混凝土抗凍理論及應(yīng)用

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1、引 言
    混凝土受凍害損傷可以區(qū)分為兩種情況：（1）剝落脫皮是由于凍融引起的混凝土表面材料的損傷；（2）內(nèi)部損傷是表面沒有可見效應(yīng)而在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的損害，它導致混凝土性質(zhì)改變（如動彈性模量降低）。至于新拌混凝土受凍害損傷后則會導致混凝土凍脹破壞。黃延高速公路第六合同段位于陜北地區(qū)，常年負溫為130d左右，防治混凝土受凍害損傷在冬季施工中具有重大意義。
    2、混凝土受凍害損傷有關(guān)原因
    2．1 新拌水泥混凝土的受凍害損傷的原因
    新拌混凝土的強度低、空隙率高、含水多，極易發(fā)生凍脹破壞。凍脹破壞的外觀特征是材料體內(nèi)出現(xiàn)若干的冰夾層，彼此平行而垂直于熱流方向。其過程為：結(jié)構(gòu)物表面降溫冷卻時，冷流向材料體內(nèi)延伸，在深處某水平位置開始凍結(jié)，一般從較粗大孔穴中水分開始，冰晶形成后從間隙吸水，發(fā)育增長，且是不可逆轉(zhuǎn)的過程，水分從材料未凍水或從外部水源補給，并進行宏觀規(guī)模的移動。第一層孔穴中冰凍后，在冰晶生長的過程中，材料質(zhì)體受到拉應(yīng)力σt，如果超過抗拉強度即破壞。
    2．2 成熟混凝土受凍害損傷有關(guān)原因
    混凝土構(gòu)件中的孔徑分為三個范疇，即凝膠孔、毛細孔及氣泡，在某一固定負溫下混凝土構(gòu)件中水分只有一部分是可凍水，可凍水產(chǎn)生多余體積直接衡量冰凍破壞威力。
    可凍水（即冰）主要集中在水泥石及骨料顆粒的毛細孔中，凝膠水由于表面的強大作用不大可能就地凍結(jié)，氣泡水易凍結(jié)?；炷翗?gòu)件中各種孔徑的空隙可認為連續(xù)分布，分布在這些空隙中的水在降溫過程中將按順序逐步凍結(jié)，不可能同時凍結(jié)。凍水一般是溫度的逆函數(shù)，溫度愈低，可凍水愈多。
    連續(xù)的毛細管溝網(wǎng)絡(luò)體系破壞過程；隨著水化進展凝膠體生成，網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)系被破壞、分成個別孤立的毛細孔（水在其中凍結(jié)的容器），而凝膠連同其特征性凝膠孔和少數(shù)細小毛孔就構(gòu)成透水器壁。隨著水化深入，材料質(zhì)地致密及溫度的下降，將有更多細小空間的水參與冰凍，作為器壁的凝膠的滲水性也不斷減小。
    當冰凍多余水受水壓力推動向附近氣泡（逃逸邊界）排除時，材料本身將受到推移水分前進的后應(yīng)反作用力導致受拉破壞。材料組織愈致密水流宣泄不及，疏導不暢引起的動水壓力增大。
    水泥漿中包含的一般是鹽類稀溶液，一旦冰凍后變?yōu)榧儽蜐舛雀叩娜芤海浑S著溫度下降，濃度不斷提高。另一方面鄰近凝膠中水分始終保持不凍，其溶液濃度保持原有的水平，于是在毛細孔溶液和凝膠水之間出現(xiàn)濃度差。濃度差使得溶劑向溶液中自發(fā)擴散滲透，即溶質(zhì)向凝膠水中擴散，而凝膠水向毛細孔中濃溶液轉(zhuǎn)移。其結(jié)果毛細孔中水分增加，和冰接觸的溶液稀釋，冰晶逐漸生長，長大。當毛細孔穴充滿冰和溶液時，冰晶進一步生長必將產(chǎn)生膨脹壓力，導致破壞。
