混凝土凍融循環(huán)破壞研究

楊俊泉

(承德市地方道路管理處)

1 引言

自從波特蘭水泥問(wèn)世以來(lái)，混凝土結(jié)構(gòu)已成為基本建設(shè)工程中最為常用的建筑形式之一。近年來(lái)，隨著人們對(duì)混凝土耐久性認(rèn)識(shí)的提高，在各種設(shè)計(jì)規(guī)程中，均把耐久性列為混凝土的一項(xiàng)重要指標(biāo)，混凝土的耐久性問(wèn)題日益為人們所關(guān)注。人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到已建工程并非都是耐久的，過(guò)早破壞的事例層出不窮。這些過(guò)早“衰老”的工程不僅需要耗用龐大的重建與維修費(fèi)用，還會(huì)造成間接經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患，有些發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)為此付出了巨大代價(jià)?？箖鲂允腔炷聊途眯缘囊粋€(gè)重要指標(biāo)，是諸耐久性指標(biāo)的集中體現(xiàn)。因此，混凝土的抗凍耐久性引起國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的研究興趣。

我國(guó)地域遼闊，有相當(dāng)大的地區(qū)處于嚴(yán)寒地帶，不少水工建筑物出現(xiàn)了凍融破壞現(xiàn)象，如地處寒冷地區(qū)的水電站、工業(yè)廠房、鐵道橋涵、混凝土路面、橋梁及市政工程等的混凝土。其凍融破壞已成為混凝土建筑物老化病害的主要問(wèn)題之一，嚴(yán)重影響了建筑物的長(zhǎng)期運(yùn)行和安全運(yùn)行。為此，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)混凝土的抗凍性進(jìn)行了深入研究。

2 混凝土凍融破壞機(jī)理

混凝土的凍融破壞是一個(gè)復(fù)雜的物理過(guò)程。一般認(rèn)為混凝土的凍融破壞是其內(nèi)部產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)力作用的結(jié)果。當(dāng)環(huán)境溫度下降時(shí)，由于表面混凝土溫度降低較快，而內(nèi)部混凝土溫度降低較慢，因而在內(nèi)外混凝土之間就形成溫度梯度。當(dāng)溫度低于0℃時(shí)，靠近混凝土表面的粗大孔隙中的水就開始結(jié)冰。隨著溫度的繼續(xù)下降，混凝土內(nèi)部細(xì)小孔隙中的水分將會(huì)逐步凍結(jié)。此時(shí)，水結(jié)冰產(chǎn)生體積膨脹與過(guò)冷水發(fā)生遷移，都將會(huì)引起各種壓力。當(dāng)壓力超過(guò)混凝土能承受的應(yīng)力時(shí)，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生新的細(xì)微裂紋。當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，混凝土內(nèi)孔隙水解凍，細(xì)小孔隙及新產(chǎn)生微細(xì)裂紋因毛細(xì)現(xiàn)象而吸水飽滿，與其相連的粗大孔隙也會(huì)得到水分供給。上述凍融過(guò)程重復(fù)發(fā)生時(shí)，混凝土內(nèi)部孔隙及微裂縫逐漸增大、擴(kuò)展并互相連通，使得新裂縫不斷產(chǎn)生。當(dāng)循環(huán)達(dá)到一定程度時(shí)，就發(fā)生由表及里的混凝土凍融破壞。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于混凝土凍融破壞提出的理論主要有:靜水壓經(jīng)典理論、滲透壓理論、冰棱鏡理論、基于過(guò)冷液體的靜水壓修正理論、飽水度理論等等。但由于混凝土結(jié)構(gòu)凍害的復(fù)雜性，至今尚無(wú)公認(rèn)的、完全反應(yīng)混凝土凍害機(jī)理理論。因此，關(guān)于混凝土凍融破壞機(jī)理還需進(jìn)一步深入研究。

3 影響混凝土凍融破壞的因素

3.1 孔結(jié)構(gòu)對(duì)凍融破壞的影響

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。一般認(rèn)為大氣孔中的水結(jié)冰是混凝土受凍破壞的最主要的危害因素。吳中偉教授曾提出了孔結(jié)構(gòu)理論，認(rèn)為混凝土的凍融破壞與混凝土內(nèi)部微孔結(jié)構(gòu)有關(guān)，他把孔分為四級(jí):r＜20μm為無(wú)害孔，r=20～50μm為少害孔，r=50～200μm為有害孔，r＞200μm為多害孔，對(duì)混凝土凍融破壞影響較大的為r＞100μm的孔。研究表明: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，可凍水的開孔體積增大，混凝土的抗凍性必然降低。一般來(lái)說(shuō)，孔隙率越大，相對(duì)含水量越多，則可凍水量也就越多。因此，在工程中可以采取降低水灰比和加入引氣劑的辦法來(lái)提高混凝土的抗凍性能。

