混凝土抗冻耐久性

浅谈混凝土抗冻耐久性摘要：本文根据混凝土受冻害损伤的有关原因，并结合国内外的研究成果，通过对混凝土抗冻性能的各种影响因素的综合分析，提出了混凝土抗冻耐久性在工程中的应用。

关键字：混凝土耐久性抗冻工程应用1.序言混凝土的耐久性是混凝土抵抗气候变化、化学侵蚀、磨损或任何其它破坏过程的能力，当在暴露的环境中，能耐久的混凝土应保持其形态、质量和使用功能。

混凝土的耐久性研究内容包括:钢筋锈蚀、化学腐蚀、冻融破坏、碱集料破坏。

混凝土的抗冻性作为混凝土耐久性的一个重要内容，在北方寒冷地区工程中是急待解决的重要问题之一。

[1]我国有相当大的部分处于严寒地带，致使不少水工建筑物发生了冻融破坏现象。

因此，混凝土的冻融破坏是我国建筑物老化病害的主要问题之一，严重影响了建筑物的长期使用和安全运行，为使这些工程继续发挥作用和效益，各部门每年都耗费巨额的维修费用。

国外也不例外，美国在对其桥考察后发现，每年为桥梁锈蚀将花费83亿美元。

[2]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。

[3]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。

[4]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。

综合为两个阶段：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。

[5]3.控制混凝土抗冻性能的主要因素混凝土抗冻性能主要受以下因素的影响：3.1 混凝土拌和物的流变特性新拌混凝土的流变学模型属于不典型的宾汉姆体，兼具粘性和塑性的特征。

其凝结硬化过程表现为混凝土拌和物从粘、塑性向粘、弹性的演变。

拌和物的流变学特性在实际应用中集中表现为其工作性能。

粘聚性、保水性和流动性是混凝土工作性能的具体体现。

工作性能良好的混凝土流变学上具有内聚作用较大、内摩擦较小的特点。

[6]硬化过程中泌水少．其硬化产物结构致密，内部孔隙分布均匀．气泡直径和气泡间距相对较小。

有利于提高混凝土的抗冻性能。

坍落度是混凝土流动性的常用指标。

从掺引气刑及减水剂的混凝土坍落度与含气量的关系图 l可以图1坍落度与含气量关系曲线看出，含气量随着混凝土坍落度增大而增加，含气量达到峰值后，坍落度若继续增大，引气效果反而下降。

这是因为混凝土流动度太大时分子间范德华力变弱，致使拌和物粘度下降，气泡容易逸出。

干硬性混凝土由于流动性差，引气困难，与常规混凝土相比，要获得同样的引气效果，引气剂的掺量要增加几倍。

[7]3.2 混凝土组成材料3.2.1 水泥品种的选择选用适当的水泥品种也是控制混凝土抗冻性不可忽视的重要因素之一。

通过抗冻性试验，得到各种水泥混凝土加气和不加气的抗冻性递减次序如下：硅酸盐水泥（加气）> 普通硅酸盐水泥（加气）> 粉煤灰硅酸盐水泥（加气）> 矿渣硅酸盐水泥（加气）> 火山灰硅酸盐水泥（加气）> 硅酸盐水泥 > 普通硅酸盐水泥 > 粉煤灰硅酸盐水泥 > 矿渣硅酸盐水泥 > 火山灰硅酸盐水泥。

[8]3.2.2 集料集料本身的抗冻性能会影响整个混凝土体的抗冻性能，抗冻性能好的水泥砂浆不能保护抗冻性能差的集料和混凝土免遭冻融作用的破坏。

集料的抗冻性能主要取决于自身的抗压强度。

此外，集料的种类对混凝土的抗冻性能也有较大的影响。

3.2.3选用优质引气剂，注意气泡性质掺用引气剂是提高混凝土抗冻性的有效方法。

引气剂的主要缺点是加气混凝土的抗压强度随含气量的增加而降低，含气量每增加1％，抗压强度则降低3－5％。

在这种情况下，可以同早强剂和减水剂等复合使用，以弥补引气剂降低强度的不足。

[9]在混凝土中使用引气剂是提高混凝土抗冻性能的最为快捷有效的途径。

掺入引气剂，可在凝肢体内部产生大量直径500μm左右的球形封闭气泡，极大地提高了混凝土的抗冻性能。

从图4可以看出。

掺引气剂与否对混凝土抗冻性能影响甚大。

但掺引气剂易导致气泡尺寸偏大。

影响混凝土强度。

因此，掺高效减水剂能降低硬化混凝土的孔隙率，改善孔隙结构及分布状况，从而抵消因引气剂导入的气泡尺寸过大产生的负面影响。

图4 水灰比对水中养护28天混凝土抗冻性能的影响3.2．4 掺合料（1）粉煤灰的掺入到本世纪五、六十年代，粉煤灰作为一种工业废料，其活性性能被进一步研究和推广，不仅仅是为了节约水泥，更主要是为了改善和提高混凝土的性能。