    另一方面在水壓的情況下，水分凍結(jié)膨脹，多余水在壓力推動下外流，流向可能消納水分的未凍地點；作為水流的結(jié)果壓力消失，析冰情況正好相反：水分不是從冰凍地點外流，而是從未凍地點（凝膠）流向已凍冰地點（毛細孔），方向恰好相反。未凍地點的水移動一定距離后，最后以冰凍結(jié)束，作為水流運動的結(jié)果產(chǎn)生壓力。
    以上兩點可以綜合為：第一階段毛細孔中始發(fā)的冰凍，向所有方向產(chǎn)生的水壓力，引起內(nèi)應(yīng)力；第二階段較大毛細孔中水分首先生成冰晶，可從小孔中吸引未凍結(jié)水使自身增長，產(chǎn)生靜應(yīng)力。
    骨料作為一個組分，如果冰凍膨脹同樣會成為導致混凝土破裂的應(yīng)力來源；為了保證混凝土完好，必須要求骨料和水泥凈漿兩者都不破壞。由于引氣混凝土的廣泛使用，水泥凈漿的抗凍性較易保證；從這個意義上來說，骨料抗凍性更具有突出意義。如顆粒大到一定限度以上，核心存在的距離任何逃逸邊界均在臨界尺寸以上的保水區(qū)域，此時將因超過骨料破裂強度的內(nèi)部水壓力而破裂，這就是臨界儲存效應(yīng)。凡屬中等吸水、細孔結(jié)構(gòu)、滲透較低的巖石，這種危險較突出；空隙多、滲透性強的骨料臨界尺寸也很大。在特殊情況巖石吸水率極低（如重量吸水在0．5%以下的石英巖），可凍水極少，冰水是無滲應(yīng)力出現(xiàn)；根據(jù)施工經(jīng)驗應(yīng)避免使用高度吸水骨料，小顆粒石?？梢缘玫捷^大抗凍保證。
    綜上所述，混凝土材料的抗凍性是以下三方面的變函數(shù)即：（1）材料的性質(zhì)（強度、變形、空隙情況）；（2）氣候條件（凍融循環(huán)次數(shù)、最低溫度、降溫速度、降水量、空氣相對濕度等）；（3）材料使用方式（降水量、自由水及跨越材料的蒸氣壓梯度與溫度梯度）。區(qū)分這幾方面變數(shù)將構(gòu)成研究這一復(fù)雜問題的一個根本方式的轉(zhuǎn)變，這樣我們就有可能正確預(yù)言材料在指定環(huán)境中的抗凍能力。
    3、利用抗凍理論在工程上應(yīng)用
    根據(jù)材料的抗凍性上述的函數(shù)，在施工實踐 中采取的抗凍施工措施如下：
    采取摻用防凍劑以降低新拌水泥混凝土的內(nèi)部水溶液冰點以及干擾冰晶生長，有效保護未成熟混凝土不受凍脹破壞，在負溫條件下能夠繼續(xù)水化。
    采取摻用引氣劑，引氣不僅在表面無冰時減輕大體積冰誘導冰凍的出現(xiàn)，并且在過程中也減輕了冰擠出的損害，消納更多的毛細孔中冰凍所產(chǎn)生的多余體積，有助于保護成熟混凝土免于傷害。
    配合比設(shè)計采取高效減水劑盡量降低水灰比并經(jīng)過充分水化，就有可能做出實際上不包含可凍水的飽和混凝土構(gòu)件。不包含毛細水（或數(shù)量很少）的混凝土構(gòu)件，由于凝膠中空間極微細，結(jié)晶的始發(fā)十分困難，并不發(fā)生凍結(jié)，故施工中盡量不使用粉煤灰作為外摻料加入混凝土。
    選用巖石吸水率較低（如重量吸水在0．5%以下的巖石），可凍水極少，骨料表現(xiàn)安全，不受冰凍傷害，同時使用小顆粒石?？梢缘玫捷^大抗凍性保證。