混凝土冻融（精选十篇）
混凝土冻融 篇1
在社会的建设过程中,我国兴建了大量的混凝土结构。随着结构的运行使用,其自身受到了一定程度的破坏,其中冻融破坏占很大的比例,这不仅影响了正常的生产和工作,甚至危及到结构的安全运行。这就对混凝土的抗冻性能提出了新的要求,尤其是处于严寒环境中的混凝土。
1 混凝土冻融破坏机理
混凝土冻融破坏的评价方法,是建立在对混凝土冻融循环过程和受冻融破坏机理的不同理解之上。目前混凝土冻融破坏机理主要有2种学说:
1.1 Powers静水压理论学说[1]
Powers提出的静水压理论学说主要由以下几个要点组成:1)温度降低时,降温从混凝土表面开始,冻结首先在混凝土外表面上形成,并将混凝土封闭。2)由于表层水结冰将混凝土表面封闭,水结冰体积膨胀,将未冻结的水分通过毛细孔道压入饱和度较小的内部。3)随着温度继续降低,冰体积不断增大,继续压迫未冻水,混凝土内部没有足够的空间来容纳未冻水分或水分得不到转移,于是在毛细孔内产生逐渐升高的压力,使水泥石内部产生拉应力。4)水压产生的拉应力达到一定程度(混凝土抗拉强度极限)时,会使混凝土逐渐受到破坏。
1.2 Powers和 Helmuth渗透压理论[2]
在提出了静水压力学说后,Powers在试验中发现,水泥石中的水在冻结时是向着冷源移动的,于是他和同事Helmuth又提出了新的混凝土冻融破坏理论——渗透压理论。该理论认为:在负温条件下,大孔及毛细孔溶液中的水先部分冻结成冰,由于溶液中的水被冻结出来,使得溶液的浓度变大,从而在毛细孔与凝胶孔内溶液之间存在着浓度差,这引起了离子从凝胶孔向毛细孔的扩散,形成了渗透压,从而对混凝土结构产生应力作用。
2 混凝土的冻融破坏形式
普通混凝土冻融破坏有2种基本形式,冻胀开裂和冻融剥蚀。
冻胀开裂的特征是混凝土产生裂缝,裂缝在表面连接的同时向内部扩展延伸。混凝土构件是非匀质密实构件,其内部存在各种空隙,当吸水饱和状态的混凝土温度低于0 ℃时,内部水分冻结,水冻结成冰后体积膨胀9%,使混凝土因膨胀而产生拉应力,导致裂缝出现。温度低于0 ℃和混凝土吸水饱和,是发生冻胀破坏的必要条件。
冻融剥蚀为混凝土表面由于反复受冻而出现的混凝土表层酥松剥落,往往带有盐冻剥蚀破坏的形式,其主要特征为[3]:1)破坏发展迅速,对没有采取除冰盐保护措施的普通混凝土,往往经过1~2个冬季就会出现剥蚀破坏,其速度远大于其它耐久性破坏的速度。2)破坏从表面逐步向内部发展,使表面砂浆层剥落,集料暴露,但剥蚀层以内的混凝土依然保持坚硬完好。3)在混凝土遭受破坏的截面上,可清楚看到分层剥蚀的痕迹,钢筋混凝土结构还伴随有钢筋锈蚀和顺筋裂纹。
3 混凝土抗冻性的最新研究
由于冻融循环对混凝土的巨大破坏性,国内外学者对混凝土冻融破坏领域进行了许多的研究,取得了较多的研究成果。
清华大学的Cai H等[4]用电导率的方法对混凝土冻融性能进行研究发现,在普通混凝土受冻过程中,大部分孔溶液在-10 ℃以上就冻结成冰,在-10 ℃以下所受的冻害可以忽略不计。谭克锋等[5]研究发现混凝土w/c越低,其抗冻性越好,对w/c为0.27以下的高强混凝土,即使不掺引气剂,仍具有非常优良的抗冻性。对w/c为0.40和0.55的中高水灰比的混凝土,掺入引气剂后,抗冻性能极大地改善,基本上接近于高强混凝土。掺入硅灰可以明显改善混凝土的抗冻性能,掺入粉煤灰会降低混凝土的抗冻性能。Roumiana Zaharieva等[6]研究再生骨料混凝土抗冻性能发现:由于再生骨料混凝土的高水灰比、高孔隙率以及低的力学性能,其抗冻性能不佳,不能应用在暴露于恶劣环境中的结构,其中饱水度对再生骨料混凝土的抗冻性影响很大。Micah Hale W等[7]研究高性能混凝土抗冻性发现:对于w/c低于0.36的混凝土,只要原材料质量好,不引气也可以达到很好的抗冻性能;而对于w/c在0.36到0.50混凝土,当其含气量达到4%时,也能具有良好的抗冻性能。
以上主要是针对混凝土本身抗冻性能的一些研究,国内外学者还对经受冻融循环的混凝土进行了加载等实验研究以及一些模型模拟,能在一定程度上模拟混凝土构件所处的真实环境,从而更好的反应混凝土结构的抗冻性能,对现实工作更有指导性。大连理工大学的宋玉普等人[8]在这方面做了比较多的工作,他们的研究成果表明:1)普通混凝土在三向受压荷载作用下的强度随冻融循环次数的增大而减小,中间应力对峰值应力有较大影响,应力比对混凝土极限强度的影响大于冻融循环次数对混凝土极限强度的影响;三向受压荷载作用下的峰值应力点所对应的应变随冻融循环次数的增加而增大;经受冻融循环作用的三向受压受力状态下的混凝土,其抗压强度还是远远高于单轴抗压强度。2)在相同的应力比作用下,引气混凝土在双轴压以及双轴拉-压荷载作用下的极限拉应力和相应的压应力随冻融次数的增加逐渐降低;经过相同冻融循环次数作用后的引气混凝土试件在双轴压荷载作用下,其应力随应力比α值的变化而变化,其中在α=0.50时,主应力 提高最多。3)冻融循环作用后,钢筋与混凝土粘结性能下降,钢筋的峰值荷载随着冻融次数的增加而减小;冻融循环作用后,光圆钢筋与混凝土的化学胶着力遭到了破坏,在遭受50次冻融循环作用后,光圆钢筋与混凝土的化学胶着力几乎完全丧失,破坏形态也由冻融前的钢筋拔出破坏变成了冻融后的混凝土劈裂破坏。4)经冻融循环后,在侧应力相同的情况下,峰值应力点应变平均值随冻融循环次数的增加而明显增加,极限抗压强度随冻融循环次数的增加而降低;在相同冻融循环次数时,主压应变平均值的提高程度,取决于侧应力,双轴压混凝土的极限抗压强度较单轴压极限强度提高,提高程度取决于侧应力值;处于海水中的混凝土,弹性模量随冻融循环次数的增加呈降低的趋势,同时,弹性模量也受到侧应力的影响,在相同冻融循环次数后,随侧应力的增大,弹性模量提高。
Muttaqin Hasan等人[9]研究成果表明:因为从混凝土表面吸收的水分会在混凝土孔隙中结冰,从而在混凝土内部产生更高的水压,使得由冻融循环引起的拉伸应变随着循环次数的增大而增大;冻害混凝土受加载循环次数增加而导致疲劳强度的降低比无冻害混凝土疲劳强度降低的更快;在静力及疲劳加载情况下,冻害混凝土塑性变形的增加都要大于无冻害混凝土;同时还建立了一个模型来反应冻害混凝土应力应变和疲劳加载之间的关系。Tamon Ueda等人[10]建立了一个二维刚体弹簧模型,从宏观角度分析冻害混凝土并对冻害混凝土进行预测。在受冻混凝土达到峰值应力前,该模型所预测的应力应变曲线、质量损失、强度损失、动弹模损失等数据与实验数据十分吻合。
4 提高混凝土抗冻性能的方法
大量的研究结果表明,混凝土的抗冻融性能与其内部孔结构、含水量、混凝土的抗渗性、受冻融循环的次数、受冻龄期及混凝土力学性能等因素有关。其中最主要的就是它的孔结构。而混凝土的孔结构又取决于混凝土的水灰比、水泥、骨料、外加剂、含气量、养护方法等多个方面。故要提高混凝土的抗冻性能,主要需要从配比设计、原材料选材、混凝土拌制及施工等几个方面入手。
1) 混凝土配比设计
混凝土配合比应满足结构物设计强度等级要求,满足混凝土的和易性要求,满足建筑物耐久性要求。现代混凝土的配比设计主要有水泥用量、水灰比、砂率、外加剂、掺和料、环境等级等几个方面,好的配合比设计能很大程度上提高混凝土的抗冻性能。针对不同的结构环境和施工方法,根据试验确定耐久性混凝土理论配合比,在施工中应根据粗细骨料的含水量不同,随时调整混凝土的施工配合比。
水灰比是设计混凝土的一个重要参数,它的变化直接影响混凝土的可冻水的含量、孔隙率及孔结构,从而影响混凝土的抗冻性。含气量也是影响混凝土抗冻性的主要因素,特别是加入引气剂后,混凝土中能形成均匀分布的微细孔,这对提高混凝土抗冻性极为重要,因为这些互不连通的微细气孔在混凝土受冻初期能使毛细孔中的静水压力减少,即起到减压作用[11]。在混凝土受冻结冰过程中,这些微孔可以阻止或抑制水泥浆中微小冰体的形成。除了必要的含气量,要提高混凝土的抗冻性,还必须保证气孔在砂浆中均匀分布,通常可以用气泡间距来表示其分布均匀性。平均气泡间距是影响混凝土抗冻性的重要方面,平均气泡间距越大,则冻融过程中毛细孔中的静水压和渗透压越大,混凝土的抗冻性越低[12]。
2) 原材料的选择
原材料的好坏对混凝土的性能有极大的影响,进而影响混凝土的抗冻能力。
