混凝土凍融破壞的分析與應(yīng)用改善

姜志煒，李麟杰，張智雅，晏鳳元，何培玲，2，牛龍龍

（1.南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 211167；2.南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210037）

0 引言

混凝土憑借其結(jié)構(gòu)的耐久性好、性價比高與可塑性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在建筑工程、公路工程、橋梁與隧道工程等諸多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。然而在應(yīng)用中混凝土容易出現(xiàn)凍融循環(huán)破壞現(xiàn)象，寒冷地區(qū)凍融循環(huán)破壞現(xiàn)象更加明顯。凍融循環(huán)作用會極大地破壞混凝土建筑、道路、隧道等的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，造成混凝土設(shè)施的大面積損壞，帶來安全隱患與經(jīng)濟(jì)損失。近年來隨著凍融破壞問題的日顯突出，人們對建筑的安全性日益重視，凍融循環(huán)下混凝土的性能分析受到了廣泛的關(guān)注，有效改善混凝土抗凍性的方法也被迫切需要。因此積極開展對凍融循環(huán)條件下混凝土性能的研究，分析凍融循環(huán)破壞機(jī)理及對混凝土的不利影響并提出改進(jìn)方法，能夠改善凍融循環(huán)條件下混凝土的應(yīng)用。

1 混凝土凍融循環(huán)破壞機(jī)理

混凝土的凍融破壞過程復(fù)雜多樣，結(jié)果是由多方面因素導(dǎo)致的。目前破壞機(jī)理理論主要有冰的靜水壓理論、分離層理論、滲透壓理論等[1]。冰的分離層理論適用的對象是較低質(zhì)的混凝土，當(dāng)環(huán)境溫度下降時，由于混凝土內(nèi)外降溫的速度不同，外層能夠更快地降到零下，表層凍結(jié)后向內(nèi)部延伸形成的冷薄層將進(jìn)一步破壞混凝土的內(nèi)部。而適用對象更廣的靜水壓理論和滲透壓理論則主要和混凝土的孔隙有關(guān)。多項(xiàng)研究表明，凝膠孔對混凝土幾乎沒有傷害，但是毛細(xì)孔對混凝土傷害卻很大，其中毛細(xì)孔中的自由水容易受到溫度的影響，當(dāng)溫度達(dá)到零攝氏度以下，毛細(xì)孔內(nèi)的水就會結(jié)冰，使得混凝土的體積增大，進(jìn)而產(chǎn)生破壞混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的靜水壓力。滲透壓理論則是指體積不變化的凍融過程，孔隙內(nèi)的大孔內(nèi)溶液容易先達(dá)到凝固點(diǎn)，其先結(jié)冰后導(dǎo)致沒有凍融部分離子濃度升高，大小孔隙中形成滲透壓，最終迫使小孔中溶液向凍融大孔隙移動，迫使水泥漿內(nèi)部開裂，從而造成破壞。

2 凍融循環(huán)對混凝土性能與指標(biāo)破壞

2.1 質(zhì)量

質(zhì)量的損失程度是衡量凍融循環(huán)對混凝土損壞程度的重要指標(biāo)之一。計(jì)算混凝土的質(zhì)量損失率是衡量損失程度的重要手段。經(jīng)過大量的研究，在初始階段，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土的質(zhì)量往往會出現(xiàn)逆反增加的現(xiàn)象，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是水化反應(yīng)或水分滲入。在發(fā)展階段，隨著凍融循環(huán)的次數(shù)增加，混凝土的質(zhì)量損失率也隨之變大。當(dāng)質(zhì)量損失率大于5%時便認(rèn)為混凝土性能不達(dá)標(biāo)。

2.2 動彈性模量

相對彈性模量與混凝土的力學(xué)性能有一定關(guān)系，它的變化可以清晰地反映出凍融循環(huán)對混凝土的破壞程度，它的大小是混凝土抗凍性強(qiáng)弱的體現(xiàn)。在凍融循環(huán)下，相對動彈性模量下降的速度呈現(xiàn)先快后慢再快的趨勢，整體上呈現(xiàn)下降的趨勢，這表明混凝土各項(xiàng)性能基本都達(dá)不到應(yīng)用要求。

