混凝土凍害的影響因素分析

李胥

摘要：混凝土的凍害是影響混凝土耐久性的重要因素之一，凍害對(duì)建筑物的正常使用產(chǎn)生了較大影響，甚至危及安全問題，本文討論了混凝土凍害的影響因素。

關(guān)鍵詞：房屋建筑;混凝土;凍害;水灰比

混凝土的凍害是影響混凝土耐久性的重要因素之一，大量調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，盡管在北方地區(qū)凍融破壞是主要的病害之一，但是在我國南方地區(qū)也時(shí)有發(fā)生，房屋建筑、橋涵、路面和港口等工程常常會(huì)因凍融破壞影響工程的正常使用。

1 抗凍害性的影響因素

1.1 氣泡間隔系數(shù)

混凝土攪拌時(shí)，引入空氣，硬化后成為氣泡殘留在混凝土中。對(duì)抗凍害性影響最大的不是含氣量的絕對(duì)值，而是氣泡間隔系數(shù)。含氣量相同時(shí)，氣泡越細(xì)小，氣泡間隔系數(shù)越小，抗凍害越有利。為了獲得良好的抗凍性，氣泡間隔系數(shù)應(yīng)在200～250 m之間。

1.2 水灰比與養(yǎng)護(hù)條件和抗凍性關(guān)系

水灰比是決定混凝土組織致密性，也即是決定孔結(jié)構(gòu)特性的基本因素，水分的凍結(jié)與混凝土細(xì)孔孔徑有相關(guān)性，水灰比低、養(yǎng)護(hù)條件好，混凝土越致密，抗凍性越好。而且，細(xì)孔孔徑在某一極限值以下時(shí)，其內(nèi)部水分是不凍結(jié)的。相當(dāng)?shù)退冶鹊母邚?qiáng)混凝土，在一般的凍結(jié)溫度范圍內(nèi)，其中的水分是不受凍的。即使不摻入引氣劑也得到優(yōu)異的凍融效果。

1.3 抗凍性與骨料的作用

混凝土的水灰比相同，養(yǎng)護(hù)條件相同，使用的骨料不同，抗凍性不同。骨料對(duì)抗凍性的作用，主要是吸水率的影響。有的人提出低晶位骨料的要求主要是規(guī)定其吸水率和安定性。也有人提出從骨料的細(xì)孔構(gòu)造來判斷其抗凍性等。在混凝土凍結(jié)融解的過程中，受到很大的溫度變動(dòng)的作用;從凍害的機(jī)理出發(fā)考慮骨料的作用時(shí)，骨料與硬化水泥漿的熱膨脹特性不同，骨料表面的粘結(jié)性能是很重要的。甚至，骨料，特別是細(xì)骨料，引入混凝土中氣泡的特性給予抗凍性能以很大的影響。

1.3 關(guān)于抗凍性試驗(yàn)

混凝土受凍害的影響，不僅與凍融循環(huán)次數(shù)有關(guān)，而且與凍結(jié)時(shí)的最低溫度、及水接觸的條件等有關(guān)。

國內(nèi)外的凍融循環(huán)試驗(yàn)方法，都是以將材料的抗凍融破壞性能相互比較為目的，不能預(yù)測實(shí)際使用的混凝土的耐久性。

快速凍融試驗(yàn) 使用這種方法的有ASTMC666及JISA6204。在一定的溫度條件下進(jìn)行反復(fù)凍融試驗(yàn)。ASTMC666有A法（水中凍結(jié)融解法）、B法（空氣中凍結(jié)、水中融解法）。A法與B法凍結(jié)最低溫度為-18℃，融解溫度為+5℃;經(jīng)過一定凍融循環(huán)之后，測定質(zhì)量損失與動(dòng)彈性系數(shù)降低，按下式計(jì)算耐久性指數(shù)

2 含不同礦物質(zhì)粉體的抗凍性

2.1 硅粉混凝土的抗凍性

當(dāng)前，關(guān)于硅粉混凝土的抗凍融性能是一個(gè)有爭論的問題，而且缺乏長期試驗(yàn)數(shù)據(jù)。Cheng-Yi和Feldman討淪過含硅粉砂漿的抗凍性與孔結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)含硅粉砂漿在20000～2000nm和2000～350nm的孔體積比基準(zhǔn)砂漿大得多，，而且認(rèn)為Ca（OH）2首先沉積在骨料周圍的界面上。硅粉與Ca（OH）2反應(yīng)，影響到砂漿的孔結(jié)構(gòu)，而且進(jìn)一步引起在砂粒界面周圍2000～350nm的孔。經(jīng)過計(jì)算，孔的間隔低于0.1nm，滿足ASTMC457-71對(duì)抗凍性的要求。在這些孔徑范圍內(nèi)，部分體積的孔是墨水瓶型的，水分是相對(duì)進(jìn)不去的。這些特性，使試件在凍融循環(huán)時(shí)飽和度相對(duì)降低。也就是說，這些孔能起貯水池作用，在冰凍過程中，接納由小孔遷移過來的水分。當(dāng)硅粉含量大時(shí)（30%），硅粉比完全反應(yīng)所需的量還多，這就需要比較高的有效水灰比。特別是，在這樣的系統(tǒng)中，水化作用是不完全的，在水膠比0.45時(shí)，有相當(dāng)數(shù)量的可蒸發(fā)水仍然留在孔縫中，在凍融過程中，由于水泥石低的滲透性，這些水受凍，導(dǎo)致破壞。

