混凝土冻融循环破坏研究进展

第26卷 第6期Vo l 126 No 16材 料 科 学 与 工 程 学 报Jo urnal o f Mater ials Science &Eng ineer ing

总第116期Dec.2008

文章编号:1673-2812(2008)06-0990-05

混凝土冻融循环破坏研究进展

张士萍,邓 敏,唐明述

(南京工业大学材料科学与工程学院,江苏南京 210016)

=摘 要> 本文对目前混凝土冻融破坏研究新进展进行了全面综述,介绍了已有的关于冻融破坏机理的几种

假说,并且对静水压理论和渗透压理论的适用条件以及合理性提出了质疑。同时论述了孔结构、饱水度、含气量和环境条件对冻融破坏的影响,国内外冻融循环试验方法和判据以及预防冻融破坏的措施。

=关键词> 混凝土;冻融循环;机理

中图分类号:T U 528 文献标识码:A

Advance in Research on Damagement of Concrete

Due to Freeze -thaw Cycles

ZHANG Sh -i ping,DENG Min,TANG Ming -shu

(College of Materials Science and Engineering,Nanjing University of Technology,Nanjing 210009,C hina)

=Abstract > T he advance in research on damag ement o f co ncr ete caused by freeze -thaw cycles is reviewed.T he ex isting hy po theses fo r deter io ratio n of concrete due to fr eeze -thaw cycles is discussed,and ther e is do ubt on the applicability and

ratio nalit y of hydraulic pressur e and osmo tic pressur e.T he effect o f pore st ruct ur e,w ater satur ation,air -entr aining and env iro nmental co nditions o n f reeze -thaw damag ement,the testing methods and cr iteria fo r fr eeze -thaw cycles and prev entiv e measures ar e also present ed.

=Key words > concrete;f reeze -thaw cycles;mechanism

收稿日期:2007-11-14;修订日期:2008-03-03

作者简介:张士萍(1982-),女,江苏南京人,博士研究生,从事水泥混凝土耐久性方面的研究。E -m ail :zhang shipi ng1982@126.co m.

1 引 言

混凝土用于工程建设迄今已有150年左右的历史。人们对混凝土性能的改善和提高随着工程实践的增多和科学技术的发展而不断完善。随着时间的推移,人们认识到已建工程并非都是耐久的,远低于设计寿命、过早破坏的事例层出不穷。这些过早/衰老0的工程不仅需要耗用庞大的重建与维修费用,还会造成间接经济损失和安全隐患,专家们把这种现象称为/混凝土耐久性危机0,发达国家已经为此付出了巨大代价。

抗冻性是混凝土耐久性的最重要的指标之一。因此,工程界对提高混凝土抗冻性非常关心。混凝土的抗冻耐久性引起国内外众多学者的兴趣,不仅因为它是影响混凝土使用寿命与性能的一个非常重要的因素,同时也因为混凝土的冻害发生的范围极其广泛。我国地域辽阔,有相当大的地区处于严寒地带,不少水工建筑物出现了冻融破坏现象。寒冷地区的水工、港工、道路和桥梁等工程中的混凝土

结构物或构筑物在冻融循环作用下的冻融破坏是运行过程

中的主要病害[1]。但是,目前关于混凝土冻融破坏机理众说纷纭,高性能混凝土抗冻性试验结果也不一致。这使得在工程实践中对如何提高混凝土抗冻性,以及对掺粉煤灰混凝土在一些重要工程部位的应用是否适当等问题存在不同看法。

2 冻融破坏机理

混凝土的冻融破坏过程是比较复杂的物理变化过程。

一般认为,冻融破坏主要是因为在某一冻结温度下,水结冰产生体积膨胀,过冷水发生迁移,引起各种压力,当压力超过混凝土能承受的应力时,混凝土内部孔隙及微裂缝逐渐增大,扩展并互相连通,强度逐渐降低,造成混凝土破坏[2]。

目前提出的冻融破坏理论主要有静水压经典理论、渗透压理论、冰棱镜理论、基于过冷液体的静水压修正理论、饱水度理论等等[3-7]。但目前公认程度较高的,仍是由美国学者T.C.Po wer s 提出的膨胀压理论和渗透压理论,他认为

吸水饱和的混凝土在冻融过程中遭受的破坏力主要有以下两部分:膨胀压力和渗透压力。其中静水压理论最具有代表性,混凝土在潮湿条件下,首先毛细孔吸满水,混凝土在搅拌成型时都会带一些大的空气泡,这些空气泡内壁也能吸附水,但在常压下很难吸满水,总还能留有没有水的空间。在低温下毛细孔中水结成冰,体积膨胀,趋向于把未冻水推向大的空气泡方向流动,这就形成静水压力。冰的饱和蒸汽压小于水,这个蒸汽压的差别推动未冻水向冻结区迁移,这就是渗透压。