(1)水泥品种及组成成分等都对混凝土抗冻性有影响,主要是因为水泥中熟料的含量和性能各不相同,其能在很大程度上影响混凝土的抗冻性能。(2)混凝土中的石子和砂在整个混凝土原料中占有的比例为70%~93%。骨料的好坏对混凝土的抗冻性有很大的影响,主要体现在骨料吸水率及骨料本身的抗冻性上[13]。(3)减水剂、引气剂及引气减水剂等外加剂均能提高混凝土的抗冻性。引气剂可增加混凝土的含气量,并形成极细小的气泡均匀分布在浆体中,虽然实际上空气只能含于水泥浆体内部,但已有研究发现,当混凝土引气量约为砂浆体积的9%时,混凝土可获得最佳抗冻性[14]。(4)不同种类的混合材,由于其粒径分布形貌不同,使混合材对水泥水化的促进程度均不同,就混合材的活性效应而言,优点是加速了水泥的水化反应,缺点是当混合材反应程度不足时,会使水泥石基体内部形成的水泥石网络结构强度比较薄弱,水和其它离子容易通过[15]。
3) 混凝土的拌制及施工[16]
在低温环境下成型生长对于混凝土性能具有很大的局限。国内外标准都有要求,在一定的低温条件下施工时要采取保护措施,确保混凝土的质量。低温下混凝土施工,改变了正常温度下混凝施工的客观条件,进而影响到混凝土浇筑后的内在变化。为适应这种变化,就要改进混凝土施工的工艺和方法:(1)选择合理施工方法。冬期混凝土施工,要尽量避免大间歇分层施工方法,采用斜向分层连续浇筑,以便于振捣密实,减少接茬。(2)适当提高混凝土水泥标号,以相对提高早期强度,缩短混凝土的凝结时间,加速混凝土的硬化。(3)严格控制水灰比例,保证必要的养护时间。有很多高性能混凝土在设计时,要求覆盖养护7 d。(4)在可能的条件下,延长拆模时间。(5)混凝土的蓄热养护法。要在混凝土浇筑施工过程中,对各种原材料加热、预热。首先是水的加热,其次是加热骨料。
5 结 论
在我国,大部分地区的混凝土都受到冻融损害,如何使混凝土结构能够经受长期的冻融循环是一个重要的研究课题。总结国内外已有的研究成果,需要做到以下几个方面:
a.严格控制原材料的质量。
b.适量的掺加减水剂和引气剂。高效减水剂可以大幅度的降低混凝土的用水量,这能极大的降低混凝土的孔隙率和孔径,提高混凝土的抗冻性能;在混凝土中掺加一定量的引气剂,可以提高混凝土的含气量,使气泡在混凝土中呈均匀分布的微细孔,极大改善了混凝土的抗冻性能。
c.注重混凝土的施工过程。良好的施工过程是混凝土质量的必要保证,在施工过程中要尽量按照现有行业标准进行,遇到特殊情况时要根据施工经验灵活应变。
d.使用过程中进行保养和维护。不恰当的使用会给结构工程带来很大的危害,严重损害混凝土结构的工作性能,大大缩短结构的使用使命。
e.设计时要充分考虑结构所处的环境,并用相应的模型对结构进行寿命预测,确保结构的耐久性。
摘要：根据近年发表的国内外相关文献,综述了国内外学者对于混凝土抗冻性问题展开的研究活动,对混凝土冻融破坏的形式、机理进行了分析和归纳,对提高混凝土抗冻性的方法和措施进行了总结。
冻融试验方法 篇2
试验方法根据试验目的不同而各异，试验仪器和条件的设定一般根据实际需要确定。
2.1试验仪器
冻融试验的仪器主要分为三类。
2.1.1传统试验机
试验一般采用圆柱状土样。
土样被放置于带有温度探测装置的有机玻璃桶内，并置于试验箱内。
土样上下端都与控温设备相连的压板接触，用于对试样进行冻融。
此外，端部还可以施加压力，同时控制试验的补水或排水条件。
设置在试验箱内，土样周围的探头，可以测量温度、轴向变形、孔隙水压力等，通过连接数据采集设备收集数据。
传统的冻融试验装置如图1所示。
这类试验机有的还能进行固结法制样，然后直接用于冻融试验。
传统试验机注重研究土体的冻胀融沉过程，实时测量土体温度、变形、孔隙水压力等参数。
图1冻融试验装置
2.1.2恒温箱
用恒温箱作为冻融的装置。
设置好温度后将试样直接放入箱内进行冻融循环，试验结束后取出进行相应的力学试验。
这类装置类似“冰箱”，功能比较单一，多数不能进行补排水控制。
恒温箱通常只能进行封闭系统的冻融试验，不注重冻融过程，只是在宏观上研究冻融作用对土力学性质的影响。
2.1.3综合类试验机
这类仪器在传统试验机的基础上改进而来，将冻融试验与材料试验机结合，在冻融循环后直接进行力学试验。
这类试验兼具物理和力学两种性质的试验，不仅研究冻融过程的微观变化而且重视冻融试验后的力学特性。
在试验条件的控制上也更复杂：补水排水条件，应力施加的方式及大小等。
这使得研究更精确，能更真实反映土样的受力过程和状态。
2.2试验条件
尽管研究者使用的冻融试验仪器不同，但导致土的冻融效应差异的还与试验条件有很大的关系。
按照冻融进行的方向，有一维冻融和三维冻融;按温度梯度，有快速冻结和慢速冻结;按照冷源施加的方式，有恒温冻融和变温冻融;按加压方式，有加压冻融和自由冻融;按水分的补排来源，有封闭冻融和开放冻融。
Alhmetshin等[2]对封闭和开放系统进行了详细的分类和阐述。
对于封闭系统而言，只存在热交换;而对于开放系统来说，则同时存在热、质交换;当只有一个边界上存在质交换时，可称为半开放系统，该系统的状态是随着时间发生变化的，而且系统边界的位置也是随着时间变化的。
就室内冻融试验来说，开放系统要有外部水源补给;封闭系统没有与外部水分的交换只在局部进行重分布。
此外还要考虑土体的渗透性，渗透系数小的土体若进行开放系统的冻融试验时，其效果相当于封闭系统，同样利用冻结速率也能控制排水情况[3]。
只有合理选择冻融方式才能真实反映土体的实际冻融过程，试验条件的确定按下述情况而定：(1)工程需求：最大程度的模拟或还原场地的真实情况。
一般来说，季节性冻土区冻土层的冻融过程可以描述为敞开系统下的.单向冻结和双向融化，而多年冻土区则为开放系统下的双向冻结和单向融化。
(2)试验需求：人为设定，研究在某些特定条件下的冻融效应。
具体来说，冻融温度或是根据实测地温资料设定或是人为设定模拟特定条件。
循环周期一般都要保证冻融能够彻底进行，即土体不再发生体积的变化。
冻融周期可以类比前人的研究，但需注意土性、试样大小以及控制条件上的差异。
温度梯度、施压以及补排水等条件也应符合上述两原则。
此外，室内模型试验也是研究冻融作用的有效方法。
模型试验通常根据相似原则进行设计，模拟野外状况从而验证设计和计算结果。
Z.X.Zhang等对运河堤坝的冻胀融沉现象进行模拟，分层将土填成路基，并将位移计、应力盒、温度探头等预埋在土体中，监测数据[4]。
但这种方法较费时且不经济。
冻融试验要选择合理的冻融方式：仪器的选择在一定程度上控制了试验条件的，如单向冻融还是多向冻融;温度梯度、补水方式、压力情况、试验周期都要根据工程实际情况或者研究需要选择。
3 结论
冻融作用对土的工程性质影响一方面与土质以及土的初始状态的有关，另一方面也跟冻融试验仪器和条件有关。
尽管各个国家或行业都有各自的规范，但差异不会太大。
因此在试验时尽可能遵照规范要求进行操作和分析。
要根据不同的实验目的选择冻融试验仪器以及试验条件。
总之，由于土的类型，以及影响因素的多样性，目前对冻融循环对土的工程性质的系统研究还远不完善，应当充分利用常规土力学的方法，针对冻土冻融特性，建立能够反映冻融作用试验方法体系，望与广大寒区工程工作者共同探讨。
参看文献：
[1] 徐学祖，王家澄. 冻土物理学[M]. 北京：科学出版社， 2001
[2] Akhmetshin A A， Grigoryev V A， and Yakupov V S. Open and closed systems of freezing and thawing rocks[C].Recent Development of Research on Permafrost Engineering and Cold Region Environment. Lanzhou： Lanzhou University Press， 2009：562-565
[3] Alkire B D. Effect of variable-drainage freeze-thaw tests on post-thaw shear strength[J]. Transportation Research Record 1981， 809：13C18.
混凝土冻融 篇3
【关键词】建筑工程；混凝土；影响因素
Concrete carbonation and freeze-thaw damage mechanism and prevention measures analysis
Wang Jie
（Real Construction and Installation Co.， Ltd. Hebei Far Handan Hebei 056000）
【Abstract】This paper discusses the concrete hydraulic structures carbonation， freeze-thaw damage mechanism and prevention measures.
