第五讲 混凝土的抗冻性

寒冷地区高性能混凝土耐久性研究方案设计
在-20℃下冻4h
在20℃的盐溶液中或水 中融化4h
图1 水中及盐溶液中冻融循环制度
ห้องสมุดไป่ตู้
在105℃下烘干12h
室温下冷却2h
在20℃盐溶液中或 水中浸泡24h
在20℃的盐溶液中或水中浸泡 6h
在-20℃下冻4h
图2 水中及盐溶液中冻融+干湿循环制度
混凝土在盐溶液中冻融循环试验
水中冻融剥离量
普通水中冻融剥 离量（Kg/m2） 多项式 (普通水 中冻融剥离量 （Kg/m2）)
100 150 200 冻融次数（N）
250
300
R2 = 0.9905
剥离量与冻融循环次数的关系
单面盐中冻融剥离量 4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0 5 10 15 20 25 30 35 冻融次数（N） R = 0.9941
配合比参数
M100/B (%) -0. 6 0. 4 0. 9
MA202/B (%)
DS/B （ %） -0. 75 -0. 75
Sp （ %） 38 40 38 40
-0. 012 -0. 010
*表中 C—水泥；F—粉煤灰；Si—硅灰； S—砂；G—石； W—水；M100—高效减水剂；
MA202—引气剂；DS—缓凝剂；B—胶结料，B=C+F+Si；Sp—砂率
结冰时水的体积膨胀9%，混凝土中毛细管含水率超 过临界值（91.7%），则结冰时产生的压力最大。 由于毛细管结冰膨胀产生的水压力可根据下式计算：
1 R P (1.09 ) ( L) 3 S K
： 水的粘性系数；
S： 水泥石毛细孔的含水率；

R ：水的结冰速度；
( L) ：与气孔大小、分布有关的函数；
试验结果
60 抗压强度损失率， fcu (%) 50 40 30 D-30 H-30 Hf-30 D-40 H-40
20
10 0 0
50
100
150
200
250
300
350
冻融次数
(a) 盐中冻融抗压强度损失率
70 fm (%) 60 50 40 30 20 D-30 H-30 Hf -30 D-40 H-40
（% ） 120 100 80 60 40 20 0 0.0 1.0 2.0 3.0
相对动弹性模 量（%） 相对轴心抗压 峰值应力（%）
剥离量（ Kg/m2 ）
盐溶液中快速冻融作用下混凝土剥离量与其性能参数之间的关系
（%） 120 100 80 60 40 20 0 0.0
水中单面冻融
相对动弹性模量 相对抗压强度
砂浆孔径分布微分曲线
15 Control Fiber
dV/dD (ml/g.μm)
10
SRA
5
0 100 10 1 0.1 Pore diameter (μm) 0.01 0.001
外加剂对混凝土抗冻性的影响
在众多的外加剂产品中,对混凝土抗冻性影响最显著 的主要是减水剂和引气剂。 1、减水剂对混凝土抗冻性的影响 在混凝土中加入减水剂,由于减水剂的分散、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。不过气泡大小不均,气泡直径 较大,壁膜较薄,且容易破坏,对混凝土抗冻性的改善并不 有显。因此减水剂的主要作用为改善混凝土的和易性, 增加密实度,提高强度及抗渗性。
2
剥离量（Kg/m2）
单面盐中冻融剥 离量 多项式 (单面 盐中冻融剥离 量)
试件底面在盐中浸泡，NaCl溶液浓度为4%
剥离量（Kg/m2） 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 30 冻融次数（N）
