混凝土抗凍及其應(yīng)用

摘　要:混凝土受凍害損傷可以區(qū)分為兩種情況: (1) 剝落脫皮是由于凍融引起的混凝土表面材料的損傷; (2) 內(nèi)部損傷是表面沒有可見效應(yīng)而在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的損害,它導(dǎo)致混凝土性質(zhì)改變(如動彈性模量降低) 。至于新拌混凝土受凍害損傷后則會導(dǎo)致混凝土凍脹破壞。

關(guān)鍵詞:抗凍;混凝土;受凍害損傷;原因;應(yīng)用

中圖分類號:TU755. 8

1 　引言

　　近幾年,寧夏建筑業(yè)呈迅猛發(fā)展趨勢,每年有一大批國家、省、市重點(diǎn)工業(yè)建筑項(xiàng)目和住宅工程立項(xiàng)實(shí)施,有時,由于工期緊張,冬季施工在所難免,在這種情況下,掌握混凝土抗凍理論及在實(shí)際施工中的應(yīng)用顯得尤為迫切。

2 　混凝土受凍害損傷有關(guān)原因

2. 1 新拌水泥混凝土的受凍害損傷的原因

　　新拌混凝土的強(qiáng)度低、空隙率高、含水多,極易發(fā)生凍脹破壞。凍脹破壞的外觀特征是材料體內(nèi)出現(xiàn)若干的冰夾層,彼此平行而垂直于熱流方向。其過程為:結(jié)構(gòu)物表面降溫冷卻時,冷流向材料體內(nèi)延伸,在深處某水平位置開始凍結(jié),一般從較粗大孔穴中水分開始,冰晶形成后從間隙吸水,發(fā)育增長,且是不可逆轉(zhuǎn)的過程,水分從材料未凍水或從外部水源補(bǔ)給,并進(jìn)行宏觀規(guī)模的移動。第一層孔穴中冰凍后,在冰晶生長的過程中,材料質(zhì)體受到拉應(yīng)力σt ,如果超過抗拉強(qiáng)度即破壞。

2. 2 成熟混凝土受凍害損傷有關(guān)原因

　　混凝土構(gòu)件中的孔徑分為三個范疇,即凝膠孔、毛細(xì)孔及氣泡,在某一固定負(fù)溫下混凝土構(gòu)件中水分只有一部分是可凍水,可凍水產(chǎn)生多余體積直接衡量冰凍破壞威力。

　　可凍水(即冰) 主要集中在水泥石及骨料顆粒的毛細(xì)孔中,凝膠水由于表面的強(qiáng)大作用不大可能就地凍結(jié),氣泡水易凍結(jié)?；炷翗?gòu)件中各種孔徑的空隙可認(rèn)為連續(xù)分布,分布在這些空隙中的水在降溫過程中將按順序逐步凍結(jié),不可能同時凍結(jié)。凍水一般是溫度的逆函數(shù),溫度愈低,可凍水愈多。

　　連續(xù)的毛細(xì)管溝網(wǎng)絡(luò)體系破壞過程;隨著水化進(jìn)展凝膠體生成,網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)系被破壞、分成個別孤立的毛細(xì)孔(水在其中凍結(jié)的容器) ,而凝膠連同其特征性凝膠孔和少數(shù)細(xì)小毛孔就構(gòu)成透水器壁。隨著水化深入,材料質(zhì)地致密及溫度的下降,將有更多細(xì)小空間的水參與冰凍,作為器壁的凝膠的滲水性也不斷減小。

　　當(dāng)冰凍多余水受水壓力推動向附近氣泡(逃逸邊界) 排除時,材料本身將受到推移水分前進(jìn)的后應(yīng)反作用力導(dǎo)致受拉破壞。材料組織愈致密水流宣泄不及,疏導(dǎo)不暢引起的動水壓力增大。