【Key words】Factors；Concrete；Construction projects
1. 混凝土碳化机理
水泥中的矿物以硅酸三钙和硅酸二钙含量较多，约占总重的75%，水泥完全水化后，生成的水化硅酸钙凝胶约占总体积的50%，氢氧化钙约占25%，水泥石的强度主要取决于水化硅酸钙，在混凝土中水泥石的含量占总体积的25%。混凝土具有毛细管——孔隙结构的特点，这些毛细管——孔隙包括混凝土成型时残留下来的气泡，水泥石中的毛细孔和凝胶孔，以及水泥石和集料接触处的孔穴等等。此外，还可能存在着由于水泥石的干燥收缩和温度变形而引起的微裂缝。普通混凝土的孔隙率一般不少于8～10%。混凝土的碳化是指大气中的二氧化碳首先渗透到混凝土内部的孔隙中，而后溶解于毛细孔中的水分，与水泥水化过程中所产生的水化硅酸钙和氢氧化钙等水化产物相互作用，生成碳酸钙等产物。所以，混凝土碳化是由于混凝土存在着孔隙，里面充满着水分和空气，在混凝土的气相、液相、固相中进行着一个十分复杂的多相物理化学连续过程。
混凝土碳化有增加混凝土强度和减少渗透性的作用，这可能是因为碳化放出的水分促进水泥的水化及碳酸钙沉淀减少了水泥石的孔隙之故。但混凝土碳化后，其碱性降低，加快钢筋腐蚀。混凝土的碳化是混凝土所受到的一种化学腐蚀。空气中CO2气渗透到混凝土内，与其碱性物质起化学反应后生成碳酸盐和水，使混凝土碱度降低的过程称为混凝土碳化，又称作中性化，其化学反应为：Ca（OH）2+CO2CaCO3+H2O。水泥在水化过程中生成大量的氢氧化钙，使混凝土空隙中充满了饱和氢氧化钙溶液，其碱性介质对钢筋有良好的保护作用，使钢筋表面生成难溶的Fe2O3和Fe3O4，称为纯化膜。碳化后使混凝土的碱度降低，当碳化超过混凝土的保护层时，在水与空气存在的条件下，就会使混凝土失去对钢筋的保护作用，钢筋开始生锈。可见，混凝土碳化作用一般不会直接引起其性能的劣化，对于素混凝土，碳化还有提高混凝土耐久性的效果，但对于钢筋混凝土来说，碳化会使混凝土的碱度降低，同时，增加混凝土孔溶液中氢离子数量，因而会使混凝土对钢筋的保护作用减弱。
混凝土的抗冻性是混凝土受到的物理作用（干湿变化、温度变化、冻融变化等）的一方面，是反映混凝土耐久性的重要指标之一。对混凝土的抗冻性不能单纯理解为抵抗冻融的性质，不仅在严寒地区混凝土建筑物有抗冻的要求，温热地区混凝土建筑物同样会遭到干、湿、冷、热交替的破坏作用，经历时间长久会发生表层削落，结构疏松等破坏现象，如浙江省的富春江水电站，湖南省的桃江水库等，都发生过不同程度的冻融破坏。所以对混凝土的冻融破坏的研究显得尤为重要。对混凝土冻融破坏的机理，目前的认识尚不完全一致，按照公认程度较高的，由美国学者T.C.Powerse提出的膨胀压和渗透压理论，吸水饱和的混凝土在其冻融的过程中，遭受的破坏应力主要由两部分组成。其一是当混凝土中的毛细孔水在某负温下发生物态变化，由水转变成冰，体积膨胀9%，因受毛细孔壁约束形成膨胀压力，从而在孔周围的微观结构中产生拉应力；其二是当毛细孔水结成冰时，由凝胶孔中过冷水在混凝土微观结构中的迁移和重分布引起的渗管压。由于表面张力的作用，混凝土毛细孔隙中水的冰点随着孔径的减小而降低。凝胶孔水形成冰核的温度在-78℃以下，因而由冰与过冷水的饱和蒸汽压差和过冷水之间的盐分浓度差引起水分迁移而形成渗透压。
另外凝胶不断增大，形成更大膨胀压力，当混凝土受冻时，这两种压力会损伤混凝土内部微观结构，只有当经过反复多次的冻融循环以后，损伤逐步积累不断扩大，发展成互相连通的裂缝，使混凝土的强度逐步降低，最后甚至完全丧失。从实际中不难看出，处在干燥条件的混凝土显然不存在冻融破坏的问题，所以饱水状态是混凝土发生冻融破坏的必要条件之一，另一必要条件是外界气温正负变化，使混凝土孔隙中的水反复发生冻融循环，这两个必要条件，决定了混凝土冻融破坏是从混凝土表面开始的层层剥蚀破坏。
2. 混凝土碳化影响因素
水工建筑物混凝土碳化的影响因素较多，有内在因素，也有外界因素。
2.1 影响混凝土碳化的内在因素。
2.1.1 水泥品种。 不同的水泥，其矿物组成、混合材量、外加剂、生料化学成分不同，直接影响着水泥的活性和混凝土的碱度，对碳化速度有重要影响。一般而言，水泥中熟料越多，则混凝土的碳化速度越慢。外加剂（减水剂、引气剂）一般均能提高抗渗性，减弱碳化速度，但含氯盐的防冻、早强剂则会严重加速钢筋锈蚀，应严格控制其用量。
2.1.2 集料品种和级配。 集料品种和级配不同，其内部孔隙结构差别很大，直接影响着混凝土的密实性。材质致密坚实，级配较好的集料的混凝土，其碳化的速度较慢。
2.1.3 磨细矿物掺料的品种和数量。 如具有活性水硬性材料的掺料，其不能自行硬化，但能与水泥水化析出的氢氧化钙或者与加入的石灰相互作用而形成较强较稳定的胶结物质，使混凝土碱度降低。在水灰比不变采用等量取代的条件下，掺料量取代水泥量越多，混凝土的碳化速度就越快。endprint
2.1.4 水泥用量。 增加水泥用量，一方面可以改变混凝土的和易性，提高混凝土的密实性；另一方面还可以增加混凝土的碱性储备，使其抗碳化性能增强，碳化速度随水泥用量的增大而减少。
2.1.5 水灰比。 在水泥用量一定的条件下，增大水灰比，混凝土的孔隙率增加，密实度降低，渗透性增大，空气中的水分及有害化学物质较多的浸入混凝土体内，加快混凝土碳化。
2.1.6 施工质量。 施工质量差表现为振捣不密实，造成混凝土强度低，蜂窝、麻面、空洞多，为大气中的二氧化碳和水分的渗入创造了条件，加速了混凝土的碳化。
2.1.7 养护质量。 混凝土成型后，必须在适宜的环境中进行养护。养护好的混凝土，具有胶凝好、强度高、内实外光和抗侵蚀能力强，能阻止大气中的水分和二氧化碳侵入其内，延缓碳化速度。
2.2 影响混凝土碳化的外界因素。
2.2.1 酸性介质。 酸性气体（如CO2）渗入混凝土孔隙溶解在混凝土的液相中形成酸，与水泥石中的氢氧化钙、硅酸盐、铝酸盐及其他化合物发生中和反应，导致水泥石逐渐变质，混凝土的碱度降低，这是引起混凝土碳化的直接原因。试验研究已证明，混凝土的碳化速度与二氧化碳浓度的平方根成正比，即混凝土碳化速度系数随二氧化碳浓度的增加而加快。混凝土中钢筋锈蚀的另一个重要和普通的原因是氯离子（CL-）作用。氯离子在混凝土液相中形成盐酸，与氢氧化钙作用生成氯化钙，氯化钙具有高吸湿性，在其浓度及湿度较高时，能剧烈地破坏钢筋的钝化膜，使钢筋发生溃灿性锈蚀。
2.2.2 温度和光照。 混凝土温度骤降，其表面收缩产生拉力，一旦超过混凝土的抗拉强度，混凝土表面便开裂，导致形成裂缝或逐渐脱落，为二氧化碳和水分渗入创造了条件，加速混凝土碳化。阳面混凝土温度较背阳面混凝土温度高，二氧化碳在空气中的扩散系数较大，为其与氢氧化钙反应提供了有利条件，阳光的直接照射，加速了其化学反应和碳化速度。
2.2.3 含水量和相对湿度。 周围介质的相对湿度直接影响混凝土含水率和碳化速度系数的大小。过高的湿度（如100%），使混凝土孔隙充满水，二氧化碳不易扩散到水泥石中，过低的湿度（如25%），则孔隙中没有足够的水使二氧化碳生成碳酸，碳化作用都不易进行；当周围介质的相对湿度为50～70%，混凝土碳化速度最快。因此，混凝土碳化速度还取决于混凝土的含水量及周围介质的相对湿度。实际工程中混凝土结构下部的碳化程度较上部轻，主要是湿度影响的结果。
2.2.4 冻融和渗漏。 在混凝土浸水饱和或水位变化部位，由于温度交替变化，使混凝土内部孔隙水交替地冻结膨胀和融解松弛，造成混凝土大面积疏松剥落或产生裂缝，导致混凝土碳化。渗漏水会使混凝土中的氢氧化钙流失，在混凝土表面结成碳酸钙结晶，引起混凝土水化产物的分解，其结果是严重降低混凝土强度和碱度，恶化钢筋锈蚀条件。
3. 混凝土碳化的简易测试
采用化学测试法。即先凿掉混凝土保护层，然后滴入或涂抹酚酞剂，看混凝土是否变色（碳化），若发现有碳化情况，则可迅速地测试出其碳化深度。
3.1 酚酞剂的配制。 根据实践试验结果得出，用99%的酒精加1%的酚酞液，所配制的酚酞剂呈浅色；用96%的酒精加4%的酚酞液，所配制的酚酞剂呈深色。二者均可用来测试混凝土的碳化情况。
3.2 混凝土碳化判定及其深度检测。 首先将所需检测的混凝土表面打凿到需要的测试深度，然后把表面清理干净，涂抹或滴入已配制好的酚酞剂。当酚酞剂涂抹或滴入混凝土内1～2分种后，便有反应。若混凝土变红色，则混凝土未碳化；若混凝土不变色，则混凝土已碳化。因为酚酞剂内含有大量酒精，容易挥发，所以在测试和观察时速度要快，要尽快量出混凝土内碳化与非碳化的界面尺寸，以便得到准确的碳化深度。
3.3 混凝土碳化检测值的取得。 由于水工建筑中混凝土结构物的部位不同，其碳化程度也不尽相同，所以在进行混凝土碳化测试时，一定要多测几次，以其平均值为混凝土碳化检测值。
3.4 测试混凝土碳化凿开面的处理。 在混凝土碳化测试工作完成后，对检测混凝土碳化的凿开面应用环氧树脂砂浆或环氧混凝土作填补封闭处理。
4. 混凝土碳化的防止措施
混凝土碳化有混凝土“癌症”之说，关键是应采取防止措施。