美国加洲大学Mehta 教授指出[10]，应用大掺量粉煤灰(或磨细矿渣) ，是今后混凝土技术进展最有效、也是最经济的途径。

国内外有关资料表明：粉煤灰混凝土的抗冻能力随粉煤灰掺量的增加而降低，和相同强度等级的普通混凝土相比较，28d 龄期的粉煤混凝土试件抗冻耐久性试验结果偏低，随着粉煤灰混凝土技术的深入研究和发展，引气粉煤灰混凝土的抗冻耐久性研究已越来越多地引起人们的关注。

实验证明:当超细粉煤灰与硅灰相掺时，提高抗冻耐久性的效果尤为显著，其冻融循环300 次以后，动弹性模量与重量基本无变化，而钢纤维的进一步复合有利于混凝土抗冻耐久性的改善。

由此可见，双掺或多掺矿物的复合效应对混凝土抗冻耐久性的提高是值得研究的课题。

（2）硅粉的掺入近年来，硅粉混凝土也已应用于混凝土工程各个领域，其抗冻耐久性问题已引起人们的普遍重视，但关于硅粉混凝土的抗冻耐久性，各国学者结论各异。

日本的Yamato 等人通过试验得出结果：非引气混凝土当水/ (水泥+ 硅粉) = 0. 25 ，不管硅粉的掺量如何，皆具有良好的抗冻耐久性。

加拿大的Malhotra 等人通过试验得出:引气硅粉混凝土不管水灰比多少，硅粉掺量15 %以下时都具有较高的抗冻耐久性。

我国学者丁雁飞，孙景进(1991) 通过实验探讨了硅粉对混凝土抗冻耐久性的影响，得出结论：非引气硅粉混凝土的抗冻耐久性与基准混凝土比较，在胶结材总量相同，塌落度不变的条件_下，非引气硅粉混凝土的抗冻能力高。

范沈抚(1990) 得出：在相同含气量的情况下，掺15 %的硅粉混凝土比不掺硅粉的基准混凝土，气孔结构有很大的改善。

硅粉对抗冻耐久性有显著的效果，但硅粉的产量有限而且成本较高。

（3）矿渣的掺入磨细矿渣与混凝土内水泥水化生成的Ca (OH) 2结合具有潜在的活性，但磨细矿渣对提高混凝土的抗冻融性目前也不少研究。

张德思，成秀珍(1999)通过试验得出结论：随着矿渣掺量的增加，其混凝土的抗冻融性能愈差，但掺合比例合适时，抗冻性能与普通混凝土相比有较大改善。

[11]3.3严格限制混凝土的水灰比用加气的方法提高混凝土的抗冻性是必需的，但不应当认为加气混凝土的水灰比就可以放松限制，严格限制加气混凝土的水灰比对保证较高的抗冻性是十分必要的。

因为在含气量基本相同的条件下，加气混凝土中气泡尺寸及气泡间距随水灰比的增大而增大，同时可冻水的百分率也相应增加，从而导致混凝土的抗冻性能显著下降。

反之，水灰比越小，气泡平均尺寸及其间距随之减小，含气量相同的条件下，气泡个数增加，可以大大提高混凝土的抗冻性。

因此在技术规范和某些工程设计文件中对有抗冻性要求的混凝土提出了最大水灰比限制。

3.4 拌和及振捣方式总的来说，拌和时间越长，拌和机具效率越高，则拌和物中气泡分布越均匀数量越稳定，有利于提高混凝土抗冻性能。

三峡二期工程通过试验论证，确定混凝土的适宜拌和时间为120s，夏季加冰期间延长为150s。

此外，还必须考虑运输振捣时间的选择，振捣时间过短会导致混凝土不密实，形成蜂窝、麻面等缺陷，时间过长，则气泡逸出，运输时间过长也易造成含气损失，都不利于混凝土抗冻性能的提高。

4.混凝土抗冻耐久性在工程中的应用4.1 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。

4.2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。

4.3 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。

4.4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。

4.5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。

5.结语从以上论述可以看出，混凝土抗冻性受混凝土原材料、配合比参数及生产施工过程等因素的综合影响。

因此，必须从研究混凝土内部结构出发，深入剖析各种影响因素的作用机理，才能采取有针对性的措施，为提高混凝土的抗冻性能提供科学、合理的解决途径。

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