混凝土受凍機理及防凍外加劑作用研究
2005-06-20 00:00
[摘 要] 本文綜合并分析了多年來關于混凝土受凍機理的敘述，并對防凍外加劑作用進行研究。
[關鍵詞] 混凝土； 凍融破壞； 防凍劑
Research on the concrete frost mechanism and the anti2freezing admixure action
SU Xiao ning ， WA N G Xuan ， CHI Dao cai
Abstract ： This paper concluded and analyzed the depiction that concerned concrete frost mechanism for many years ，and studied the anti2freezing mixture action.
Key words ： concrete ； freezing and thawing destory ； anti2freezing mixture
前言
我國地域遼闊，在長江中下游、東北、華北、及內(nèi)蒙、青海、新疆等地，冬季氣溫都在- 5 ℃以下。低溫對混凝土十分不利，在這些地區(qū)的混凝土的破壞多數(shù)與凍融作用有關，混凝土在凍融循環(huán)作用下破壞是關系到建筑物使用壽命、工程質量、安全等方面的重大問題。凍融破壞是混凝土水工建筑物損壞的主要形式之一，凍融破壞嚴重影響水工建筑的正常運行，必須充分認識它的嚴重性，了解其破壞原因，采取正確的設計、施工和管理措施以減輕凍融破壞對建筑物的影響，就此問題國內(nèi)外混凝土專家對混凝土抗凍問題的研究日益重視，各自理論不斷提出，各種方法不斷采用，都力圖通過對混凝土受凍機理研究而找到提高混凝土抗凍性能的更有效、更經(jīng)濟、更實用的方法。
1 國內(nèi)外關于混凝土受凍機理的研究狀況如下
1.1 水轉化為冰的相變過程
常溫下硬化混凝土是由未水化的水泥、水泥水化產(chǎn)物、集料、水、空氣共同組成的氣- 液- 固三相平衡體系，當混凝土處于負溫下時，其內(nèi)部孔隙中的水分將發(fā)生從液相到固相的轉變。對混凝土受凍破壞的現(xiàn)象，人們最初僅僅是以水結冰時體積膨脹9 %這一自然現(xiàn)象來解釋，認為這種現(xiàn)象和盛滿水的密閉容器受凍后脹裂的破壞情況類似。當孔溶液體積超過91 %時，溶液結冰后產(chǎn)生膨脹壓力使混凝土結構破壞。但這種過于簡單的觀點無法解釋復雜的混凝土受凍破壞的動力學過程。而且試驗表明水飽和度低于91 %時，混凝土也可能受凍破壞。這說明混凝土受凍破壞的機理遠遠不止這么簡單。大量的研究表明影響混凝土受凍破壞的原因很多，其機理相當復雜。但從本質上說，混凝土受凍破壞主要取決于混凝土中水的存在形式。
1.2 混凝土中水的存在形式及空隙中飽水程度
在混凝土硬化初期混凝土中水存在形式：
(1) 結晶水。如鈣礬石等晶體中所含的水稱結晶水，這部分水是不可能結冰的。
(2) 吸附水。也稱凝膠水，存在于各種水化物，如鈣礬石的膠凝孔中，因凝膠孔尺寸很小，一般為15 ! ～20 ! 之間僅比水分子大一個數(shù)量級，可認為在自然條件下這部分水是不可能結冰的。
