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，混凝土在凍融循環(huán)作用下破壞是關系到建筑物使用壽命、工程質量、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，凍融破壞嚴重影響水工建筑的正常運行，必須充分認識它的嚴重性，了解其破壞原因，采取正確的設計、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理研究而找到提高混凝土抗凍性能的更有效、更經濟、更實用的方法。

1 國內外關于混凝土受凍機理的研究狀況如下

1.1 水轉化為冰的相變過程

常溫下硬化混凝土是由未水化的水泥、水泥水化產物、集料、水、空氣共同組成的氣- 液- 固三相平衡體系，當混凝土處于負溫下時，其內部孔隙中的水分將發(fā)生從液相到固相的轉變。對混凝土受凍破壞的現(xiàn)象，人們最初僅僅是以水結冰時體積膨脹9 %這一自然現(xiàn)象來解釋，認為這種現(xiàn)象和盛滿水的密閉容器受凍后脹裂的破壞情況類似。當孔溶液體積超過91 %時，溶液結冰后產生膨脹壓力使混凝土結構破壞。但這種過于簡單的觀點無法解釋復雜的混凝土受凍破壞的動力學過程。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理遠遠不止這么簡單。大量的研究表明影響混凝土受凍破壞的原因很多，其機理相當復雜。但從本質上說，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) 結晶水。如鈣礬石等晶體中所含的水稱結晶水，這部分水是不可能結冰的。

(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，可認為在自然條件下這部分水是不可能結冰的。

(3) 毛細孔水。存在于毛細孔中，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 為毛細管中的液體曲率半徑。得知隨毛細孔半徑的減小，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水結冰造成的。水轉化為冰體積約增大9 % ，若硬化混凝土孔隙中的游離水達到飽和，則會在混凝土內部產生內應力，使混凝土結構發(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，粗細骨料和各種氣孔組成的多相復合材料，其中孔徑在一定尺寸以上的毛細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。當溫度降低到0 ℃以下的某一溫度時，由于混凝土孔隙內的水受凍而結冰對水泥石產生了膨脹壓力，當這種膨脹壓力過大而超過了水泥石的抗拉強度時，水泥石就會受到損害(如產生微裂縫) 甚至于破壞。在一定負溫下混凝土受凍程度除了與水泥石本身強度有關外，還與混凝土孔隙、及孔隙中飽水程度有關，尤其是孔結構對混凝土抗凍性影響最大?；炷?土中的孔隙一般分為水泥石中的凝膠孔、毛細孔和大氣孔等三種，因此凝膠孔不受凍害；孔徑較小的毛細孔(約320 ! 以下) ，由于其中水冰點極低，一般不也不受凍害；而1000 ! 以上的毛細孔則受凍融作用影響；大氣孔中的水結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構決定的，混凝土中的毛細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也就是肯定了水轉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。在低溫下毛細孔中水結成冰，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區(qū)遷移，這就是滲透壓。