混凝土冻融破坏研究现状_李金平

混凝土冻融破坏研究现状＊

李金平　盛　煜　丑亚玲

(中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室　甘肃兰州　730000)

摘　要　主要从混凝土的冻融破坏机理、影响因素及提高混凝土抗冻性的措施三方面入手,总结和分析了混凝土的冻融破坏研究现状。认为,目前最为主要的冻融破坏理论是膨胀压力理论和渗透压力理论。还总结了当前提高混凝土抗冻性的几项基本措施。

关键词　混凝土　冻融破坏　冻融破坏机制　引气剂

引言

某些混凝土工程的过早破坏,其原因不是由于强度不足,而是由于混凝土耐久性不良,且大多数与混凝土冻融作用有关。低温对混凝土不利,例如在港口工程、铁路、桥涵、混凝土路面工程、城市立交桥工程以及北方严寒地区的工业与民用建筑等混凝土结构中,都存在着不同程度的冻融破坏。较为典型的工程如东北的云峰水电站,大坝建成运行不到10年,溢流坝表面混凝土冻融破坏面积就高达10000m2,占整个溢流坝面积的50%左右,混凝土平均冻融剥蚀深度达10cm以上。

1　混凝土的冻融破坏机理

混凝土的冻结破坏过程是比较复杂的物理变化过程。混凝土是由硬化的水泥浆体和骨料组成的含毛细孔的复合材料,为了获得浇筑混凝土所必须的和易性,其拌和水量总多于水泥水化所需的水量,多余的水就滞留在混凝土中,形成占有一定体积的连通毛细孔。于是常温下硬化混凝土就是由未水化的水泥、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,其内部孔隙中的水分将发生从液相到固相的转变。因此那些连通的毛细孔就是导致混凝土遭受冻害的主要因素。但是目前关于混凝土冻融破坏机理众说纷纭。在这方面T.

C.Powers和R.A.Helmuth等人的研究工作为混凝土的冻融破坏机理奠定了理论基础。到目前为止,提出的混凝土冻融破坏理论有很多种。沙际得认为目前提出的混凝土冻融破坏机理有六种,即水的离析层理论、膨胀压理论、渗透压理论、充水系数理论、临界饱水值理论和孔结构理论。而张子明等认为混凝土的冻融破坏理论,按其发展大致有四种:“奶瓶”理论、膨胀压力理论、渗透压力理论、Livtan理论。但目前公认程度较高的,仍是由美国学者T.C.Powers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。

1.1　膨胀压力理论

在一定负温下混凝土中的毛细孔水发生物态变化,由水变成冰,体积膨胀9%,因受毛细孔壁约束形成膨胀压力,从而在孔周围的微观结构中产生拉应力。这种在负温下因水体积膨胀而产生膨胀压力从而导致的破坏,主要取决于混凝土中水的存在形式及其内部微观孔隙结构和外界正负温度变化等因素。

在混凝土硬化初期混凝土中水存在的形式:①结晶水,这部分水是不可能结冰的;②吸附水,也称凝胶水,存在于各种水化物,因凝胶孔尺寸很小,一般低温不结冰,须在-78℃以下成冰。这部分水可认为在自然条件下是不可能结冰的,也就无冻融破坏作用;③毛细孔水,存在于毛细孔中,这部分水是可冻的,且毛细孔中水蒸气的冰点随毛细孔半径的减小而下降;④游离水,也称自由水,存在于各种固体颗粒间,是可冻水。

由此可见混凝土冻害是由于游离水和孔径较大的毛细水结冰造成的。若硬化混凝土孔隙中的游离水达到饱和,水转化为冰体积约增大9%,则膨胀会在混凝土内部产生内应力,使混凝土结构发生破坏。Powers于1949年提出了计算混凝土中毛细孔水由于结冰膨胀,向邻近的气孔排出多余的水分时,所产生的最大压力的计算公式。