2.2 超細(xì)礦渣混凝土的抗凍性

許多研究者的研究證明，含氣量混凝土，按ASTMC666-84（A）進(jìn)行抗凍性試驗(yàn)，硅酸鹽水泥與摻入礦渣細(xì)粉水泥的混凝土是相同的。

Hogan和Meusel對(duì)含5%礦渣的水泥混凝土（摻入一定引氣劑）進(jìn)行抗凍性試驗(yàn)。按ASTMC666進(jìn)行，試件抗凍試驗(yàn)前先在潮濕養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)14d，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

由表1可以明顯地觀察到耐久性系數(shù)有很大差別。然而，含與不含礦渣的兩種混凝土，都認(rèn)為是抗凍的。

Malhotra以25%～65%的礦渣置換相應(yīng)的硅酸鹽水泥，配制含礦渣與不含礦渣的混凝土，按ASTMC666（B）進(jìn)行抗凍試驗(yàn)，經(jīng)100次凍融循環(huán)后測定一次，試驗(yàn)經(jīng)過了700次循環(huán)。測定了重量、長度、縱向共振頻率和脈沖速率。按ASTMC666（B）計(jì)算耐久性系數(shù)。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：混凝土中含一定引氣劑可大大改善抗凍性。當(dāng)混凝土強(qiáng)度與含氣量保持一個(gè)常數(shù)時(shí)，摻入礦渣可稍微改善抗凍性。采用超細(xì)礦渣混凝土可以獲得抗凍性很好的混凝土、但是如果以部分礦渣代替水泥，如果不摻引氣劑，抗凍融性能是不能改善的。保持混凝土中含氣量為一個(gè)常數(shù)，并與基準(zhǔn)混凝土具有相同的強(qiáng)度，礦渣水泥混凝土的抗凍性甚至比基準(zhǔn)混凝土還好。

2.3 粉煤灰混凝土的抗凍性

2.3.1 粉煤灰摻入混凝土中，為了提高抗凍性也要有一定的含氣量。WhitinR試驗(yàn)了含粉煤灰、不同含氣量、不同養(yǎng)護(hù)條件的高強(qiáng)混凝土的抗凍性。試驗(yàn)中也使用了去冰鹽。試驗(yàn)結(jié)果歸納如下：

2.3.1.1 非含氣混凝土 空氣中養(yǎng)護(hù)的試件比潮濕條件下養(yǎng)護(hù)的試件具有更高的耐久性。在空氣中養(yǎng)護(hù)，混凝土的飽和程度是降低的。水化作用過程和滲透性的降低，使得融化過程水份難以填充孔隙，降低了冰在混凝土中的形成?？諝庵叙B(yǎng)護(hù)的高強(qiáng)混凝土（抗壓強(qiáng)度69MPa），經(jīng)300次凍融循環(huán)以后，初始彈性模量降低到70%（按ASTMC666-84）。而濕養(yǎng)護(hù)試件經(jīng)200次凍融后破壞，使用去冰鹽時(shí)，全部非含氣混凝土試件，經(jīng)≤50次凍融循環(huán)時(shí)，出現(xiàn)嚴(yán)重的剝落。去冰鹽溶液CaCl2含量4%，試驗(yàn)方法按ASTMC672。

2.3.1.2 含氣混凝土 全部含氣的混凝土試件的性能，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過非含氣混凝土。經(jīng)過300次凍融后，動(dòng)彈模是原始數(shù)值的99%或者還稍高一些，重量損失甚少?？諝庵叙B(yǎng)護(hù)的試件重量損失也很低。

2.3.2 使用去冰鹽時(shí)有以下結(jié)果：

抗壓強(qiáng)度41MPa含氣量3.5%的混凝土試件，抗凍融效果很好，經(jīng)過300次凍融循環(huán)，僅少量剝落。而抗壓強(qiáng)度69MPa的混凝土，即使含氣量更高一些，其抗凍融性能電比41MPa的混凝土要差些。凍融后剝落程度隨著強(qiáng)度增加而增加。

Malhotra等人使用F級(jí)（低鈣灰）粉煤灰配制混凝土，按ASTMC672方法，進(jìn)行抗鹽凍融試驗(yàn)。在該方法中，以CaCl2溶液代替去冰鹽?；炷林兴嘤昧?50kg/m3，水膠比0.32，粉煤灰用量為膠凝材料總量的56%，氣泡間隔系數(shù)0.253mm。比通常0.2mm的氣泡間隔系數(shù)稍高。按照ASTM觀察得到的剝落程度，試驗(yàn)的試件屬于5級(jí)。說明有嚴(yán)重的剝落，粗骨料已外露。說明高體積含量的粉煤灰混凝土抗鹽凍融試驗(yàn)差。

3 結(jié)語

混凝土是大部分建筑物的主要材料之一，在寒冷地區(qū)，混凝土的凍害對(duì)建筑物的正常使用產(chǎn)生了較大影響，甚至危及安全問題，因此人們對(duì)混凝土的凍害問題越來越重視。