高寒地區(qū)混凝土的抗凍性能研究綜述

胡邦勝

（重慶交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 重慶 400074）

高寒地區(qū)混凝土的抗凍性能研究綜述

胡邦勝

（重慶交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 重慶 400074）

大量資料顯示我國“南銹北凍”的情況嚴(yán)重影響混凝土的耐久性能，而北方地區(qū)的混凝土遭遇了不同程度的凍融破壞情況，因此，混凝土抗凍融性能是衡量混凝土耐久性的重要指標(biāo)之一。本文針對高寒地區(qū)混凝土凍融破壞問題，簡要的探討了抗凍的主要影響因素以及改善措施。

高寒地區(qū)；混凝土；抗凍性能

1 前言

近年來不少地區(qū)的混凝土出現(xiàn)了不同程度的凍融破壞現(xiàn)象，根據(jù)資料顯示混凝土的凍融破壞主要集中在東北、西北、華北地區(qū)，而這些地區(qū)由于海拔較高，日照長，雨水少，蒸發(fā)量大，太陽輻射強(qiáng)，晝夜溫差大，無霜期短，冰凍期長的氣候特點(diǎn)，凍融次數(shù)多，并且鹽漬地覆蓋區(qū)域廣，加之除冰鹽的使用，使得水泥混凝土路面和橋梁結(jié)構(gòu)物較南方地區(qū)經(jīng)受著更為嚴(yán)酷的考驗(yàn)，破壞形式更為多樣化。除上述一些破壞外，在氯鹽侵蝕、干濕交替存在的同時，混凝土的凍害加劇了腐蝕的進(jìn)程，大大降低了混凝土的耐久性和使用年限。為了使上述及類似工程繼續(xù)發(fā)揮作用，各部門每年都要耗巨資加以維修。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)混凝土工程安全使用期和維護(hù)使用期的比例為1: 3—1: 10，但維護(hù)使用期的維修費(fèi)用卻高達(dá)建設(shè)費(fèi)用的 1-3倍，所以遭受早期凍害破壞的混凝土工程不僅直接影響人們的生命財產(chǎn)安全，同時也給經(jīng)濟(jì)建設(shè)帶來巨大的浪費(fèi)。因此，針對我國寒冷地區(qū)、嚴(yán)寒地區(qū)開展混凝土抗凍性能研究，對提高我國西北地區(qū)和三北地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，延長結(jié)構(gòu)物的使用年限，提高投資效益，加快經(jīng)濟(jì)建設(shè)步伐，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

2 高寒地區(qū)混凝土抗凍的主要影響因素

混凝土的抗凍性與內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)、含氣量、水飽和程度、受凍齡期、受凍環(huán)境等因素有關(guān)。

2.1 內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)

吳中偉教授提出了孔結(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)，主要原因是孔結(jié)構(gòu)中的水在凍融循環(huán)過程中所起的作用。一般情況下，孔隙率越大，相對含水量越多，則可凍水量也就越多。水灰比也是影響混凝土孔隙率及孔結(jié)構(gòu)的直接因素，隨著水灰比的增大，不僅含有可凍水的開孔體積增加，而且平均孔徑也增大，必然導(dǎo)致混凝土的抗凍性降低。

2.2 含氣量

梁文泉、駱翔宇等人認(rèn)為高寒地區(qū)的混凝土在一定范圍內(nèi)提高含氣量可以改善它的抗凍性，但含氣量過高時會影響混凝土自身的強(qiáng)度。將含氣量控制在4.5%～6%可以改善混凝土內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)，減少了混凝土的滲透性，大大提高了混凝土的抗凍耐久性。

2.3 受凍環(huán)境

劉軍、劉潤清等人認(rèn)為不同凍害環(huán)境中的混凝土，早期抵抗凍害的抗凍臨界強(qiáng)度取值與凍害環(huán)境直接相關(guān)，隨著混凝土含水狀態(tài)的不同和凍害溫度的變化，抗凍臨界強(qiáng)度取值差異較大，但達(dá)到抗凍臨界強(qiáng)度的混凝土在經(jīng)歷不同凍害環(huán)境破壞后，其內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)狀態(tài)基本相同。

2.4 受凍齡期

混凝土的抗凍性隨著齡期增長而提高，齡期越長，水泥水化越充分，可凍結(jié)的水分也就越少，同時水中溶解鹽的濃度增加，因此，冰點(diǎn)也隨著齡期的增長而降低。齡期越長，混凝土的強(qiáng)度越高，抵抗膨脹的能力就越大，混凝土的抗凍性也就越高。

2.5 飽水程度

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?；炷恋娘査疇顟B(tài)主要與混凝土結(jié)構(gòu)所處的自然環(huán)境有關(guān)。