水中全浸慢冻 盐中全浸慢冻 单面盐溶液中冻融
不同冻融方式、浸泡方式下剥离量对比
盐溶液中快速冻融
K：水泥石渗透系数；
渗透压理论
含有未冻水的孔与含冰和离子溶液的大孔之间的渗 透压（毛细孔与凝胶孔内溶液之间的浓度差会引起凝胶 孔融液向毛细孔中扩散，从而形成渗透压），趋于平衡 使孔壁的压力增加。即使水中没有离子溶解时，水分子 从小孔到含冰孔扩散时也有类似渗透压作用。
Pw RT P ln V Pi
实验装置
实验方法
各种抗冻性方法的对比
（%）
120 100 80 60 40 20 0 0 50 100 150 200 250 冻融次数(N) 300
相对轴心抗压峰值 应力（%） 相对弹性模量 （%） 相对动弹性模量 （%）
相对动弹性模量和轴心抗压强度与冻融次数的关系
剥离量（Kg/m2） 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0 50
R ：气体常数（8.314 J· mol-1K-1）； T： 体系绝对温度（K）； V ：水的摩尔体积(0.018L/mol)； PW : 凝胶水的蒸气压(Pa)； Pt : 毛细孔内冰的蒸气压(Pa)；
二、混凝土抗冻性实验方法
慢速冻融法
我国最早采用的研究冻融破坏的方法，其具有周期 长，费工费时。
2.引气剂对混凝土抗冻性的影响
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 气剂并使其混凝土含气量达到一定要求的情况下， 混凝土的抗冻性可提高8~10 倍左右。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，要注意掺量的影响。
剥离量（Kg/m2）
冻融次数（N）
CDF法和ASTM C 672法冻融剥蚀量对比
三、混凝土抗冻性影响因素
外加剂对混凝土抗冻性的影响 水灰比对混凝土抗冻性的影响 强度对混凝土抗冻性的影响 掺合料对混凝土抗冻性的影响 骨料对混凝土抗冻性的影响 混凝土内部组成与结构对混凝土抗冻性 的影响
1.0
2.0
3.0
剥离量（Kg/m2）
单面水中冻融作用下混凝土剥离量与其相对动弹性模量之间的关系
5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0 5 10 15 20 25 30 35
普通混凝土单面盐中 冻融 高性能混凝土单面盐 中冻融 普通混凝土覆盖盐中 冻融 高性能混凝土覆盖盐 中冻融
静水压理论
1)冰首先在混凝土的受冻表面上，把试件内部密封起来； 2)由于结冰膨胀所造成的压力迫使水分向内进入饱和度较小 的区域； 3)混凝土渗透性较大时，形成水压梯度，对孔壁产生压力； 4)随着冷却速度的加快、水饱和度的提高和气孔间隔的增大 以及渗透性和气孔尺寸的减小，水压将会增高； 5)当水压超过了混凝土的抗拉极限强度时孔壁就会破裂，混 凝土受到损害； 6)如果在气温上升，冰随之融解，之后发生冻结，这种反复 出现的冻融交替具有累积的作用，使混凝土的裂缝扩张， 表面剥落直到完全瓦解。
图4-1 水中冻融循环试验之后的混凝土性能
混凝土在水中冻融循环试验
以上研究了混凝土在盐溶液中冻融耐久性，作为对比， 本论文同时采用GBJ82—85中规定的慢冻法对混凝土在 水中的冻融耐久性进行了研究，试验结果见图4-3 。
快速冻融法
具有速度快，结果准确，逐渐取代慢冻法。其实验 方法是根据G B J 50081-2002 标准 制定的.