4.1 设计方面。 根据水工建筑物中不同的结构形式和不同的环境因素，分别对混凝土的保护层采取不同的厚度，应尽量避免一律采用2～3cm。
4.2 施工方面。 混凝土质量好坏，施工是关键。一是要认真选择建筑材料。水泥选用抗碳化能力强的硅酸盐水泥；集料选用质地硬实和级配良好的砂和石料；施工中除砂要筛、石要洗外，还要特别注意剔除集料中的有害物质。二是在混凝土中可掺入优质适宜的外加剂，如减水剂、阻水剂等，以改善混凝土的某些性能，提高其强度和密实性、抗渗性、抗冻性。三是要严格控制混凝土的水灰比，要求是小水灰比，低塌落度，要把水的用量控制在满足配料和施工需要的最低范围内，尽量减少混凝土的自由水。四是振捣和养护，振捣一定要充分并严格按照规定标准进行，必要时可作表面处理；养护一定要及时，一旦混凝土达到初凝时，就应立即进行养护，并坚持按不同水泥品种所要求的时间养护，控制好环境的温度和湿度，以使混凝土在适宜的环境中进行养护。五是钢筋混凝土保护层厚度，施工时要将钢筋用事先预制好的高标号砂浆垫块垫好，使钢筋的混凝土保护层厚度满足设计要求。六是施工缝要做到少留或不留，必须要留的，应作好接缝处的工艺处理。
4.3 使用方面。 对于水工建筑物在使用上不要随意改变原设计的使用条件。因为水工建筑物使用条件的改变，直接关系到外界气体、温度、湿度等因素变化所引起的混凝土内部某些情况的变化，尤其是对于混凝土构件的容易碰撞部位，更应当设置包角和隔层保护。endprint
4.4 管理方面。 对于水工建筑中混凝土构件的管理，主要是定期检查、加强维护。对于容易产生碳化的混凝土构件，则应派专人定期观察及测试温度、湿度，检查裂缝情况和碳化深度，并作好详细记录。若发现混凝土表面有开裂、剥落现象时，则应及时利用防护涂料对混凝土表面进行封闭或采取使混凝土表面与大气隔离措施，绝对不允许其裂缝继续扩大，必要时可作混凝土补强处理。
5. 混凝土冻融破坏影响因素及防治
5.1 混凝土冻融破坏影响因素。 混凝土冻融破坏的影响因素是多方面的。一是组成混凝土的主要材料性质的影响，如；水泥的品种、水泥中不同矿物成份对混凝土的耐久性影响较大，又如骨料的影响，除了骨料本身的质量对混凝土的抗冻性的影响以外，骨料的渗透性和吸湿性对混凝土的抗冻性也有决定性的作用，由于湿度和强度的变化，会产生含针状物岩石体积的变化，这将会损坏已硬化的水泥砂浆和混凝土表面，同时骨料的化学性能对混凝土的耐久性也将产生一定的影响；二是外加剂的影响，在混凝土施工过程中掺入引气剂或减水剂对改善混凝土的内部结构，改善混凝土的内部孔隙结构可起到缓冲冻胀的作用，大大降低冻胀应力，提高混凝土的抗冻性；三是施工工艺影响，配合比、混凝土的施工、硬化条件等都与混凝土的耐久性有密切的关系，同时混凝土中的单位用水量是影响混凝土抗冻性的一个重要因素。此外混凝土的表面、边角和工作缝部位处于最不利的工作条件，所以混凝土模板种类、性质和表面加工情况以及工作缝的处理对混凝土的耐久性也有很大的影响；四是防止受水位变化影响，寒冷季节水位变化会引起混凝土的严重冻融破坏需采取有力措施防止；五是严格控制施工质量，混凝土施工质量的好坏，将影响它的抗冻性，因此必须把好质量关，不允许出现蜂窝、麻面，力求密实，表面光滑。
5.2 混凝土冻融破坏的防治。
对于混凝土冻融破坏的防治，结合我们的施工实践，总结出了如下几点：
5.2.1 预防措施。一是在混凝土施工中应根据不同情况选择含有不同矿物成份和不同性能的水泥、骨料和外加剂，从材料方面确保混凝土的耐久性；二是严格混凝土制作配合比，一定要根据结构类型和所处的环境条件，试验确定关键参数，主要是降低混凝土的水灰比，水泥水化所需水分仅为其重量的25%左右，若水量增加，多余的水就游离析出，产出孔隙，饱和后易受冻胀破坏；另外掺入引气型外加剂是提高混凝土抗冻性最有效的途径之一；三是人为地优化建筑物混凝土构件周围的环境条件，以减少或改善致使混凝土冻融的各种不利因素。
5.2.2 治理措施。（1）水泥砂浆修补，适用于轻微的表层破坏；（2）预缩砂浆修补，所谓预缩砂浆是指经拌和好之后再归堆放置30～90mih后才使用的干硬性砂浆，此种方法适高速水流区混凝土表面的损坏；（3）喷浆修补，多用于混凝土冻融破坏化较严重的部位；喷混凝土修补，是指经施高压将混凝土拌料以高速运动注入被修补的部位，其密度及抗渗性较一般混凝土好，且具有快速，高效的特点；（4）环氧材料修补，一般有环氧基液、环氧砂浆和环氧混凝土等，这种材料具有较高的强度和抗蚀、抗渗能力，并与混凝土结合力较强，但价格较贵，施工工艺复杂，材料配比严格，此法可与其它修补方法配合使用，效果更佳；总之我们应当根据水工建筑物所处的环境、位置和冻融破坏的程度以及原混凝土构件制作的主要材料性能综合选用不同的修补方法，才能获得较好的效果。
6. 结束语
防止混凝土冻融破坏的措施 篇4
混凝土的冻融破坏是水工建筑物老化病害的主要问题之一, 严重影响了建筑物的长期使用和安全运行, 为使这些工程继续发挥作用和效益, 各部门每年都耗费巨额的维修费用, 而这些维修费用为建设费用的1~3倍。在北方寒冷地区工程中是急待解决的重要问题之一。
1 用外加剂改善抗冻耐久性
1.1 引气剂
提高混凝土抗冻耐久性的一个十分重要而有效的措施是在混凝土拌合物中掺入一定量的引气剂。引气剂是具有增水作用的表面活性物质, 它可以明显的降低混凝土拌合水的表面张力和表面能, 使混凝土内部产生大量的微小稳定的封闭气泡。这些气泡切断了部分毛细管通路能使混凝土结冰时产生的膨胀压力得到缓解, 不使混凝土遭到破坏, 起到缓冲减压的作用。这些气泡可以阻断混凝土内部毛细管与外界的通路, 使外界水份不易浸入, 减少了混凝土的渗透性。同时大量的气泡还能起到润滑作用, 改善混凝土和易性。因此, 掺用引气剂, 使混凝土内部具有足够的含气量, 改善了混凝土内部的孔结构, 大大提高混凝土的抗冻耐久性。
混凝土的含气量、临界气泡间距、水灰比、骨料、临界饱水度和降温速度等因素综合决定了混凝土的抗冻耐久性能。水泥熟料中C3A的含量的增加会提高其混凝土的抗冻耐久性, 但会降低混凝土抵抗盐冻能力。引气能显著提高混凝土的抗冻融性, 然而, 长期处于冻融循环的混凝土的抗冻能力则取决于天气的恶劣程度及冻融周期的频率。提高水工混凝土抗冻耐久性的技术措施, 耐冻混凝土必须正确进行配合比设计, 掺优质引气剂, 减小水灰比, 合理选用原材料, 还要严格按施工规范技术要求施工, 加强养护。
混凝土孔结构性质是影响混凝土抗冻耐久性的根本所在。混凝土的抗冻耐久性随孔结构性质变化而变化, 当孔间距系数小于250μm时, 混凝土抗冻耐久性指数基本能达到60%以上, 即可经受300次快速冻融循环试验。满足混凝土抗冻耐久性要求的孔间距系数的重要概念:即当孔间距小于临界孔间距 (<250μm) 时混凝土是抗冻的。只要引气量合适, 普通混凝土均能获得较高的抗冻耐久性。引气混凝土中气泡平均尺寸及其间距随水灰比的增大而加大, 同时水泥浆中可冻水的百分率也相应加大, 从而导致混凝土抗冻耐久性的显著下降, 因此, 不能忽视对水灰比的限制。
合理的气泡结构是混凝土抗冻耐久性得以真正改善的关键, 然而, 气泡体系形成、稳定与气泡结构的建立密不可分, 因此高度重视气泡体系稳定性的问题就显得更加重要。影响混凝土中气泡体系形成与稳定性的因素有混凝土各组成材料、混凝土配合比、拌合物特性以及外界条件, 如环境温度、搅拌、运输和浇灌技术等。针对不同环境条件、不同工程要求的混凝土, 必须进行适应性试验, 才能使得硬化混凝土具有设计所要求的含气量和合理的气泡结构, 增进了混凝土工程界对引气剂应用技术的认识。
混凝土孔结构性质是影响混凝土抗冻耐久性及其它性质的根本所在。掺引气剂可以改善混凝土孔结构性质, 因此, 测试硬化混凝土孔结构性质是研究混凝土抗冻耐久性能的有效途径和方法之一。
引气剂的掺入虽然是提高混凝土抗冻耐久性最有效的手段, 但引气剂的掺入同时会引起混凝土其它性能降低, 如强度、耐磨蚀能力等。
1.2 减水剂
目前, 减水剂的应用也成为混凝土不可缺少的组份, 使用减水剂可以大幅度降低混凝土的水灰比 (水胶比) , 提高混凝土的强度和致密性, 使混凝土抵抗冻融破坏的能力提高, 从而提高混凝土的抗冻耐久性。在混凝土中掺入高效减水剂可取得的技术经济效果如下: (1) 保持和易性不变, 可减水25%, R28%提高90%, 抗渗性提高4~5倍; (2) 保持和易性不变, 节约水泥25%, R28提高26%, 抗渗性提高2倍; (3) 保持用水量和水泥用量不变, R28提高27%, 抗渗性提高3倍。
在保证混凝土拌和物所需流动性的同时, 尽可能降低用水量, 减少水灰比, 使混凝土的总孔隙, 特别是毛细管孔隙率大幅度降低。水泥在加水搅拌后, 会产生一种絮凝状结构。在这些絮凝状结构中, 包裹着许多拌和水, 从而降低了新拌混凝土的工作性。施工中为了保持混凝土拌和物所需的工作性, 就必须在拌和时相应地增加用水量, 这样就会促使水泥石结构中形成过多的孔隙。当加入减水剂的定向排列, 使水泥质点表面均带有相同电荷。在电性斥力的作用下, 不但使水泥体系处于相对稳定的悬浮状态, 还在水泥颗粒表面形成一层溶剂化水膜, 同时使水泥絮凝体内的游离水释放出来, 因而达到减水的目的。当水灰比降低到0.38以下时, 消除毛细管孔隙的目标便可以实现, 而掺入高效减水剂, 完全可以将水灰比降低到0.38以下。