2.3 強(qiáng)度

2.3.1 抗拉強(qiáng)度

抗拉強(qiáng)度是衡量混凝土力學(xué)性能的指標(biāo)之一。混凝土的抗拉強(qiáng)度與凍融破壞有密切聯(lián)系。曹大富[2]等人對凍融情況下的混凝土進(jìn)行研究，試驗(yàn)表明在遞增施加凍融循環(huán)次數(shù)之后，混凝土的受拉峰值急劇下降。這是因?yàn)閮鋈谘h(huán)作用使得混凝土試塊內(nèi)部微裂縫與裂紋增多，造成受拉性能急劇下降。

2.3.2 抗折強(qiáng)度

在高強(qiáng)混凝土領(lǐng)域，凍融循環(huán)的作用對動彈性模量與質(zhì)量的損失率影響較小，但對抗折強(qiáng)度的影響很大。這一方面說明在凍融循環(huán)的作用下抗折強(qiáng)度可以較清晰地反映凍融對高強(qiáng)混凝土的影響，另一方面也表明凍融循環(huán)對抗折強(qiáng)度性能的顯著影響，大量實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了抗折強(qiáng)度能夠清楚地呈現(xiàn)衰退趨勢。

2.3.3 抗壓強(qiáng)度

抗壓強(qiáng)度是混凝土最重要的力學(xué)性能之一。較大的抗壓強(qiáng)度是混凝土良好性能的重要標(biāo)志。但在多次凍融循環(huán)后，抗壓強(qiáng)度整體上也表現(xiàn)出下降趨勢。雖然抗壓強(qiáng)度的下降趨勢略低于抗拉強(qiáng)度，但是正如施士升[3]所研究，普通混凝土在凍融90多次后，其抗壓強(qiáng)度就小于未受凍融時的90%，顯然混凝土的抗壓性能受到了損傷。

3 影響凍融循環(huán)因素分析

3.1 水灰比

緱彥強(qiáng)[4]通過對混凝土水灰比進(jìn)行探究，結(jié)果表明水灰比能夠影響混凝土的強(qiáng)度和孔結(jié)構(gòu)。水灰比越大的混凝土，大孔徑孔隙占的比例越大，混凝土內(nèi)的自由水占比越高。過多的自由水會進(jìn)一步增大凍融循環(huán)過程中的滲透壓，從而對混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成破壞。

3.2 引氣劑

楊忠偉[5]對影響混凝土凍融循環(huán)因素的引氣劑進(jìn)行探究，發(fā)現(xiàn)加入引氣劑后，混凝土的壽命延長。試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著投入的引氣劑比例增大，混凝土內(nèi)含氣量有所提高，可經(jīng)受的凍融循環(huán)次數(shù)會增加。當(dāng)混凝土含氣量僅增加1%時，凍融循環(huán)次數(shù)可以提高75～100次。添加引氣劑不僅能夠提高混凝土含氣量，混凝土內(nèi)部孔徑的大小和分布情況也會發(fā)生變化。研究顯示，含氣量高的混凝土內(nèi)部往往分布著大量的封閉小氣泡，小氣泡可以緩解混凝土的體積膨脹從而減少對其內(nèi)部的破壞。

3.3 單摻混合料

主要的單摻混合料有粉煤灰和礦渣。當(dāng)粉煤灰、礦渣摻量為10%～30%時，兩者都不能緩解對凍融循環(huán)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞。

3.4 復(fù)摻混合料

復(fù)摻混合料主要有復(fù)摻粉煤灰與礦渣。楊忠偉[5]等人做了交互作用試驗(yàn)，試驗(yàn)中將粉煤灰與礦渣、粉煤灰與引氣劑、引氣劑與礦渣交互。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，粉煤灰與礦渣交互后質(zhì)量損失率及相對動彈性模量都滿足疊加效應(yīng)，等于兩者原來各自之和；粉煤灰和引氣劑、引氣劑和礦渣交互后質(zhì)量損失率等于兩者原來各自之和，而相對動彈性模量則大于兩者原來各自之和。