单面冻融法
刚刚开始使用的一种冻融方法，国际上开展的研究 较多。代表性的方法是瑞典C I F法。
快速冻融法
G B J 50081-2002 标准的实验装置及方法
瑞典C I F法
第五讲
混凝土抗冻性
哈尔滨工业大学土木工程学院 巴恒静
混凝土内部组成
混凝土内部界面结构
混凝土内部组成与孔结构对混凝土抗冻性的影响
主要内容
概述 混凝土抗冻性实验方法 混凝土抗冻性的影响因素 环境对混凝土抗冻性的影响 提高抗冻性的技术措施 工程实例
一、概述
背景
在寒冷地区，混凝土常常是因为受冻融循 环破坏作用而导致耐久性下降甚至失效。所以， 研究寒冷地区高性能混凝土抗冻融耐久性具有 重要的现实意义。抗冻融耐久性是寒冷地区高 性能混凝土最重要、最直观的耐久性指标。此 外，因为混凝土受冻融破坏的主要原因是可冻 液体渗入混凝土孔隙中产生冻胀应力和渗透压 力所致，故混凝土抗冻融性也间接反映了混凝 土抗渗性等其它耐久性。
抗折强度损失率，
10
0 0 50 100 150 冻融次数 200 250 300 350
(b)盐中冻融抗折强度损失率
60
动弹模损失率， E (%) d
50
40
30 20 10 0
0
D -30 H -30 Hf -30 D -40 H -40
50
100
150
200
250
300
350
冻融次数
(c)盐中冻融动弹性模量损失率
表2 引气剂对混凝土抗冻性的影响
引气 剂 松香 皂 HY-1 M202 1.2/ 万 掺量 水灰 比 含气 量 2.7 坍落度（ mm） 60 55 65 D250次冻融循环后损失 率（%） 27 21 14
0.45
3.6 5.9
由表2可知所实验的三种引气剂的综合性能 M202优于其它两种引气剂，因此，混凝土配 合比中选择M202引气剂。 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 足之处，因此，特别适用于既有高抗冻又有高 强度要求的混凝土工程。
定义及混凝土冻害影响因素
混凝土的抗冻性能： 抵抗混凝土由于结冰产生冻胀破坏，能抵 抗冻胀破坏的能力。 冻胀破坏的主要因素： 潮湿或饱和水的混凝土，在寒冷的环境中受到 冻害的作用 受冻融循环的反复作用，可使质量好的混凝土 也往往发生开裂、剥落直到破坏
混凝土冻害破坏机理
关于混凝土的机理各国学者进行了很多研究， 并提出众多学说，如静水压理论、渗透压理论、 Tabar-Collins的冻胀学说、DUN Hudec的吸附水理 论、Litvan理论、Cady的双机制理论、Zbigriew Rusin的混凝土骨料受冻膨胀理论以及R.Piltner等人 利用应力分析理论对混凝土中冰的形成进行理论研 究，但至今尚未完全清楚。其中以美国的 T.C.Powers提出的静水压理论、Powers Helmuth的 渗透压理论较受重视。
在寒冷地区道路及桥梁工程中，混凝土冻害是 最主要耐久性破坏形式，当使用除冰盐(常用NaCl、 CaCl2)时，混凝土冻害将急剧增大，同时还会引起 混凝土严重剥蚀和钢筋锈蚀。在北方寒冷地区盐碱 地、港口码头或海洋混凝土工程中，混凝土受冻破 坏现象也十分严重，其原因就是因为盐类溶液对混 凝土产生更剧烈冻融破坏。所以，寒冷地区高性能 混凝土必须能经受得住盐溶液的冻融作用。盐溶液 中冻融试验结果见图4-1。
混凝土
单位体积材料用量
强度等 编 号 级
D-40 C40 H-40 D-60 C60 H-60
混凝土
(kg/m3)
C 360 288 530 397 .5 F -72 -106 Si ---26. 5 S 700 737 667 702 G 1143 1106 1088 1053 W 144 144 170 170 W/B 0. 40 0. 40 0. 32 0. 32
表1 .减水剂对C30混凝土抗冻性的影响
减水 剂 木钙
掺量
水灰 比
坍落度
160mm
抗压强度 （28d） 40.37MPa
D250次冻融循环后损 失率 38%
FDN
花王
0.6 %
0.35
185mm 190mm
43.26 MPa
44.59 MPa
31%
24%
由表1可知所实验的三种减水剂的综合性能花王优于其它两 种减水剂，因此，混凝土配合比中选择花王减水剂。
强度及掺和料对混凝土抗冻性的影响
四、环境对混凝土抗冻性的影响
混凝土在盐溶液中冻融循环试验 混凝土在水中冻融循环试验 混凝土在水中冻融+干湿循环试验 混凝土在盐溶液中冻融+干湿循环试验 混凝土在水中干湿循环试验 混凝土在盐溶液中干湿循环试验
寒冷地区高性能混凝土的配制
表 1 混凝土配合比*