　　水泥漿中包含的一般是鹽類稀溶液,一旦冰凍后變?yōu)榧儽蜐舛雀叩娜芤?隨著溫度下降,濃度不斷提高。另一方面鄰近凝膠中水分始終保持不凍,其溶液濃度保持原有的水平,于是在毛細(xì)孔溶液和凝膠水之間出現(xiàn)濃度差。濃度差使得溶劑向溶液中自發(fā)擴(kuò)散滲透,即溶質(zhì)向凝膠水中擴(kuò)散,而凝膠水向毛細(xì)孔中濃溶液轉(zhuǎn)移。其結(jié)果毛細(xì)孔中水分增加,和冰接觸的溶液稀釋,冰晶逐漸生長,長大。當(dāng)毛細(xì)孔穴充滿冰和溶液時,冰晶進(jìn)一步生長必將產(chǎn)生膨脹壓力,導(dǎo)致破壞。

　　另一方面在水壓的情況下,水分凍結(jié)膨脹,多余水在壓力推動下外流,流向可能消納水分的未凍地點(diǎn);作為水流的結(jié)果壓力消失,析冰情況正好相反:水分不是從冰凍地點(diǎn)外流,而是從未凍地點(diǎn)(凝膠)流向已凍冰地點(diǎn)(毛細(xì)孔) ,方向恰好相反。未凍地點(diǎn)的水移動一定距離后,最后以冰凍結(jié)束,作為水流運(yùn)動的結(jié)果產(chǎn)生壓力。

　　以上兩點(diǎn)可以綜合為:第一階段毛細(xì)孔中始發(fā)的冰凍,向所有方向產(chǎn)生的水壓力,引起內(nèi)應(yīng)力;第二階段較大毛細(xì)孔中水分首先生成冰晶,可從小孔中吸引未凍結(jié)水使自身增長,產(chǎn)生靜應(yīng)力。

　　骨料作為一個組分,如果冰凍膨脹同樣會成為導(dǎo)致混凝土破裂的應(yīng)力來源;為了保證混凝土完好,必須要求骨料和水泥凈漿兩者都不破壞。由于引氣混凝土的廣泛使用,水泥凈漿的抗凍性較易保證;從這個意義上來說,骨料抗凍性更具有突出意義。如顆粒大到一定限度以上,核心存在的距離任何逃逸邊界均在臨界尺寸以上的保水區(qū)域,此時將因超過骨料破裂強(qiáng)度的內(nèi)部水壓力而破裂,這就是臨界儲存效應(yīng)。凡屬中等吸水、細(xì)孔結(jié)構(gòu)、滲透較低的巖石,這種危險較突出;空隙多、滲透性強(qiáng)的骨料臨界尺寸也很大。在特殊情況巖石吸水率極低(如重量吸水在0. 5 %以下的石英巖) ,可凍水極少,冰水是無滲應(yīng)力出現(xiàn);根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)應(yīng)避免使用高度吸水骨料,小顆粒石粒可以得到較大抗凍保證。

　　綜上所述,混凝土材料的抗凍性是以下三方面的變函數(shù)即: (1) 材料的性質(zhì)(強(qiáng)度、變形、空隙情況) ; (2) 氣候條件(凍融循環(huán)次數(shù)、最低溫度、降溫速度、降水量、空氣相對濕度等) ; (3) 材料使用方式(降水量、自由水及跨越材料的蒸氣壓梯度與溫度梯度) 。區(qū)分這幾方面變數(shù)將構(gòu)成研究這一復(fù)雜問題的一個根本方式的轉(zhuǎn)變,這樣我們就有可能正確預(yù)言材料在指定環(huán)境中的抗凍能力。

3 　利用抗凍理論在工程上應(yīng)用

　　根據(jù)材料的抗凍性上述的函數(shù),在施工實(shí)踐中采取的抗凍施工措施如下:

　　采取摻用防凍劑以降低新拌水泥混凝土的內(nèi)部水溶液冰點(diǎn)以及干擾冰晶生長,有效保護(hù)未成熟混凝土不受凍脹破壞,在負(fù)溫條件下能夠繼續(xù)水化。采取摻用引氣劑,引氣不僅在表面無冰時減輕大體積冰誘導(dǎo)冰凍的出現(xiàn),并且在過程中也減輕了冰擠出的損害,消納更多的毛細(xì)孔中冰凍所產(chǎn)生的多余體積,有助于保護(hù)成熟混凝土免于傷害。