3.5 天然集料

楊博淵等人研究骨料對混凝土抗凍性的影響。試驗(yàn)中楊博淵將卵石混凝土和碎石混凝土進(jìn)行對比，結(jié)果表明，碎石的質(zhì)量損失率和相對動彈性模量隨著凍融循環(huán)的變化量小于卵石混凝土。兩者滿足相同配比之下，碎石混凝土的壽命遠(yuǎn)長于卵石混凝土。由此可以得出，混凝土骨料是影響凍融循環(huán)的重要因素。

4 改善混凝土抗凍性的方法

4.1 控制水灰比

在不造成施工不便與保證混凝土性能的情況下，減小水灰比可以改善混凝土的抗凍性。

4.2 摻入引氣劑

當(dāng)添加引氣劑時，混凝土的單位面積剝落量和相對動彈模損失率都得到很大的改善[6]。改善效果明顯大于水灰比，且隨水灰比增加而更加顯著。因此，可以采取添加引氣劑并適當(dāng)提高混凝土水灰比的方法來大幅度提高混凝土抗凍性。

4.3 摻入混合料

4.3.1 單摻粉煤灰混合料

在摻入引氣劑的條件下，控制低于30%粉煤灰摻入量與水灰比可以取得良好的抗凍融效果[7]。但是不摻入引氣劑、單摻粉煤灰的效果則不明顯。

4.3.2 單摻硅灰混合料

在一定的水灰比條件下（水灰比0.3左右），摻入5%的硅灰混合料[8]，混凝土?xí)_(dá)到比單摻粉煤灰更好的抗凍效果。

4.3.3 復(fù)摻粉煤灰與礦渣

在保證混凝土強(qiáng)度的情況下，混凝土中按4：6的比例復(fù)摻粉煤灰與礦渣[9]，在多達(dá)250次的凍融循環(huán)后仍保持質(zhì)量基本不變，由此可以改善混凝土的抗凍性。

4.4 添加外加劑

為使混凝土的性能滿足應(yīng)用要求，減小凍融循環(huán)破壞的程度，可以向混凝土中添加氯鹽類防凍劑降低水的冰點(diǎn)從而防止早期的凍害，也可以添加少量的減水劑來減少游離水從而改善混凝土的抗凍性能。

5 結(jié)論

（1）當(dāng)前大多認(rèn)為混凝土抗凍性的影響因素主要與孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)，在凍融循環(huán)作用下混凝土的有害孔與微裂痕持續(xù)發(fā)展，從而引起混凝土一系列性能的下降，因此目前大多數(shù)改善混凝土抗凍性的方法都與減少有害孔有關(guān)。

（2）當(dāng)前新型單摻混凝土已經(jīng)顯現(xiàn)出良好的抗凍性能，新型多摻混凝土的應(yīng)用也得到了不斷推廣，但是新型多摻混凝土達(dá)到最佳抗凍性效果時的摻合料、引氣劑和水灰比的具體值卻有待研究，這可以作為我們對混凝土抗凍性改善的期待與研究方向。

（3）凍融循環(huán)常與多種因素共同影響混凝土的性能，而目前關(guān)于影響因素的研究很單一且未得到結(jié)論，這給研究帶來了挑戰(zhàn)同時也為尋找減小凍融循環(huán)的方法帶來了多種可能。

（4）當(dāng)前對于混凝土凍融循環(huán)的實(shí)驗(yàn)一般是在凍融試驗(yàn)機(jī)中完成，實(shí)驗(yàn)的試塊一般比較小，不足以完全反映真實(shí)的凍融損壞情況，建議能夠研發(fā)或增加混凝土大體積試塊凍融循環(huán)的研究機(jī)器或場所。