2 用活性矿物掺合料改善混凝土抗冻耐久性
普通水泥混凝土的水泥石中水化物稳定性的不足, 是混凝土不能抗冻耐久的另一主要因素。在普通混凝土中掺入活性矿物的目的, 在于改善混凝土中水泥石的胶凝物质的组成。
2.1 硅粉的掺入
近年来, 硅粉混凝土也已应用于混凝土工程各个领域, 其抗冻耐久性问题已引起人们的普遍重视, 硅粉作为混凝土混合材已经得到了广泛的应用。
非引气混凝土当水/ (水泥+硅粉) =0.25, 不管硅粉的掺量如何, 皆具有良好的抗冻耐久性。引气硅粉混凝土不管水灰比多少, 硅粉掺量15%以下时都具有较高的抗冻耐久性。非引气硅粉混凝土的抗冻耐久性与基准混凝土比较, 在胶结材总量相同, 塌落度不变的条件下, 非引气硅粉混凝土的抗冻能力高。在相同含气量的情况下, 掺15%的硅粉混凝土比不掺硅粉的基准混凝土, 气孔结构有很大的改善。硅粉对抗冻耐久性有显著的效果, 但硅粉的产量有限而且成本较高。
2.2 矿渣的掺入
磨细矿渣与混凝土内水泥水化生成的Ca (OH) 2结合具有潜在的活性, 但磨细矿渣对提高混凝土的抗冻融性目前也不少研究。随着矿渣掺量的增加, 其混凝土的抗冻融性能愈差, 但掺合比例合适时, 抗冻性能与普通混凝土相比有较大改善。
2.3 粉煤灰的掺入
粉煤灰混凝土的抗冻能力随粉煤灰掺量的增加而降低, 和相同强度等级的普通混凝土相比较, 28d龄期的粉煤混凝土试件抗冻耐久性试验结果偏低, 随着粉煤灰混凝土技术的深入研究和发展, 引气粉煤灰混凝土的抗冻耐久性研究已越来越多地引起人们的关注。粉煤灰的掺量和水灰比影响了高掺量粉煤灰混凝土的孔结构, 并且随着掺量和水灰比的增加而孔隙率增加, 但随时间的延长, 孔隙率会下降。这是因为粉煤灰的掺入改善了混凝土的孔尺寸, 但最大掺量不得超过70%。水胶比在0.25~0.27范围内, 随着粉煤灰内掺量的提高, 不掺引气剂, 混凝土抗冻耐久性随粉煤灰增加而增加。当掺引气剂后, 混凝土抗冻耐久性有先升后降的趋势, 既存在最佳的粉煤灰掺量为30%。相对于许多混凝土而言, 粉煤灰高性能混凝土提高了混凝土的抗渗、抗冻、抗碳化能力。当超细粉煤灰与硅灰相掺时, 提高抗冻耐久性的效果尤为显著, 其冻融循环300次以后, 动弹性模量与重量基本无变化, 而钢纤维的进一步复合有利于混凝土抗冻耐久性的改善。由此可见, 双掺或多掺矿物的复合效应可以提高混凝土抗冻耐久性。
3 结论
由以上综述可以看出, 掺入活性的矿物掺和料是解决混凝土抗冻耐久性问题的有效措施之一, 采用多种矿物掺合料复掺能否提高混凝土抗冻耐久性、其复合叠加效应能否实现及采用的最优配合比要进行大量的试验, 有着广泛的工程应用价值和重要的学术意义。
摘要：根据混凝土冻融破坏的机理, 并结合施工经验, 通过对混凝土抗冻性能的各种影响因素的综合分析, 探讨通过混凝土原材料选择、优化配合比和加强混凝土生产、施工过程的控制, 提高混凝土抗冻能力。
关键词：混凝土,抗冻,配合比
参考文献
[1]袁润章.胶凝材料学[M].武汉:武汉工业大学出版杜.[1]袁润章.胶凝材料学[M].武汉:武汉工业大学出版杜.
[2]A.E谢依金, 10.B.霍夫斯基, M.и.勃鲁谢尔.水泥混土的结构与性能[M].北京:中国建筑工业出版社.[2]A.E谢依金, 10.B.霍夫斯基, M.и.勃鲁谢尔.水泥混土的结构与性能[M].北京:中国建筑工业出版社.
[3]黄人能, 沈威等.新拌混凝土的结构和流变特征[M].北京:中国建筑工业出版社.[3]黄人能, 沈威等.新拌混凝土的结构和流变特征[M].北京:中国建筑工业出版社.
混凝土冻融 篇5
地球上受冻融作用的面积约占全球陆地总面积的70%,在我国,受冻融作用的面积约占国土陆地总面积的`98%.冻融作用对土壤水分、密度、有机质和土壤的机械组成等因素都有不同程度的影响.在东北典型黑土区,通过野外观测和室内试验,研究冻融作用与土壤水分的关系.结果表明:冻融作用使土壤水分由土水势高的下部向土水势低的上部迁移,增加了土壤冻结层的含水量;土壤水分迁移使得下部未冻结层的土壤含水量降低,其降低程度受下部土壤含水量和浅层地下水埋深的影响;冻结过程中土壤水分迁移导致土壤膨胀变形,而土壤的膨胀变形是发生土壤冻融侵蚀的主要因素.研究结果可为东北黑土区冻融侵蚀防治和农业可持续发展提供理论依据.
作 者：景国臣 任宪平刘绪军 刘丙友 张丽华 杨亚娟 王亚娟 Jing Guochen Ren Xianping Liu Xujun Liu Bingyou Zhang Lihua Yang Yajuan Wang Yajuan 作者单位：景国臣,任宪平,刘绪军,刘丙友,杨亚娟,王亚娟,Jing Guochen,Ren Xianping,Liu Xujun,Liu Bingyou,Yang Yajuan,Wang Yajuan(黑龙江省水土保持科学研究所克山实验站,161600,黑龙江克山)
张丽华,Zhang Lihua(黑龙江省宾县农业广播电视学校,150400,黑龙江宾县)
谈衬砌渠道混凝土冻融处理的措施 篇6
关键词：渠道,混凝土,冻融,处理措施
引言
混凝土是当代土木、水利等建设工程最常用材料之一。因其良好的抗渗性、速凝性、坚固性、耐久性及材料来源广且生产工艺简单、能耗低的特点被广泛应用于输水、灌溉渠道衬砌等建筑物的建设中。
砼衬砌板渠道受到水流、气温、风吹雨淋、寒冬等因素的影响, 其易老化损坏, 尤其因冻融循环而发生更大损坏, 如何防止混凝土防冻融是众多人员研究的课题。
1 混凝土的冻融破坏
(1) 冻融破坏的特征。混凝土发生冻融破坏的显著特征是表面剥落和露出石子骨料。混凝土在受冻过程中, 冰冻应力使混凝土产生裂纹。冰冻所产生的裂纹一般多而细小, 因此, 在单纯冻融破坏的场合, 一般不会看到较粗大的裂缝。但是, 在冻融反复交替的情况下, 这些细小的裂纹会不断地扩展, 相互贯通, 使得表层的砂浆或净浆脱落。冻融破坏不仅引起混凝土表面剥落, 而且导致混凝土力学性能的显著降低。大量试验研究表明:随着冻融次数的循环增加, 混凝土的强度特性均呈下降趋势, 其中反映最敏感的是抗拉强度和抗折强度, 即随着冻融次数的递增, 混凝土的抗拉、抗折强度迅速下降, 从而导致开裂、脱落, 直至严重损坏。
(2) 影响混凝土抗冻性的因素。混凝土的抗冻性是指混凝土在含水饱和状态下能经受多次冻融循环而不破坏, 其强度性能与其质量不发生明显减小而影响其功能的发挥。影响混凝土抗冻性能的主要因素有:一是水泥的品种;二是骨料的性质;三是混凝土的密实度;四是混凝土的强度等级;五是混凝土的孔隙构造和数量以及孔隙的充水程度;六是混凝土的水灰比;七是混凝土结构的尺寸。在相同条件下, 混凝土构件的尺寸越小, 混凝土构件越容易发生冻融破坏。
2 改善混凝土抗冻防融的施工措施
(1) 保证混凝土的施工质量。提高混凝土抗冻性最直接、有效的办法是严格施工质量。施工过程须做到严要求高标准, 做到搅拌透彻、浇筑均匀、振捣密实, 绝不允许出现蜂窝、麻面等, 更要注重加强完工后的养护环节与期限。
(2) 选择最佳水灰比, 提高混凝土密实度。水灰比的大小是影响混凝土密实度的主要因素, 提高混凝土的抗冻性, 必须控制好水灰比。生产实践证明掺入水泥重量的0.5%~1.5%时, 可以减少用水15%~25%, 使混凝土的抗冻性提高10%左右。
(3) 掺用引气剂和引气型减水剂。引气剂能改善混凝土坍落度、流动性和可塑性;提高混凝土的抗折强度, 当含气量为3%~5%时, 抗折强度提高10%~20%;大大提高混凝土抗冻性、抗盐渍性、抗渗性、耐硫酸盐侵蚀及抗碱集料反应性能。掺入减水剂能显著改善混凝土的孔隙结构, 使混凝土的透水性降低40%~80%, 从而可提高抗渗、抗冻、抗化学腐蚀及抗锈蚀等能力, 改善混凝土的耐久性。常用的减水剂有木质素、糖蜜、MF复合剂、JG3等。
(4) 使用聚合物浸渍混凝土。常用聚合物一般为合成橡胶乳液, 如氯丁胶乳 (CR) 、丁苯胶乳 (SBR) 、丁腈胶乳 (NBR) ;还有热塑性树脂乳液, 如聚丙烯酸酯类乳液 (PAE) 、聚乙酸乙烯乳液 (PVAC) 等, 聚合物掺加量一般为水泥重量的5%~20%。由于聚合物的引入, 聚合物水泥混凝土改进了普通混凝土的抗拉强度、耐磨、耐蚀、抗渗、抗冲击等性能, 并改善混凝土的和易性。
(5) 掺入防冻剂或早强剂。防冻剂可大幅度降低拌合水的冰点, 防止在塑性状态和早期混凝土内部水分结冰膨胀, 防止冻伤混凝土, 而对混凝土强度性能的危害。防冻剂常用于负温条件下施工的混凝土。目前国产防冻剂品种适用于0~-15℃的气温, 当在更低的气温下施工时, 应增加其它混凝土。冬期施工的措施, 如蓄热法、暖棚法以及原料预热法。