3.2 飽水度對(duì)凍融破壞的影響

水是造成混凝土受凍破壞的主要原因。在混凝土中水是以化學(xué)結(jié)合水、物理吸附水和自由水三種方式存在。其中自由水對(duì)混凝土凍融破壞影響最大，主要由于自由水廣泛存在于混凝土的大小不同的毛細(xì)孔或大孔中，其數(shù)量多少和毛細(xì)孔直徑有關(guān)，并且這部分水在毛細(xì)孔中是可遷移的。當(dāng)溫度降低到0℃以下時(shí)，這部分水即轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔啾w積產(chǎn)生膨脹，對(duì)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞作用。研究表明混凝土受凍害程度與孔隙中飽水程度有關(guān)。在實(shí)踐上，一般常以“含水率”的大小來(lái)評(píng)定混凝土孔隙中的含水程度，并認(rèn)為混凝土在完全飽水狀態(tài)下，其凍結(jié)膨脹壓力最大。當(dāng)含水量小于孔隙總體積的91.7％，混凝土內(nèi)部不會(huì)產(chǎn)生凍結(jié)膨脹壓力，該數(shù)值被稱為臨界飽水度。如果混凝土中的孔隙水未達(dá)到飽和，也就不存在凍脹破壞及水分遷移，“凍融臨界飽水值法”就是基于上述理論提出的。一般來(lái)講，處于潮濕環(huán)境的混凝土結(jié)構(gòu)的含水量比自然環(huán)境中混凝土結(jié)構(gòu)的含水量明顯要大，并大于臨界值。最不利的部位是水位變化區(qū)，該處的混凝土經(jīng)常處于干濕交替變化的條件，受凍時(shí)極易破壞。

3.3 含氣量與齡期對(duì)凍融破壞的影響

含氣量也是影響混凝土抗凍性的主要影響因素，特別是加入引氣劑形成的微細(xì)氣孔對(duì)提高混凝土抗凍性尤為重要。在受凍初期，混凝土中摻入引氣劑所形成的互不連通微細(xì)氣孔可以減少毛細(xì)孔中的靜水壓力，起到減壓作用。在混凝土受凍結(jié)冰過(guò)程中這些孔隙可阻止或抑制水泥漿中微小冰體的生成。因此，在混凝土中加入引氣劑可以有效提高其抗凍性能。

混凝土的抗凍性隨齡期的增長(zhǎng)而提高。因?yàn)辇g期越長(zhǎng)水泥水化就越充分，混凝土的強(qiáng)度就越高，抵抗膨脹的能力就越大。因此，防止混凝土早期受凍很關(guān)鍵。

4 結(jié)論

綜上所述，混凝土的凍融破壞過(guò)程是比較復(fù)雜的物理變化過(guò)程。目前就混凝土遭受凍融破壞的機(jī)理，許多學(xué)者提出了幾種理論，但由于混凝土結(jié)構(gòu)凍害的復(fù)雜性，至今尚無(wú)公認(rèn)的、完全反應(yīng)混凝土凍害機(jī)理理論，尚需進(jìn)一步完善。在實(shí)際中影響混凝土凍融破壞的因素也比較復(fù)雜，影響混凝土凍融破壞的主要因素有孔結(jié)構(gòu)、水飽和度、含氣量及齡期等。多因素下混凝土抗凍性研究目前已取得了不少研究成果，但總的來(lái)說(shuō)仍然處于起步階段，還沒(méi)形成比較完整的體系。因此，對(duì)混凝土的凍融循環(huán)破壞機(jī)理和影響因素，還需更加深入的研究。

[1] 張譽(yù)，蔣利學(xué)等.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性概論[M].上海科學(xué)技術(shù)出版社，2003.

[2] 唐光普，劉西拉，施士升.凍融條件下混凝土破壞面演化模型研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25(12).

[3] 李金玉，曹建國(guó)，徐文雨，等.混凝土凍融破壞機(jī)理的研究[J].混凝土與水泥制品，1997，(4).

[4] 劉娟紅，宋少民.粉煤灰和磨細(xì)礦渣對(duì)高強(qiáng)輕骨料混凝土抗?jié)B及抗凍性能的影響[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，2005，33(4).