淺談混凝土防凍劑的作用

我國地域遼闊，在長江中下游、東北、華北、及內(nèi)蒙、青海、新疆等地，冬季氣溫都在- 5 ℃以下。低溫對混凝土十分不利，在這些地區(qū)的混凝土的破壞多數(shù)與凍融作用有關(guān)，混凝土在凍融循環(huán)作用下破壞是關(guān)系到建筑物使用壽命、工程質(zhì)量、安全等方面的重大問題。凍融破壞是混凝土水工建筑物損壞的主要形式之一，凍融破壞嚴(yán)重影響水工建筑的正常運行，必須充分認(rèn)識它的嚴(yán)重性，了解其破壞原因，采取正確的設(shè)計、施工和管理措施以減輕凍融破壞對建筑物的影響，就此問題國內(nèi)外混凝土專家對混凝土抗凍問題的研究日益重視，各自理論不斷提出，各種方法不斷采用，都力圖通過對混凝土受凍機(jī)理研究而找到提高混凝土抗凍性能的更有效、更經(jīng)濟(jì)、更實用的方法。

1 國內(nèi)外關(guān)于混凝土受凍機(jī)理的研究狀況如下

1.1 水轉(zhuǎn)化為冰的相變過程

常溫下硬化混凝土是由未水化的水泥、水泥水化產(chǎn)物、集料、水、空氣共同組成的氣- 液- 固三相平衡體系，當(dāng)混凝土處于負(fù)溫下時，其內(nèi)部孔隙中的水分將發(fā)生從液相到固相的轉(zhuǎn)變。對混凝土受凍破壞的現(xiàn)象，人們最初僅僅是以水結(jié)冰時體積膨脹9 %這一自然現(xiàn)象來解釋，認(rèn)為這種現(xiàn)象和盛滿水的密閉容器受凍后脹裂的破壞情況類似。當(dāng)孔溶液體積超過91 %時，溶液結(jié)冰后產(chǎn)生膨脹壓力使混凝土結(jié)構(gòu)破壞。但這種過于簡單的觀點無法解釋復(fù)雜的混凝土受凍破壞的動力學(xué)過程。而且試驗表明水飽和度低于91 %時，混凝土也可能受凍破壞。這說明混凝土受凍破壞的機(jī)理遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這么簡單。大量的研究表明影響混凝土受凍破壞的原因很多，其機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜。但從本質(zhì)上說，混凝土受凍破壞主要取決于混凝土中水的存在形式。

1.2 混凝土中水的存在形式及空隙中飽水程度

在混凝土硬化初期混凝土中水存在形式：

(1) 結(jié)晶水。如鈣礬石等晶體中所含的水稱結(jié)晶水，這部分水是不可能結(jié)冰的。

(2) 吸附水。也稱凝膠水，存在于各種水化物，如鈣礬石的膠凝孔中，因凝膠孔尺寸很小，一般為15 ! ～20 ! 之間僅比水分子大一個數(shù)量級，可認(rèn)為在自然條件下這部分水是不可能結(jié)冰的。

(3) 毛細(xì)孔水。存在于毛細(xì)孔中，這部分水是可凍的。由開文公式：rtln( pr/ po) = m/ d(2σ/ r)式中r 為氣體常數(shù)； t 為絕對溫度； pr 為曲率半徑為γ的毛細(xì)管中液體的蒸汽壓；po 為大體積液體的蒸汽壓；d 為水的密度；σ為表面張力；r 為毛細(xì)管中的液體曲率半徑。得知隨毛細(xì)孔半徑的減小，水蒸氣的冰點也隨之下降。例如：半徑為5 ! 的孔中純水冰點為- 5 ℃，而半徑為115 ! 孔中水要到 - 70 ℃才結(jié)冰。

(4) 游離水。也稱自由水，存在于各種固體顆粒之間，是可凍水。由此可見混凝土凍害是由于游離水和孔徑較大的毛細(xì)水結(jié)冰造成的。水轉(zhuǎn)化為冰體積約增大9 % ，若硬化混凝土孔隙中的游離水達(dá)到飽和，則會在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，使混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。

另一種類似的說法這樣表述，混凝土是一種水泥石，粗細(xì)骨料和各種氣孔組成的多相復(fù)合材料，其中孔徑在一定尺寸以上的毛細(xì)孔和混凝土拌合物拌和時裹入的大氣孔在含水時受凍，是造成混凝土受凍破壞的主要原因。當(dāng)溫度降低到0 ℃以下的某一溫度時，由于混凝土孔隙內(nèi)的水受凍而結(jié)冰對水泥石產(chǎn)生了膨脹壓力，當(dāng) 這種膨脹壓力過大而超過了水泥石的抗拉強(qiáng)度時，水泥石就會受到損害(如產(chǎn) 生微裂縫) 甚至于破壞。在一定負(fù)溫下混凝土受凍程度除了與水泥石本身強(qiáng)度有關(guān) 外，還與混凝土孔隙、及孔隙中飽水程度有關(guān)，尤其是孔結(jié)構(gòu)對混凝土抗凍性影響最大。混凝土中的孔隙一般分為水泥石中的凝膠孔、毛細(xì)孔和大氣孔等三種，因此凝膠孔不受凍害；孔徑較小的毛細(xì)孔(約320 ! 以下) ，由于其中水冰點極低，一般不也不受凍害；而1000 ! 以上的毛細(xì)孔則受凍融作用影響；大氣孔中的水結(jié)冰是混凝土受凍破壞的最主要危害因素。此理論基本上同于上一理論，混凝土中水的存在形式是由混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)決定的，混凝土中的毛細(xì)孔水和游離水也就是指存在于大氣孔中的水分。而混凝土受凍害程度與孔隙中飽水程度有關(guān)也就是肯定了水轉(zhuǎn)化成冰相變過程的說法。

1.3 靜水壓和滲透壓假說

靜水壓理論：混凝土在潮濕條件下，首先毛細(xì)孔吸滿水，混凝土在攪拌成型時都會帶一些大的空氣泡，這些空氣泡內(nèi)壁也能吸附水，但在常壓下很難吸滿水，總還能留有沒有水的空間。在低溫下毛細(xì)孔中水結(jié)成冰，體積膨脹，趨向于把未凍水推向大的空氣泡方向流動，這就形成靜水壓力。

滲透壓：是由孔內(nèi)冰與未凍水兩相的自由能之差引起的。冰的飽和蒸汽壓小于水的。這個蒸汽壓的差別推動未凍水向凍結(jié)區(qū)遷移，這就是滲透壓。