早强剂可促进水泥的水化和硬化进程, 缩短混凝土的凝结时间, 提高早期强度特别适用于冬期施工。目前广泛使用的混凝土早强剂有三种, 即氯化物 (如Ca Cl2、Na Cl等) , 硫酸盐系 (如Na2SO4、K2SO4等) 和三乙醇胺系N (C2H4OH) , 但使用最多的是以它们为基材的复合早强剂。近几年来工程中使用的无氯盐早强减水剂和防冻剂, 对钢筋无锈蚀作用, 在-10℃左右气温条件下使用, 使混凝土具有较强的抗冻害能力, 从而保证冬季施工。
(6) 适量的掺入矿物掺合料。掺入硅粉、矿渣粉煤灰等。可提高混凝土的抗冻融性, 研究表明:随着矿渣掺量的增加, 其混凝土的抗冻融性能愈差, 但掺合比例合适时, 抗冻性能与普通混凝土相比有较大改善;在相同含气量的情况下, 掺15%的硅粉混凝土比不掺硅粉的基准混凝土, 气孔结构有很大的改善。硅粉对抗冻耐久性有显著的效果。
3 防止混凝土冻融破坏的措施
3.1 施工前预防冻害的措施
(1) 优选混凝土骨料。骨料宜选择不含有害杂质, 且骨料中云母、硫化物、硫酸盐、氯盐等含量符合规范要求的II类 (砂, 粗骨料) 。
(2) 根据混凝土适用范围选择水泥。如有抗冻要求的混凝土应优选硅酸盐及普通硅酸盐或硅酸盐大坝水泥并掺用引气剂或塑化剂, 以提高混凝土的抗冻性。
(3) 严格控制混凝土的配合比。应根据工程需要和现场环境, 参考有关资料并通过实验确定相关参数。
3.2 已生发冻害所采取的修补措施
(1) 水泥砂浆修补。适用于轻微的表层破坏, 砂浆强度不得低于原混凝土强度。
(2) 预缩砂浆修补。常用修补处于高流速区的表层缺陷。
(3) 钢纤维喷射修补。在具体操作时需要注意各原材料的投放顺序, 其顺序为:砂、石、钢纤维、水泥、外加剂、水。
(4) 喷浆修补。喷浆密实性好、强度高、高效、省模板等。
(5) 压浆修补。压浆具有收缩率小, 拌合工作量小的优点, 宜用于水下加固。
3.3 丙乳砂浆处理冻融施工措施
(1) 材料质量要求》。①丙乳:质量应符合相关质量标准要求, 并附有生产厂的质量证明书和产品使用说明书, 应按供货单位或制造厂家推荐的方法装运、储存和使用。丙乳需贮存在0℃以上环境中, 保存期为2年;丙乳砂浆施工, 要求气温高于5℃。②水泥:使用强度等级不低于32.5级以上硅酸盐或普通硅酸盐水泥。③砂子:选用细度模数1.6, 粒径小于2.5mm的过筛细砂, 水泥及砂子均需满足相关规范规定。④拌合用水:应符合水工混凝土拌制用水的要求。
(2) 配合比。按照厂家提供的丙乳施工使用说明及与砂浆配合比要求, 灰砂比选用1:2, 丙乳掺量为水泥用量的20%;施工前根据现场水泥和砂子及施工和易性要求确定水灰比, 暂定水灰比为0.4。配比为丙乳:水泥:砂子:水:=1:5:10:1, 水的用量可视情调整。
(3) 严格施工流程措施。混凝土表面缺陷处置:清理凿毛→修补面冲洗并吸水饱和→丙乳砂浆的拌制→基面丙乳净浆打底→铺筑丙乳砂浆→养护→质检。
(4) 严格养护措施。丙乳砂浆表面略干后, 采用喷雾器喷洒或薄膜覆盖养护。终凝后洒水养护, 表面要求湿润状态, 持续7~14天。在阳光直射或风口部位, 注意遮阳、保湿。
4 结束语
浅谈混凝土的冻融破坏及抗冻措施 篇7
关键词：混凝土抗冻性能,破坏机理,抗冻措施
随着混凝土建筑物的增多, 混凝土的抗冻性能要求也日益提高, 尤其在北方冬季较长, 温度较低的状况下, 建筑物对混凝土的抗冻性能要求非常高。对于一些重要的混凝土结构工程, 混凝土的防冻以及冬季施工的要求也尤为重要。
混凝土受冻害损伤可以区分为两种情况:1) 剥落脱皮是由于冻融引起的混凝土表面材料的损伤;2) 内部损伤是表面没有可见效应而在混凝土内部产生的损害, 它导致混凝土性质改变 (如动弹性模量降低) 。至于新拌混凝土受冻害损伤后则会导致混凝土冻胀破坏。混凝土的冻害会对建筑物造成巨大的危害, 所以防治混凝土受冻害损伤在冬季施工中具有重大意义[1,2]。
1 混凝土受冻害损伤有关原因[3]
1.1 新拌水泥混凝土受冻害损伤的原因
新拌混凝土的强度低、空隙率高、含水多, 极易发生冻胀破坏。冻胀破坏的外观特征是材料体内出现若干的冰夹层, 彼此平行而垂直于热流方向。其过程为:结构物表面降温冷却时, 冷流向材料体内延伸, 在深处某水平位置开始冻结, 一般从较粗大孔穴中水分开始, 冰晶形成后从间隙吸水, 发育增长, 且是不可逆转的过程, 水分从材料未冻水或从外部水源补给, 并进行宏观规模的移动。第一层孔穴中冰冻后, 在冰晶生长的过程中, 材料质体受到拉应力σt, 如果超过抗拉强度即破坏。
1.2 成熟混凝土受冻害损伤有关原因
混凝土构件中的孔径分为3个范畴, 即凝胶孔、毛细孔及气泡, 在某一固定负温下混凝土构件中水分只有一部分是可冻水, 可冻水产生多余体积直接衡量冰冻破坏威力。
可冻水 (即冰) 主要集中在水泥石及骨料颗粒的毛细孔中, 凝胶水由于表面的强大作用不大可能就地冻结, 气泡水易冻结。混凝土构件中各种孔径的空隙可认为连续分布, 分布在这些空隙中的水在降温过程中将按顺序逐步冻结, 不可能同时冻结。冻水一般是温度的逆函数, 温度愈低, 可冻水愈多。
连续的毛细管沟网络体系破坏过程:随着水化进展凝胶体生成, 网络的联系被破坏, 分成个别孤立的毛细孔 (水在其中冻结的容器) , 而凝胶连同其特征性凝胶孔和少数细小毛孔就构成透水器壁。随着水化深入, 材料质地致密及温度的下降, 将有更多细小空间的水参与冰冻, 作为器壁的凝胶的渗水性也不断减小。
当冰冻多余水受水压力推动向附近气泡 (逃逸边界) 排除时, 材料本身将受到推移水分前进的反作用力导致受拉破坏。材料组织愈致密水流宣泄不及时, 疏导不畅引起的动水压力增大。
水泥浆中包含的一般是盐类稀溶液, 一旦冰冻后变为纯冰和浓度更高的溶液;随着温度下降, 浓度不断提高。另一方面邻近凝胶中水分始终保持不冻, 其溶液浓度保持原有的水平, 于是在毛细孔溶液和凝胶水之间出现浓度差。其结果毛细孔中水分增加, 和冰接触的溶液稀释, 冰晶逐渐生长、长大。当毛细孔穴充满冰和溶液时, 冰晶进一步生长必将产生膨胀压力, 导致破坏。
另一方面在水压的情况下, 水分冻结膨胀, 多余水在压力推动下外流, 流向可能消纳水分的未冻地点;作为水流的结果压力消失, 析冰情况正好相反。未冻地点的水移动一定距离后, 最后以冰冻结束, 作为水流运动的结果产生压力。
以上两点可以综合为:第一阶段毛细孔中始发的冰冻, 向所有方向产生的水压力, 引起内应力;第二阶段较大毛细孔中水分首先生成冰晶, 可从小孔中吸引未冻结水使自身增长, 产生静应力。
骨料作为一个组分, 如果冰冻膨胀同样会成为导致混凝土破裂的应力来源;为了保证混凝土完好, 必须要求骨料和水泥净浆两者都不破坏。由于引气混凝土的广泛使用, 水泥净浆的抗冻性较易保证;从这个意义上来说, 骨料抗冻性更具有突出意义。在特殊情况岩石吸水率极低 (如重量吸水在0.5%以下的石英岩) , 可冻水极少, 冰水无渗应力出现;根据施工经验应避免使用高度吸水骨料, 小颗粒石粒可以得到较大抗冻保证[4]。
综上所述, 混凝土材料的抗冻性是以下三方面的变函数, 即:
1) 材料的性质:强度、变形、空隙情况;2) 气候条件:冻融循环次数、最低温度、降温速度、降水量、空气相对湿度等;3) 材料使用方式:降水量、自由水及跨越材料的蒸汽压梯度与温度梯度。
区分这三方面变函数将构成研究这一问题的一个根本方式的转变, 这样就有可能正确预言材料在指定环境中的抗冻能力。
2 抗冻理论在工程上的应用
1) 采取掺用防冻剂以降低新拌水泥混凝土的内部水溶液冰点以及干扰冰晶生长, 有效保护未成熟混凝土不受冻胀破坏, 在负温条件下能够继续水化。2) 采取掺用引气剂, 引气不仅在表面无冰时减轻大体积冰诱导冰冻的出现, 并且在过程中也减轻了冰挤出的损害, 消纳更多的毛细孔中冰冻所产生的多余体积, 有助于保护成熟混凝土免于伤害。3) 配合比设计采取高效减水剂尽量降低水灰比并经过充分水化, 就有可能做出实际上不包含可冻水的饱和混凝土构件。不包含毛细水 (或数量很少) 的混凝土构件, 由于凝胶中空间极微细, 结晶的始发十分困难, 并不发生冻结, 故施工中尽量不使用粉煤灰作为外掺料加入混凝土。4) 选用岩石吸水率较低 (如重量吸水在0.5%以下的岩石) , 可冻水极少, 骨料表现安全, 不受冰冻伤害, 同时使用小颗粒石粒可以得到较大抗冻性保证。5) 改善混凝土的气候条件以及使用方式, 在地面以上的混凝土结构的冬季施工中, 采取棉毡包裹等有效的蓄热保温措施, 以此延长混凝土养护周期, 保证成熟混凝土充分水化, 尽量降低构件毛细水含量, 防止成熟混凝土受冻。
3 冻融破坏的修补措施
混凝土的冻融剥蚀进程一般比较缓慢, 初期阶段易被忽视, 直到显露出明显特征才被发现。冻融剥蚀破坏发生后, 首先要明确在特定工程条件下引发和控制冻融剥蚀发生、发展的主要因素, 分清其中的可消除因素, 根据工程维护管理资料确定或估计冻蚀的发展速度 (年剥蚀深度) , 分析冻蚀现状 (深度和范围) 以及今后可能的发展或诱发其他病害对建筑物的安全性、适用性、耐久性和美观的影响及危害严重程度, 最后判断修补处理的必要性及轻重缓急或采取相应的防护措施[8,9]。对遭受冻融破坏的混凝土结构, 目前均按照“凿旧补新”原则进行修补, 亦即将已遭受冻融破坏的混凝土全部凿除, 回填具有高抗冻性能的优质修补材料, 在某些情况下还可采取防水, 止住渗漏和排水等补救处理措施。
