黃福鎖　李艷華

由于混凝土組成的材料具有一定的吸水性,又長期處在水環(huán)境中,因而材料內(nèi)部總是含有一定的水分,并在負(fù)溫條件下凍結(jié)成冰,體積就會發(fā)生膨脹?當(dāng)這種膨脹作用引起的應(yīng)力超過混凝土強(qiáng)度時(shí),就會發(fā)生裂縫并增加吸水性,如此隨著凍融的多次循環(huán),,最終導(dǎo)致混凝土的破壞?混凝土凍融破壞在我國北方地區(qū)非常普遍,包括大?中?小型水工混凝土工程都存在不同程度的混凝土的凍融剝蝕破壞?

1 混凝土凍融破壞的機(jī)理

混凝土是由水泥砂漿及粗骨料組成的毛細(xì)孔多孔體?在拌制混凝土?xí)r為了得到必要的和易性,加入的拌合水總要多于水泥的水化水?這部分多余的水便以游離水的形式滯留于混凝土中形成連通的毛細(xì)孔,并占有一定的體積?這種毛細(xì)孔中的自由水就是導(dǎo)致混凝土遭受凍害的主要內(nèi)在因素?因?yàn)樗隼浣Y(jié)冰會發(fā)生體積膨脹,引起混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞?混凝土處于保水狀態(tài)時(shí),當(dāng)毛細(xì)孔中的水結(jié)冰,膠凝孔中的水就處于過冷狀態(tài)?因?yàn)榛炷量紫吨行纬杀说臏囟仍?78℃以下?膠凝孔中處于過冷狀態(tài)的水分因?yàn)槠湔羝麎焊哂谕瑴囟认卤恼羝麎憾蛎?xì)孔中冰的界面處滲透?于是在毛細(xì)孔中又產(chǎn)生一種滲透壓力?此外,膠凝水向毛細(xì)孔滲透壓力兩種壓力?當(dāng)這兩種壓力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí),混凝土就會開裂?經(jīng)過反復(fù)凍融循環(huán),混凝土中的損傷會不斷擴(kuò)大,逐步積累?經(jīng)過一定的凍融循環(huán)后,混凝土中的裂縫會相互貫通,其強(qiáng)度也逐漸降低,最后甚至完全喪失,使混凝土結(jié)構(gòu)由表及里遭受破壞?

2 影響混凝土抗凍性的主要因素

混凝土的抗凍性與內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)?水飽和程度?受凍齡期?混凝土的強(qiáng)度等因素有關(guān)?而混凝土的孔結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度又主要取決于其水灰比?有無外加劑及養(yǎng)護(hù)方法等,如:

2.1 水灰比

水灰比直接影響混凝土的孔隙率及孔結(jié)構(gòu)?隨著水灰比的增大,不僅可飽水的開孔總體積增加,而且平均孔徑也增大,因而混凝土的抗凍性必然降低?國內(nèi)外有關(guān)規(guī)范均規(guī)定了用于不同環(huán)境條件下的混凝土最大水灰比及最小水泥用量?

2.2 含氣量

含氣量也是影響混凝土抗凍性的主要因素,特別是加入引氣劑形成的微細(xì)氣孔對提高混凝土抗凍性尤為重要?這些互不連通的微細(xì)氣孔在混凝土受凍初期能使毛細(xì)孔中的靜水壓力減少,起到減壓作用?在混凝土受凍結(jié)冰過程中這些孔隙可阻止或抑制水泥漿中微小冰體的生成?每一種混凝土拌合物都有一個(gè)可防止其受凍的最小含氣量?

2.3 混凝土的飽水狀態(tài)

混凝土的凍害與其孔隙的飽水程度緊密相關(guān)?一般認(rèn)為含水量小于孔隙總體積的91.7%就不會產(chǎn)生凍結(jié)膨脹壓力,該數(shù)值被稱為極限飽水度?在混凝土完全飽水狀態(tài)下,其凍結(jié)膨脹壓力最大?混凝土的飽水狀態(tài)主要與混凝土結(jié)構(gòu)的部位及其所處自然環(huán)境有關(guān)?

2.4 混凝土受凍齡期

混凝土的抗凍性隨其齡期的增長而提高?因?yàn)辇g期越長,水泥水化越充分,混凝土強(qiáng)度越高,抵抗膨脹的能力越大?這一點(diǎn)對早期受凍的混凝土更為重要?

2.5 水泥品種及集料質(zhì)量

混凝土的抗凍性隨水泥活性增高而提高?普通硅酸鹽水泥混凝土的抗凍性優(yōu)于混合水泥混凝土,更優(yōu)于火山灰水泥混凝土的抗凍性?混凝土集料對抗凍性的影響主要體現(xiàn)在集料吸水量的影響及集料本身抗凍性的影響?

2.6 外加劑及摻合料的影響

減水劑?引氣劑及引氣減水劑等外加劑均能提高混凝土的抗凍性?引氣劑能增加混凝土的含氣量,而減水劑則能降低混凝土的水灰比,從而減少孔隙率,最終都能提高混凝土的抗凍性?

3 提高混凝土抗凍性的措施

3.1 摻用引氣劑和減水劑及引氣型減水劑

摻引氣劑是提高混凝土抗凍性的主要措施?根據(jù)我國交通部一航局對天津新港北坡堤的調(diào)查可知,不加引氣劑的混凝土使用15年即出現(xiàn)表面剝落等凍害現(xiàn)象,而加引氣劑的混凝土則無凍害?日本研究成功一種非引氣型表面活性劑,摻量為水泥重量的2%~4%時(shí),這種表面活性劑可使混凝土的耐久性指數(shù)提高50%~90%?這種外加劑是烴基及醇基胺類化合物,其引氣量雖少,但氣泡很細(xì)且均勻分散,因此對提高混凝土抗凍性非常有利?

3.2 嚴(yán)格控制水灰比,提高混凝土密實(shí)性

水灰比是影響混凝土密實(shí)性的主要因素,為了提高混凝土的抗凍性也必須從降低水灰比人手?當(dāng)前較為有效的方法是摻減水劑特別是高效減水劑?許多研究成果及生產(chǎn)實(shí)踐證明摻入水泥重量的0.5%~1.5%的高效減水劑可以減少用水量15%~25%,使混凝土強(qiáng)度提高20%~50%,抗凍性也能相應(yīng)的提高?

3.3 加強(qiáng)早期養(yǎng)護(hù)或摻入防凍劑防止混凝土早期受凍

常用的熱養(yǎng)護(hù)方法有電熱法?蒸汽養(yǎng)護(hù)法及熱拌混凝土蓄熱養(yǎng)護(hù)法?目前我國常使用的還是蒸汽養(yǎng)護(hù)法,但耗汽量很大?早強(qiáng)劑?防凍劑目前仍以氯鹽?亞硝酸鹽為主?三乙醇胺復(fù)合早強(qiáng)劑使用也較普遍?近幾年我國開始研制和應(yīng)用無氯鹽早強(qiáng)減水劑和防凍劑?中國建筑科學(xué)研究院混凝土研究所研制成功的SJ型早強(qiáng)減水劑和防凍劑均不含氯鹽和鉻鹽,對鋼筋無銹蝕作用,在負(fù)溫條件下使混凝土具有較強(qiáng)的抗凍害能力,從而能保證冬季正常施工?