P m ax=η(1.09-1/s)μc(λ/3)κ(1)式中　η为水的粘性系数;s为混凝土中毛细孔的饱水度;μc为水的冻结速率;κ为渗透率;λ为孔隙水到溢出边界的最大距离。

该理论主要说明孔隙饱水程度和含气量(λ随着气泡孔隙的增加而减低)对混凝土冻融破坏的影响,并且注意到与渗透率直接相关的毛细孔隙率的重要性。所以在一定负温下混凝土受冻程度与混凝土孔隙结构及孔隙中饱水程度等有很大的关系。

混凝土孔隙水的存在是混凝土发生冻融破坏的必要条件之一,另一必要条件是外界气温正负变化,使混凝土孔隙中的水反复发生冻融循环,这就验证了混凝土的冻融破坏与混凝土中孔隙水存在的形式、混凝土的内部结构、外界冻结温度等因素有关。这也是膨胀压力理论被一直应用的缘由。

1.2　渗透压力理论

由于仅以水结冰时体积膨胀9%的观点无法解释复杂的混凝土受冻破坏的动力学过程,而且试验也表明水饱和度低于91%时,混凝土也可能受冻破坏。这就迫使人们对混凝土冻融破坏的机理作进一步研究,并由此得出了渗透压力理论。渗透压力是由孔内冰与未冻水两相的自由能之差引起的。在一定的温度

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李金平等:混凝土冻融破坏研究现状

＊中国科学院知识创新工程重大项目(KZCX1-S W-04)。

李金平,男,博士研究生。

下,由于冰的自由能小于液态水的自由能。在冻结

时,凝胶孔中的水流向毛细孔,当水到达毛细孔时,产生冻结,冰的体积增加。当毛细孔水结成冰时,凝胶孔中过冷水在混凝土微观结构中迁移和重分布从而引起渗透压。王立久等指出:由于表面张力的作用,混凝土毛细孔隙中水的冰点随着孔径的减小而降低,在大孔隙中的水结冰时,凝胶孔中的水还未结冰,处于过冷状态,这时过冷水的蒸汽压要大于冰的蒸汽压,从而引起水分的迁移形成渗透压,过冷水的迁移渗透,必然使毛细孔中冰的体积不断增大,从而形成更大压力,进而损伤混凝土的微观结构。如果混凝土常年处在这种冻融循环中,损伤会不断地积累,逐步扩大,使混凝土内部孔隙及裂缝逐渐增大、扩展,并互相连通,从而使混凝土产生由表及里的剥蚀,进而造成混凝土的破坏。

在冻融循环下,膨胀压理论和渗透压理论都认为是内部压力造成混凝土的破坏。冻融循环对混凝土的破坏是水转变为冰的体积膨胀造成的水膨胀压力和冰水蒸汽压差别造成的渗透压力共同作用的结果。对于二者在破坏中何者为主要原因许多学者持不同见解。Erland M .Schulson 在报告中指出哪种破坏机理更重要要看冻融循环的时间,如果冷却发生得非常缓慢,用渗透压理论分析可能比较合适;如果冻结很快,用膨胀压力理论分析可能比较适合。目前对建立平衡多慢才是足够的慢还在进一步探索中;湖南大学的李天援教授从理论分析及实验现象出发验证静水压和渗透压的大小、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;Powers 根据多年的实验和研究,也认为水是造成混凝土受冻破坏的主要原因,且现行的有抗冻要求的混凝土都对其水灰比做出限制,水灰比越小其抗冻性越好,如果混凝土的孔隙水都达不到饱和,也就不存在冻胀破坏和水分迁移等等。

综上所述,混凝土受冻破坏主要是混凝土中可冻水在结冰时体积膨胀而产生了静水压、渗透压、水分迁移,促使结构破坏,是水的运动对混凝土结构影响造成的破坏。同时也与一些相关因素,如混凝土中水存在的形式、孔隙的饱水程度、干燥程度、外界正负温的变化等相关。通过对混凝土抗冻机理的进一步总结了解,我们相信会找到更加完善的方案来提高混凝土的抗冻性能的。