3 提高高寒地區(qū)混凝土抗凍性能的措施

通過對混凝土抗凍機(jī)理和影響因素的一些了解，對于高寒地區(qū)混凝土抗凍性能的控制措施應(yīng)該從原材料、配合比設(shè)計、施工方面開始。

3.1 原材料方面

（1）加入引氣劑和減水劑，黃士元、宋擁軍等認(rèn)為混凝土中加入適量的引氣劑后，產(chǎn)生了大量均勻、穩(wěn)定而封閉的微小氣泡，這些微小的氣泡一方面可以提高流動性，改善孔結(jié)構(gòu)；另一方面可以減少冰凍時給孔結(jié)構(gòu)帶來的膨脹力，也可以緩解溶解時帶來的壓應(yīng)力；從而大大提高混凝土的抗凍性。

（2）趙霄龍等認(rèn)為加入優(yōu)質(zhì)的礦物摻合料 可以有效改善混凝土拌合物的工作性，降低混凝土的水化熱，并通過二次水化反應(yīng)，調(diào)整水泥石的礦物組成和結(jié)構(gòu)，使得大孔減少，小孔、微孔增多，孔分布均勻，進(jìn)而提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。

3.2 配合比設(shè)計方面

刮俊等人在新疆高寒地區(qū)采用了正交試驗(yàn)進(jìn)行配合比設(shè)計得出采用低水膠比、低用水量、低粉煤灰摻量和較高水泥用量的方法，可改善混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，使混凝土更加密實(shí)，能有效改善混凝土抗鹽凍性能。當(dāng)水膠比由0.40減少到0.34時，剝蝕量減低約 15%。 研究同時表明，粉煤灰摻量的增加并不能有效改善混凝土抗鹽凍性能，反而會降低其抗碳化能力和混凝土的早期強(qiáng)度。因此，對于強(qiáng)度要求較高的混凝土構(gòu)造物，粉煤灰摻量應(yīng)控制在 15%以下，其他結(jié)構(gòu)部位也不宜超過25%。

3.3 施工方面

2003年西部交通科技項目“水泥混凝土抗凍融耐久性能研究”項目組提出了采用摻加固體引氣劑、纖維、提高攪拌運(yùn)輸車的攪拌速度等方法，解決了預(yù)拌混凝土經(jīng)攪拌運(yùn)輸車運(yùn)送過程中含氣量分層的技術(shù)難題。混凝土在運(yùn)送到施工現(xiàn)場，實(shí)驗(yàn)人員應(yīng)該對坍落度，含氣量，泌水率以及入模溫度進(jìn)行檢測，對于混凝土坍落度，含氣量過大的混凝土要及時清理，混凝土的運(yùn)輸時間越長，坍落度，含氣量就損失的越多。因此，為保證抗凍混凝土的質(zhì)量，應(yīng)該罐車到達(dá)后立即進(jìn)行澆筑。

4 結(jié)語和展望

（1）現(xiàn)階段對不同的外摻料研究較多，但對納米級的外摻料研究的較少。納米材料能極大的提高混凝土的早期強(qiáng)度和抗凍性能，但納米材料比表面積大，吸水率較高，不易施工且攪拌過程中極易抱團(tuán)，作為混凝土的一種外摻料，保證摻納米材料混凝土的集料的均勻性和施工性能極其重要。

（2）對混凝土凍害破壞裂縫狀態(tài)的研究以及混凝土凍害的損傷程度研究相對較少，大部分都是從建筑材料角度進(jìn)行其凍害預(yù)防工作的研究。未來可以將材料研究方法與結(jié)構(gòu)研究方法相結(jié)合，從凍害的成因、凍害的形態(tài)、凍害的程度、凍害的擴(kuò)展多方面開展工作，實(shí)現(xiàn)高寒地區(qū)混凝土的結(jié)構(gòu)應(yīng)用安全性。

（3）當(dāng)前測試方法對于高寒地區(qū)的抗凍混凝土早期內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果精度有限，因此應(yīng)該深入研究在改善現(xiàn)有測試方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合計算機(jī)模型真實(shí)模擬高寒地區(qū)混凝土早期內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)的形成過程和形成狀態(tài)。

[1]宋擁軍.含氣量對混凝土抗凍耐久性能的影響[J].中國三峽建設(shè).1999 (11)：45-47

[2]黃士元.近代混凝土技術(shù)[M].陜西省科學(xué)技術(shù)出版社.1999

[3]吳中偉，廉慧珍.高性能混凝土[M].北京:中國鐵道出版社.1999

[4]2008年西部交通科技項目:水泥混凝土抗凍融耐久性能研究

[5]梁文泉等.大摻量引氣劑混凝土在高寒干燥地區(qū)的抗凍性研究[J].混凝土.2005(1)

[6]劉潤清、劉軍等.受凍環(huán)境對低溫混凝土抗凍臨界強(qiáng)度的影響[J].遼寧工程大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）.2011(2)

[7]趙霄龍、衛(wèi)軍等.混凝土凍融耐久性劣化與孔結(jié)構(gòu)變化的關(guān)系[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報.200(12)

[8]刮俊.新疆高寒地區(qū)橋梁混凝土耐久性研究[D].長安大學(xué)碩士論文，2010.6.

[9]劉潤清.多因素影響下低溫混凝土抗凍臨界強(qiáng)度的研究[D].大連理工大學(xué)博士，2011.

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1007-6344（2017）02-0299-01