对静水压和渗透压何者是冻融破坏的主要因素,很多学者有不同的见解。Pow ers本人后来偏向渗透压假说[8],而Fag erlund,P igeo n等人的研究结果却从不同侧面支持了静水压假说[9,10]。李天媛从理论分析计算着手及客观存在的实验现象出发来论证静水压和渗透压大小,危害作用及程度,最后得出静水压是混凝土冻害的主要因素[11]。渗透压假说和静水压假说最大的不同在于未结冰孔溶液迁移的方向。静水压和渗透压目前既不能由试验测定,也很难用物理化学公式准确计算。一般认为,水胶比大、强度较低以及龄期较短、水化程度较低的混凝土,静水压力破坏是主要的;而对水胶比较小、强度较高及含盐量大的环境下冻融的混凝土,渗透压起主要作用[12]。丹麦S.Chatt erji[13]也对静水压理论提出了质疑,认为结冰后混凝土强度反而提高。按照静水压理论,只有在至少一端封闭的孔中才会产生静水压,但是混凝土中的毛细孔比较复杂,可能存在两端连通、两端封闭或者一端连通的其中一种情况或者三种情况同时并存,因此可能需要考虑该理论是否具有一定的适用条件。渗透压的产生首先需要渗透膜,允许一部分溶液通过,但是混凝土材料中什么物质起渗透膜的作用目前还没有明确的定论,有人认为凝胶起了渗透膜的作用,但并没有证据。同时有人用饱水石膏试件进行试验,结果发现冰冻时也发生了膨胀[14],而石膏内部不存在孔溶液差,因此不可能形成渗透压,关于渗透压还需要进一步的研究证实。

德国的M.J.Set zer[15]、美国的G.W.Scherer[16,17]、英国的F.Br esme[18]还从热力学角度分析了固、液、气(冰、水、蒸汽)三相平衡共存的条件,指出混凝土冻融破坏的必然性。众所周知石子或石材的孔隙中的盐结晶会产生应力,从而导致开裂。冰与盐结晶相似,结晶的时候也会产生应力,称为结晶压,是导致破坏的一个重要原因。盐结晶的驱动力是过饱和度,冰的驱动力是过冷度。凝固过程就是产生晶核和晶核生长的过程,而且这两种过程是同时进行的。结晶压是研究冻融破坏的一个重要参数,杨全兵老师通过试验测出了不同溶液的结冰压的大小[19],但是结晶压在混凝土中是如何作用的还需要深入研究,笔者正在做这方面的工作。

有人提出冻胀力的概念,即混凝土在受冻时,内部自由水结冰体积膨胀从而产生的压力。当温度降低到混凝土孔溶液的冰点时,存在于混凝土中的水有一部分开始结冰,逐渐由液相变为固相,这时参与水泥水化作用的水减少了,水化作用减慢,强度增长相应较慢。硬化早期,水泥水化未完全,早期强度也小,水冻结成冰后,体积大约膨胀9%,这个冻胀应力值常常大于水泥石内部形成的初期强度值,使混凝土受到不同程度的破坏而导致强度降低和耐久性下降。郭成举曾指出[20],/多孔材料的冻融破坏归根结底是一种力学行为,只有从力学的角度出发才能加以阐明0。混凝土在冻融作用下的破坏,是由于混凝土内部的水在冻结时发生体积膨胀引起的。问题在于,水在冻结时以怎样的方式产生破坏力。他通过试验计算出毛细管周围混凝土体所处的应力状态,推得-18e时包裹着球形水体的冰壳上最大的切向拉应力为90M P a,如此之大的拉应力是冰和混凝土所无法承受的。由于混凝土内部结构非常复杂,具有多尺度性,是一种不均匀材料,近期又有人利用CT探测静动力荷载条件下,材料内部的裂纹演化过程,尤其是X射线CT技术的无损动态特性,为混凝土破坏的细观机理的研究提供了可能[21,22]。另外,冯乃谦提到在分析混凝土冻害机理时,必须注意结冰后一部分水泥石膨胀,而另一部分水泥石由于水化硅酸钙凝胶失水而产生收缩,要考虑这两部分的叠加作用[23]。还有人提出温度应力,这一假说主要是针对高强或高性能混凝土冻融破坏现象提出的。该假说认为高强或高性能混凝土冻融破坏主要是因为集料与胶凝材料之间热膨胀系数相差较大,在温度变化过程中变形量相差较大,从而产生温度疲劳应力破坏。

3冻融破坏的影响因素

3.1孔结构对冻融破坏的影响

常温下,硬化混凝土是由未水化的水泥、水泥水化产物、集料、水、空气共同组成的气-液-固三相平衡体系。当混凝土处于负温时,孔隙中的水发生相变。因此连通的毛细孔对混凝土抗冻性影响最大[21]。混凝土中的孔隙一般分为水泥石中的凝胶孔、毛细孔和大气孔等三种,凝胶孔不受冻害;孔径较小的毛细孔(约320!以下),由于其中水冰点极低,一般也不受冻害;而1000!以上的毛细孔则受冻融作用影响,大的气孔中的水结冰是混凝土受冻破坏的最主要危害因素[24]。吴中伟教授曾提出了孔结构理论,认为混凝土的冻融破坏与混凝土内部微孔结构有关,他把孔分为四级:r<20L m为无害孔,r=20-50L m为少害孔,r=50-200L m为有害孔,r>200L m为多害孔,对混凝土冻融破坏影响较大的为>100L m的孔[25]。孔结构之所以与冻融破坏有密切的联系主要体现在孔中的水在冻融循环过程中的作用。一般来说,孔隙率越大,相对含水量越多,则可冻水量也就越多。水灰比直接影响混凝土的孔隙率及孔结构。随着水灰比的增大,不仅含有可冻水的开孔体积增加,而且平均孔径也增大,因而混凝土的抗冻性必然降低。

硬化混凝土孔结构参数包括孔隙率、孔径大小、孔径分布、孔形状和气泡间距系数。孔径大小决定了混凝土孔中水的冰点,孔径越小,冰点越低,成冰率也低,从而减小因结冰引起的对混凝土的破坏,提高了混凝土的抗冻性[26]。小孔、低的孔隙率和闭合孔会提高混凝土的抗冻性能[27]。气

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