2　影响混凝土冻结破坏的因素

影响冻融破坏的因素,大致可分为几类。内部因素:如集料、水泥、外加剂、水灰比、含气量等,即混凝土本身的质量;外部因素:如冻融温度、冻融速率、外加荷载等,即影响混凝土的工作环境条件;施工因素:如配合比、养护条件等。这些因素是互相关联,互相制约的,它们综合起来决定着混凝土冻融破坏的程度和速度。2.1　水灰比

水灰比直接影响混凝土的孔隙率及孔结构。严格限制水灰比对保证混凝土有较高抗冻性是十分必要的。水灰比越低,混凝土中孔隙率就越小,大孔隙也越少,水的渗透性就越差。相应的,混凝土抵抗冻融

破坏的能力就越强。水灰比不仅影响混凝土的冻融破坏能力,而且对混凝土的强度也有一定影响,且其强度随着孔隙率(由水灰比决定)的降低而增加。2.2　含气量

混凝土中的细微气孔对提高混凝土的抗冻性起着很重要的作用。引入合理的封闭气泡有助于缓冲应力作用和渗透作用,从而提高混凝土的抗冻性能,引气混凝土就是利用这一性质来抵抗冻融破坏的。实验证明,当引气量适当时,水灰比对混凝土的抗冻性影响很小,但水灰比却是影响气泡尺寸和间距的重要因素,气泡间距又是影响混凝土抗冻融能力的最直接因素,混凝土气泡尺寸与水灰比成正比。说明即使在低水灰比下,当要求混凝土有抗冻性能时,仍然必须引气,而且必须控制混凝土合理的含气量。2.3　混凝土的饱水状态

混凝土的冻害与其孔隙的饱水程度密切相关,一般认为含水量小于孔隙体积的91.7%就不会产生冻结膨胀压力,该数值被称为极限饱水度。在混凝土完全饱水状态下,其冻结膨胀压力最大,混凝土最易破坏;而混凝土饱水程度足够低时,混凝土将不会产生冻害。混凝土的饱水程度主要与混凝土结构的部位及其所处的自然环境有关。在大气中使用的混凝土结构,其含水量均达不到该值的极限,而处于潮湿环境的混凝土,其含水量要明显增大,最不利的部位是水位变化区,此处的混凝土经常处于干湿交替变化的条件下,受冻时极易破坏。混凝土表层含水率通常大于其内部的含水率,且受冻时表层温度均低于其内部的温度,所以冻害往往是由表层开始逐步深入发展的。2.4　混凝土的强度

混凝土的强度是混凝土力学性能的考核指标和工程验收标准。一般混凝土的强度越高,其结构越致密,抵抗冻融破坏的能力也就越强;水泥强度越高,抗冻性一般也越好;但在实际应用中,由于高水泥用量在早期和后期易产生裂纹,使混凝土在受冻融作用时易产生质量劣化。所以在北方地区,特别是严寒地区,应正确选择混凝土的强度,不要片面认为强度高就抗冻。2.5　冻结温度和冻结速率

李金玉等通过实验证明冻结温度对混凝土的冻融破坏有明显的影响。冻结温度越低,混凝土抗冻融破坏的能力越差。此外,冻结速率对混凝土的冻融破坏也有一定的影响,且随着冻融速率的提高,冻融破坏力加大,混凝土容易破坏。实验结果,见表1。

表1　冻结温度和冻结速率对混凝土的影响结果表

编号冻结温度/℃动弹模下降40%时冻融循环次数冻结速率/(℃·min -1)弹性模量下降

40%时循环数

1-51330.1772-10120.20

5

3

-17

7

从表1看,由于试验所测数据有限,得出的结论

也只是一种推断,要彻底了解冻结温度和冻结速率是怎样影响混凝土冻融破坏的,还需要做更多的试验和进一步的研究分析。

·2·全国中文核心期刊 路基工程 2007年第3期(总第132期)