　　配合比設(shè)計(jì)采取高效減水劑盡量降低水灰比并經(jīng)過充分水化,就有可能做出實(shí)際上不包含可凍水的飽和混凝土構(gòu)件。不包含毛細(xì)水(或數(shù)量很少) 的混凝土構(gòu)件,由于凝膠中空間極微細(xì),結(jié)晶的始發(fā)十分困難,并不發(fā)生凍結(jié),故施工中盡量不使用粉煤灰作為外摻料加入混凝土。

　　選用巖石吸水率較低(如重量吸水在0. 5 %以下的巖石) ,可凍水極少,骨料表現(xiàn)安全,不受冰凍傷害,同時使用小顆粒石粒可以得到較大抗凍性保證。改善混凝土的氣候條件以及使用方式,在地面以上的混凝土結(jié)構(gòu)的冬季施工中,采取棉氈包裹等有效的蓄熱保溫措施,使新拌混凝土在正溫條件下水化,強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后采取棉氈包裹繼續(xù)保溫,以此延長混凝土養(yǎng)護(hù)周期,保證成熟混凝土充分水化,盡量降低構(gòu)件毛細(xì)水含量,防止成熟混凝土的受凍。

　　混凝土的冬季施工要求:

　　(1) 混凝土冬季施工的材料儲備保溫。為避免入冬以后進(jìn)料困難、砂石料在料場或運(yùn)輸過程中受凍,砂石料應(yīng)在入冬前組織進(jìn)場;砂石料應(yīng)在入冬前進(jìn)行蓋上10cm 以上的草袋以及棉氈或采取其它措施,必須保證砂石料不受凍、溫度在0 ℃以上,同時防止出現(xiàn)冰雪、凍塊進(jìn)入攪拌機(jī)內(nèi),給混凝土溫度帶來損失;防止過大的凍塊堵塞砂石料輸送帶;防止部分凍塊進(jìn)入攪拌機(jī)內(nèi)會很難被粉碎、溶化,嚴(yán)重影響混凝土質(zhì)量;水泥、外加劑應(yīng)在庫房或暖棚內(nèi)進(jìn)行保溫,禁止對其進(jìn)行直接加溫;冬季溫度過低,應(yīng)提前做好水源儲備并防止污染。

　　(2) 混凝土拌和料的加溫。在對攪拌站進(jìn)行搭設(shè)溫棚保溫、砂石料保持正溫的情況下,混凝土拌和料要加溫,拌和水加熱溫度根據(jù)混凝土拌和物混合溫度和計(jì)算控制。

　　(3) 混凝土的拌和?；炷涟韬土系耐读享樞?1) 砂石料進(jìn)拌和機(jī)加90 %的水進(jìn)行攪拌1min ;2) 水泥、外加劑進(jìn)拌和機(jī)進(jìn)行攪拌1. 5min 以上并補(bǔ)充剩余10 %的水分;砂石料與水泥、外加劑分開進(jìn)料斗,必須以此防止水泥、外加劑接觸熱水發(fā)生水泥“假凝”現(xiàn)象;拌和時間適當(dāng)延長,以防止出現(xiàn):a) 混凝土顏色不均勻、外觀質(zhì)量問題; b) 防止材料間熱交換時間過短,混凝土和易性和施工性能差。

　　(4) 混凝土的運(yùn)輸。各種混凝土運(yùn)輸車、混凝土輸送泵以及管道在使用前必須用熱水清洗加溫;保證運(yùn)輸過程順暢、運(yùn)輸速度快速;混凝土泵安裝后要加保溫采暖棚,管道用棉氈包裹保溫;管道在使用前后用熱水沖洗干凈,防止混凝土殘料在管道內(nèi)凍結(jié)、影響暢通。

　　(5) 混凝土的澆筑。舊混凝土要沖洗干凈,并進(jìn)行加溫,包括模板、鋼筋均必須采取有效措施如暖棚進(jìn)行加溫至10 ℃以上方可進(jìn)行混凝土澆筑;盡量減少因施工操作引起的混凝土拌和物溫度損失,如減少混凝土暴露時間、及時對混凝土予以保溫。

　　(6) 混凝土的溫度監(jiān)控。建立溫度檢測制度、指定專人負(fù)責(zé),建立完整的檢測記錄。