4 冻融破坏的修补材料
1) 高抗冻性混凝土。2) 聚合物水泥砂浆。3) 预缩水泥砂浆。此外, 冻融破坏的修补工艺也是非常重要的影响因素。良好的处理方法能够大大改善混凝土的抗冻性能, 满足较高的抗冻性要求。
5 结语
混凝土在长期的冻融下, 非常容易遭到破坏, 致使构件表面产生剥落, 从而大大影响了混凝土结构正常的使用功能。本文从混凝土的相变化以及冻融破坏产生的原因出发, 分析了影响混凝土抗冻性能的种种因素, 以及改善混凝土抗冻性的措施。
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混凝土冻融 篇8
在北方寒冷地区, 混凝土工程在养护过程中经常会遇到天气骤变现象, 气温的突然降低会对混凝土造成一定的损伤, 但随着气温的回升及后期养护的加强, 混凝土因冻融产生的损伤会有一定的恢复, 即混凝土会有一定的自愈性能, 尤其是在混凝土的龄期小于3 个月的情况下, 其自愈性能会更加明显[1,2,3,4]。针对混凝土在冻融循环环境下损伤后能够自愈的特点, 本文通过模拟试验对冻融损伤后混凝土的自愈性能进行了初步研究, 并利用扫描电镜对其微观结构进行了观测。
1 试验概况
1. 1 试验原材料
本试验使用的材料均为工程中的常用材料, 水泥为山东冀东水泥厂生产的P·O 42. 5 普通硅酸盐水泥; 细骨料为天然河砂, 表观密度2. 65 g /cm3, 饱和面干燥含水率1. 4% , 细度模数2. 79, 级配分区为Ⅱ级; 粗骨料为机制硬质花岗岩碎石, 粒径5 ~20 mm, 表观密度2. 74 g / cm3, 饱和面干燥含水率1. 1% , 压碎值7. 0% ; 水为符合混凝土使用标准的饮用自来水; 外加剂为聚羧酸高效减水剂。
1. 2 混凝土配合比
本试验研究了工程中常用的C25、C45、C60 等3 个强度等级的混凝土冻融循环后的自愈性能, 自愈性能采用抗压强度值来表征。混凝土的工作性能按照工程常规要求设计, 其中C25 混凝土的设计坍落度为15 cm ± 3 cm, C45 混凝土的设计坍落度为18 cm ± 3 cm, C60 混凝土按高性能混凝土考虑, 设计坍落扩展度为60 cm ± 5 cm。混凝土的具体配合比见表1。
1. 3 试验方法
试验按照GB /T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行。试件采用边长100 mm × 100 mm × 100 mm的立方体试件。混凝土浇筑1 d后脱模, 置于标准养护室养护28 d, 第29 d开始标准冻融循环。冻融开始前, 按照混凝土冻融试验标准将试件放置于20 ℃ ± 2 ℃ 的水中浸泡4 h, 然后放入标准冻融箱开始冻融试验。根据相关试验标准, 试件冻结时间≥4 h, 试件的冻结温度保持在- 20 ℃ ± 2 ℃。冻结结束后, 取出试件放入融化水槽, 水槽水温保持在20 ℃ ± 2 ℃, 试件的融化时间不少于4 h。本试验中, 冻融循环次数设定为50 次, 冻融试验结果以抗压强度来评估。
2 试验结果及分析
2. 1 试验结果
表2 列出了本试验中3 种配合比的混凝土试件在试验室标准养护、50 次冻融循环及冻融循环后自愈养护条件下的抗压强度试验值。
从表2 试验数据可知, 经过50 次冻融循环, 3 个强度等级混凝土的抗压强度均有一定的下降。冻融循环后, 经过7 d及14 d的自愈养护, 混凝土的强度有较大幅度的回升。其中水胶比B /C = 0. 60和B /C = 0. 40 低、中强度等级混凝土自愈养护14 d后, 强度超过了标准养护28 d强度, 甚至与试验室标准养护91 d的强度相差不多; 水胶比B /C = 0. 25的高强度高性能混凝土自愈养护后强度虽也有较大幅度的提高, 但自愈养护14 d的强度依然没有达到试验室标准养护28 d的强度。
2. 2 结果分析
为了能更好地分析冻融后混凝土自愈养护的效果, 以50 次冻融循环后混凝土的损伤强度为基准, 在表3 中列出了自愈养护及试验室标准养护条件下的抗压强度相对值。经过自愈养护后, 不同强度等级混凝土的抗压强度均有不同程度的提高, 随着养护时间加长, 试块混凝土的自愈程度加大。对于低强度等级 ( C25) 的混凝土, 养护7 d及14 d后, 混凝土抗压强度分别提高25. 3% 和46. 3% , 超过了冻融前标准养护28 d的强度; 对于中等强度等级 ( C45) 混凝土, 养护7 d及14 d后, 混凝土抗压强度分别提高13. 8% 和22. 2% , 也超过了冻融前标准养护28 d的强度; 对于高强度等级 ( C60) 的混凝土, 养护7 d及14 d后, 混凝土抗压强度分别提高8. 9% 和16. 7% , 未达到冻融前标准养护28 d的强度。从以上分析数据可知, 低强度等级的混凝土冻融后适当养护的自愈性能要优于高强度混凝土。
2. 3 自愈性能微观分析
为了探索混凝土的自愈机理, 利用扫描电镜 (SEM) 对混凝土的微观结构进行了观察。图1和图2分别是混凝土养护28 d龄期及50次冻融循环作用后的SEM照片。比较图1与图2, 随着冻融作用的发生, 混凝土结构中产生针状钙矾石晶体, 冻融前比较致密的水化物也变得疏松, 并出现大量的微小裂缝, 表明冻融作用破坏了混凝土的微观结构。图3为混凝土自愈后的SEM照片, 混凝土在自愈养护中产生大量的层叠状的Ca (OH) 2晶体, 修补了由于冻融产生的微裂缝, 从而提高了混凝土的抗压强度。
3 结论
3. 1 混凝土经受冻融循环作用破坏后, 压缩强度会有一定幅度的降低, 但冻融循环后经过一定时间适当的养护, 混凝土强度有提高的现象, 即表现出一定的自愈能力[4]。
3. 2 混凝土冻融后的自愈增长强度随养护时间的增长而增大, 且低强度等级的混凝土冻融后的自愈能力要优于高强度混凝土。
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混凝土在冻融循环下耐久性研究现状 篇9
1 混凝土冻融破坏机理及其研究参数
混凝土在饱水状态下因冻融交替作用下产生的破坏作用称为冻融破坏, 饱水状态和冻融循环交替作用是发生混凝土冻融破坏的必要条件。混凝土冻融循环产生的破坏作用主要有冻胀开裂和表面剥蚀两个方面, 冻胀开裂使混凝土的弹性模量、抗压强度、抗拉强度等力学性能严重下降, 危害结构物的安全性。
1.1 混凝土冻融破坏机理
关于混凝土受冻破坏机理各国学者进行了很多研究, 其中以美国的Powers在1945提出的静水压理论、Powers和Helmuth在1953年提出的渗透压理论最具影响。静水压理论认为, 混凝土毛细孔中的饱和水在结冰时体积膨胀9%, 迫使未结冰的孔溶液从结冰区向外迁移而产生静水压力;渗透压假说认为, 由于混凝土孔溶液含有、、等盐类, 大孔中的部分溶液先结冰后, 未冻溶液中盐的浓度上升, 与周围较小孔隙中的溶液之间形成浓度差, 这个浓度差迫使小孔中溶液向已部分冻结的大孔迁移而产生渗透压。但到目前为止, 静水压假说和渗透压假说何者是冻融破坏的主要因素, 尚未定论。一般认为水灰比较大、强度较低、期龄较短、水化程度较小的混凝土, 静水压破坏是主要的;而对水灰比较小、强度较高及含盐量大的环境下冻结的混凝土, 渗透压起主要作用。
1.2 混凝土抗冻性研究中的参数
平均气泡间距和临界水饱和度作为混凝土抗冻性研究的两个重要参数, 已得到公认。Powers在1954年用冻融循环法测抗冻性, 在显微镜下测空气泡含量及比表面积, 以此算出平均气泡间隔系数, 将抗冻性显著变化时的平均气泡间隔系数定义为极限平均间隔系数;Fagerlund在1977年提出了平均气泡间隔系数的计算公式:
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美国学者Emmanuel在1996 ACI上发表文章认为, 原来的气泡间隔系数计算公式, 推导过程的假设不准确, 他根据几何概率和体视的原理, 推导出平均气泡间隔系数的计算公式: 。邓正刚等将国内部分试验成果按上述两式进行了计算比较, 证明Emmanuel公式可将混凝土抗冻性的判断准确率从40%提高到90%。
1975年, Fagerlund又提出了临界水饱和度理论。该理论认为随着混凝土中空气泡吸水的增加, 平均气泡间距系数将减少, 因此从理论上讲混凝土的水饱和度必然存在一个与极限平均气泡间隔系数相对应的临界值。当混凝土的水饱和度小于此值时, 混凝土就不会发生冻害, 当混凝土的水饱和度大于此值时, 混凝土将迅速冻坏, 这一临界值即是临界水饱和度。
2 基于材料层次的混凝土抗冻研究
