好,否则其抗冻性能较差。美国混凝土协将极限平均气泡间隔系数定为250?m。这个值取得是否合理,以及由各种水泥搅拌而成的混凝土是否都可以采用这个极限值,目前仍有异议。但平均气泡间隔系数作为混凝土抗冻性的重要参数,已经得到公认。

3　影响因素

3.1　引气剂

含气量是影响平均气泡间距的一个主要因素。混凝土在搅拌过程中虽然引入大量的气泡,但由于气泡直径相对较大且不稳定,对混凝土抗冻耐久性的贡献有限。而引气剂引入的气泡不仅直径小,而且丰富均匀。引气剂引入的气泡越多,平均气泡间距就越小,毛细孔中的静水压和渗透压就越小,混凝土的抗冻性就越好。笔者所做的大量实验也证明[1],掺引气剂后混凝土抗冻性能显著优于不掺引气剂的混凝土。这与国内外的大量研究成果与工程实践相一致[3]。

引气剂是具有憎水性的表面活性物质,在混凝土搅拌过程中引入大量微小的、稳定的封闭气泡。封闭气泡切断了部分毛细孔通路,从而缓解水变成冰时产生的膨胀压力,推迟了混凝土冻融破坏的发生,即起到减压缓冲的作用。此外,这些气泡还可以阻断混凝土内部毛细管与外界的通路,外界水分不易浸入。因此,引气剂引入的大量封闭气泡大大提高了混凝土的抗冻耐久性。但是,引气剂的掺量应控制在一个合理的范围,因为随着引气剂掺量的增加,气泡增多,混凝土的密实度在降低,进而导致混凝土的强度降低。《普通混凝土配合比设计规程》规定:混凝土的最大含气量不宜超过7%,最小含气量应符合表1的规定。

表1　长期处于潮湿和严寒环境中混凝土的最小含气量粗骨料最大粒径(m m)最小含气量(%)

40 4.5

25 5.0

20 5.5

注:含气量的百分比为体积比

3.2　水灰比

水灰比直接影响到混凝土中可冻水的含量、混凝土强度,进而影响到混凝土的抗冻性能。水灰比越小,混凝土中可冻水的含量越少,混凝土的冻结速度越慢;水灰比越小,混凝土强度越高,抗冻性能也越好。我国水科院、铁科院等单位的研究也表明,水灰比小于0.35、完全水化的混凝土,即使不掺加引气剂,也有很好的抗冻性[3],这是因为混凝土中的水分除去水化结合水和凝胶孔不冻水外,可冻水含量很

在饱水环境下骨料吸水饱和,受冻后在骨料-水泥浆界面和骨料空隙将产生静水压力,如果其超过界面强度或骨料强度时就会产生冻害。所以骨料的吸水率和骨料的尺寸是影响骨料抗冻性的主要因素。此外,骨料的泥含量、风化程度、坚固性、杂质含量等也会影响混凝土的抗冻性能。

美国ACI201委员会指出,如果在持续潮湿环境中使用吸水性骨料,粗骨料吸水饱和时,骨料颗粒在冻结时体积膨胀,膨胀压力使骨料和砂浆面破坏。如果受破坏的骨料靠近混凝土表面,就会产生剥落[3]。由此看来,轻骨料可能成为混凝土抗冻的薄弱环节。但通过掺入适量的引气剂、保证含气量等措施,使骨料受冻后将孔隙水排向周围的空气泡,来提高轻骨料混凝土的抗冻性能。

3.4　混合材料

粉煤灰对混凝土抗冻性的影响,目前尚无统一的结论。美国等国家的实验结果表明,掺与不掺粉煤灰的混凝土抗冻性基本相同,而中国水科院的实验表明,在等量取代的条件下,粉煤灰掺量为15%时,混凝土的抗冻性可得到改善,当粉煤灰掺量超过一定范围时,混凝土的抗冻性反而下降。但严捍东等在粉煤灰掺量0～55%、引气量7.6%的试验条件下,得到了混凝土抗冻性随粉煤灰掺量增加而提高的结论[3]。

此外,在混凝土中掺入硅粉,可以改变气泡的结构,降低了气泡间距系数,从而可改善混凝土的抗冻性。大量实验表明:硅粉掺量不超过10%时,混凝土的抗冻性有所提高,掺量为15%时,抗冻性基本没有变化,掺量超过20%时的抗冻性会明显降低。

4　结论

除了针对上述影响因素采取相应的措施来提高混凝土的抗冻耐久性,在施工过程中严格按遵守相关工艺要求,也是混凝土耐久性能的保证。回顾我国主要建筑工程的发展,虽经几十年的努力,但混凝土工程的抗冻耐久性仍未得到根本解决。结合本人所作的实验,混凝土的含气量和水灰比是影响其抗冻耐久性的主要因素。在满足混凝土强度要求的前提下,掺加适量的引气剂更为经济。

[参考文献]

[1]　张鸿雁.混凝土抗冻耐久性研究.内蒙古科技

大学[D].2009.

[2]　Pow ers,T.C.T he air requirement o f fr ost

resistant concrete[J].Portland Cement

Association Highw ay Research Board,

Skokie,1949,29(3):184～211.

[3]　张誉,蒋利学,张伟平,等.混凝土结构耐久性

概论[M].上海:上海科学技术出版社,2003:

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　2012年第23期 张鸿雁　混凝土抗冻耐久性综述