基于混凝土材料层次上的抗冻性研究, 一般认为有两种破坏形式:一般的冻融破坏和盐冻破坏。其破坏作用主要有冻胀开裂和表面剥蚀:一般冻融破坏, 在其表面都可以看到裂缝和剥落;而盐冻破坏的主要特征则是表面剥蚀。各研究者从混凝土的破坏机理出发, 分析了混凝土抗冻性的影响因素:平均气泡间隔系数、水灰比、外加剂、强度、骨料、水泥品种、水泥用量、混合材料、盐的种类等, 并认为平均气泡间距为最为主要的影响因素。Fagerlund与Emmanuel提出的平均气泡间距系数计算公式虽然在判断混凝土是否抗冻的准确率上有差异, 但公式中反映出的平均气泡间距系数的影响因素是一致的:平均气泡间距系数主要与含气量和水灰比有关。
盐冻破坏是混凝土冻融破坏的一种特殊形式, 指在冻融循环条件下, 由除冰盐引起的路面混凝土剥蚀。其机理即有与一般混凝土的冻融相似的一面, 又有其自身特点。一方面, 除冰盐降低水的冰点, 对减少冻融破坏是一个有利因素, 另一方面, 使用除冰盐会增加混凝土的初始饱水度、渗透压及产生结晶压力等对冻融破坏的不利影响。总的说来, 盐冻破坏对混凝土的影响比一般混凝土冻融破坏严重得多。杨全兵等研究者的试验证明, 由于不同种类盐的吸湿性不同, 其对混凝土的剥蚀程度依次为氯化纳>尿素>氯化钙>海水>硫酸钠。
对上述单一因素作用下混凝土抗冻性的问题, 国内外开展的研究工作, 其中除了水泥品种、水泥用量和混合材料掺量对混凝土抗冻性的影响由于各国试验条件不同尚无统一结论外, 其它的许多结论和经验公式已经在学术界达成共识, 并且在工程实际中得到很好的应用和验证。
3 基于结构层次的混凝土抗冻研究
实际中的混凝土并不是在单一因素下工作的, 而是经受着荷载和环境等多种因素协调作用, 如寒冷地区的混凝土结构就经受冻融循环和荷载等的共同作用。实践证明, 多种因素共同作用时, 对混凝土的冻融破坏并不是各单一因素作用的简单叠加, 这使得以往在单一因素作用条件下所得的结论和经验公式具有一定的局限性。为此, 从90年代起一些混凝土科学工作者逐步开展了多因素协同作用下混凝土抗冻性的研究, 其中较多的是研究在荷载作用下混凝土的冻融性能, 混凝土抗冻性研究也随之进入了结构层次的研究。
慕儒等进行了荷载和冻融循环双重损伤因子同时作用下高性能混凝土 (HPC) 的损伤与损伤抑制试验;严安等建立了荷载作用下冻融循环断裂可靠度的概率统计方法, 提出了等效“等效冻融循环寿命”的概念;黄鹏飞等采用自行研制的一套环境性能综合评估试验方法研究了盐冻循环、钢筋腐蚀与弯曲荷载协同作用下钢筋混凝土损伤失效的演变过程;研究孙伟等研究了混凝土在弯曲荷载+冻融+除冰盐腐蚀等多重因素作用下的耐久性。
上述在荷载作用下多因素的混凝土抗冻能研究, 较一致的结论是:应力的存在加速了混凝土的劣化过程和损伤程度, 这种劣化过程和损伤程度会随着应力比的增大而加快加深, 且在荷载和冻融双因子作用下, 混凝土的损伤速率远大于两个因子单独作用时损伤程度的叠加。其加速机理在于:荷载于荷载和冻融对高强混凝土的破坏机理不同, 冻融作用下, 试件很早就会出现微裂缝, 而荷载产生的弯矩在冻融引起的微裂缝处又会使应力集中, 从而使裂缝迅速变宽, 加速裂缝的引伸、发展和破坏进程, 裂缝的发展反过来会加剧混凝土的冻胀破坏。
关于预应力混凝土的冻融研究, 近年才有所报道。由于预应力混凝土一直处于高应力状态, 其冻融破坏也应有别如一般弯曲应力状态下的冻融破坏。江苏大学的刘荣桂等从损伤理论的角度对预应力混凝土冻融破坏进行了研究, 结果表明:随着应力水平的提高, 混凝土的抗应变能力是增大的, 预应力混凝土的抗冻能力要好于普通混凝土, 并且随着应力水平的提高, 抗冻能力也得以提高。由于压应力状态下混凝土的受力性能类似预应力状态下混凝土的受力性能, 我们可以考虑采用压应力状态下的混凝土来模拟预应力混凝土的冻融性能。邹超英等研究了压应作用对抗冻混凝土力学性能的影响, 结果表明压应力降低了混凝土的峰值应变, 且应力水平越高, 降低幅度越大。可见预压应力对混凝土冻融性能的影响存在不同见解, 应进一步研究。
4 结语
混凝土抗冻性在材料层次上的研究经过几十年的发展, 已经形成了比较系统的理论, 各国已建立了有关混凝土抗冻性的一系列标准以确保混凝土工程的抗冻安全性。多因素下混凝土抗冻性研究目前取得了不少研究成果, 但是总的来说仍然处于起步阶段, 现有结果仅是初步的、分散的, 还没形成比较完整的体系。结构层次上的研究也仅限于对构件的研究, 在此基础上建立的混凝土抗冻性预测模型用来评估整个结构物的抗冻性也必然存在缺陷, 必须建立构件与结构物抗冻性能的量化关系。另外, 混凝土的冻融破坏反过来造成预应力损失而引起预应力混凝土失效问题也应引起广大研究者的重视。
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混凝土冻融 篇10
我国北方寒冷地区的混凝土建筑物和构筑物,在冬季都遭受不同程度的冻融破坏。目前,对混凝土抗冻性能的研究,国内外已开展了一些研究工作,但主要集中在对混凝土抗冻指标方面的研究,而针对冻融循环对混凝土力学性能影响的研究不多。
目前,关于混凝土冻融破坏机理,国内外在理论方面还没有达到共识。从1940年开始,国内外学者相继对混凝土冻融破坏机理展开了研究。有美国的鲍尔斯提出的静水压假说和渗透压假说;前苏联学者基于力学概念,提出的现象学观点等,这些研究基本都是经假设和推导而得出结论,从纯物理的模型出发的。
由于混凝土冻融循环的试验方法和条件不同,试验数据具有一定的离散性。目前,关于冻融循环对混凝土力学性能影响的研究,只有少量文献对冻融循环后的普通混凝土进行了多轴应力状态的试验研究[9,10],大多数研究还是针对混凝土在单轴应力状态下进行的。因此,开展冻融循环后混凝土多轴力学性能研究,对于准确分析处于复杂应力状态的混凝土结构在恶劣环境因素下的力学性能尤为重要。
2影响混凝土抗冻性能的主要因素
1)含气量和引气剂的影响。
含气量对混凝土抗冻性有直接影响。在混凝土中,掺入适当的引气剂,可使混凝土的抗冻性提高8倍～10倍左右;
2)水灰比。
随着水灰比的增加,混凝土的抗冻性能逐渐降低,因为水灰比直接影响混凝土的孔隙率及孔结构;
3)平均气泡间距的影响。
平均气泡间距越大,则导致混凝土毛细孔中的静水压和渗透压越大,造成混凝土的抗冻性越低;
4)掺加料。
除引气剂外,减水剂对混凝抗冻性也有一定影响;
5)饱水状态。
混凝土含水量大,则受冻时易于破坏。因为混凝土冻融破坏与其孔隙的饱水程度密切相关;
6)水泥品种。
水泥品种不同,则熟料部分的相对体积和硬化速度有所不同,将直接影响混凝土的抗冻性能。
3混凝土冻融破坏机理
目前,对混凝土抗冻性能的研究,国内外已进行了一些试验研究工作[1,2,3,4,5,6,7,8]。早期开展研究的有美国的鲍尔斯,他提出的破坏理论是静水压假说和渗透压假说。他通过对水泥净浆结构的抗冻性能的研究,建立了比较完整的混凝土冻融破坏理论体系,受到国际学术界的高度重视。进入20世纪70年代,混凝土抗冻性能的研究又有了一些进展,加拿大和德国的科学家用热力学理论,分析固、液、气三相共存平衡的条件,根据自然界的客观规律指出事物发展的必然性,来揭示混凝土冻融破坏机理。前苏联学者从力学概念出发,提出了现象学观点。混凝土冻融破坏机理在很大程度上指导了混凝土材料抗冻性的研究,对提高混凝土抗冻性能起到了重要作用。但迄今为止,国内外在冻融破坏理论方面还没有达成共识。
4混凝土抗冻性能研究现状
从国内外发表的相关文献看,对混凝土抗冻性能的研究,大多是针对混凝土抗冻安全设计等级而展开的,没有考虑混凝土的强度指标。按照我国现行标准,对混凝土抗冻等级的规定是同时满足相对动弹模值不小于60%和质量损失率不超过5%时的冻融次数。文献[2]的试验发现,经125次冻融循环后,当相对动弹模值接近60%时,普通混凝土抗压强度仅为冻融循环前的39%,强度降低很多。文献[3]的试验发现,经300次冻融循环后,加气混凝土的相对动弹模值为61%时,抗压强度仅为冻融循环前的49.5%。因此,应该对冻融循环后混凝土力学性能的变化引起足够的重视。
水工及海工中的混凝土结构大部分处于复杂应力状态。文献[9][10]对冻融循环后混凝土进行了双轴压和三轴压下的力学性能试验研究。文献[9]的试验研究发现,在相同冻融循环次数后,双轴压混凝土的抗压强度较单轴压极限强度提高,提高程度取决于应力比的大小,在应力比为1∶0.5时,极限抗压强度提高幅度最大,为单轴抗压强度的1.5倍左右。
文献[10]的试验研究发现,在相同冻融循环次数后,三轴压混凝土的抗压强度值大大提高,尤其在应力比为0.1∶0.5∶1时,极限抗压强度为单轴抗压强度的3倍～6倍。因此,设计中考虑冻融循环后多轴压混凝土强度比单轴压混凝土强度提高的特点,可大大节省材料。
5结语
国内外对冻融循环后混凝土破坏机理和影响因素的研究取得了一些成果,但是在冻融破坏的理论方面还没有达到共识。关于冻融循环对混凝土力学性能影响的研究,只有少数科研院所开展了冻融循环后混凝土的多轴力学试验研究,大多数文献还是针对混凝土在单轴应力状态下而进行的。因此,开展冻融循环后混凝土力学性能的试验研究,对丰富混凝土抗冻性能理论具有重要意义。
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