(3) 毛細孔水。存在于毛細孔中，這部分水是可凍的。由開文公式：RTLn( Pr/ Po) = M/ d(2σ/ r)式中R 為氣體常數(shù)； T 為絕對溫度； Pr 為曲率半徑為γ的毛細管中液體的蒸汽壓；Po 為大體積液體的蒸汽壓；d 為水的密度；σ為表面張力；r 為毛細管中的液體曲率半徑。得知隨毛細孔半徑的減小，水蒸氣的冰點也隨之下降。例如：半徑為5 ! 的孔中純水冰點為- 5 ℃，而半徑為115 ! 孔中水要到- 70 ℃才結冰。
(4) 游離水。也稱自由水，存在于各種固體顆粒之間，是可凍水。由此可見混凝土凍害是由于游離水和孔徑較大的毛細水結冰造成的。水轉化為冰體積約增大9 % ，若硬化混凝土孔隙中的游離水達到飽和，則會在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應力，使混凝土結構發(fā)生破壞[1] 。
另一種類似的說法這樣表述，混凝土是一種水泥石，粗細骨料和各種氣孔組成的多相復合材料，其中孔徑在一定尺寸以上的毛細孔和混凝土拌合物拌和時裹入的大氣孔在含水時受凍，是造成混凝土受凍破壞的主要原因。當溫度降低到0 ℃以下的某一溫度時，由于混凝土孔隙內(nèi)的水受凍而結冰對水泥石產(chǎn)生了膨脹壓力，當這種膨脹壓力過大而超過了水泥石的抗拉強度時，水泥石就會受到損害(如產(chǎn)生微裂縫) 甚至于破壞。在一定負溫下混凝土受凍程度除了與水泥石本身強度有關外，還與混凝土孔隙、及孔隙中飽水程度有關，尤其是孔結構對混凝土抗凍性影響最大?；炷林械目紫兑话惴譃樗嗍械哪z孔、毛細孔和大氣孔等三種，因此凝膠孔不受凍害；孔徑較小的毛細孔(約320 ! 以下) ，由于其中水冰點極低，一般不也不受凍害；而1000 ! 以上的毛細孔則受凍融作用影響；大氣孔中的水結冰是混凝土受凍破壞的最主要危害因素[ 2 ] 。此理論基本上同于上一理論，混凝土中水的存在形式是由混凝土的孔隙結構決定的，混凝土中的毛細孔水和游離水也就是指存在于大氣孔中的水分。而混凝土受凍害程度與孔隙中飽水程度有關也就是肯定了水轉化成冰相變過程的說法。
1.3 靜水壓和滲透壓假說
靜水壓理論：混凝土在潮濕條件下，首先毛細孔吸滿水，混凝土在攪拌成型時都會帶一些大的空氣泡，這些空氣泡內(nèi)壁也能吸附水，但在常壓下很難吸滿水，總還能留有沒有水的空間。在低溫下毛細孔中水結成冰，體積膨脹，趨向于把未凍水推向大的空氣泡方向流動，這就形成靜水壓力。
滲透壓：是由孔內(nèi)冰與未凍水兩相的自由能之差引起的。冰的飽和蒸汽壓小于水的。這個蒸汽壓的差別推動未凍水向凍結區(qū)遷移，這就是滲透壓。
凍融循環(huán)對混凝土的破壞是水轉變?yōu)楸捏w積膨脹造成的靜水壓力和冰水蒸汽壓差別所造成的滲透壓力共同作用的結果[ 3 ] 。對于兩者何者是凍壞主要原因，許多學者持不同見解。湖南大學的李天援從理論分析計算著手及客觀存在的實驗現(xiàn)象出發(fā)來論證靜水壓和滲透壓大小，危害作用及程度。最后得出靜水壓是混凝土凍害的主要因素[ 4 ] 。這一理論是在肯定混凝土的孔隙結構和混凝土中水的存在形式的基礎上，進一步加深了對混凝土受凍機理的研究，把力學觀點和數(shù)學運算應用于此，使得關于混凝土的受凍機理的理解更加科學化。
1.4 凍融臨界飽水值
瑞士Fagerland 曾提出“凍融臨界飽水值法”。此法基本思想，認為混凝土能夠容納的可凍結水含量存在一個臨界值，當內(nèi)部水量未達到臨界值時，即使出現(xiàn)凍害環(huán)境，混凝土也不會凍壞，到達臨界值之后，混凝土將迅速破壞[ 5 ] 。
根據(jù)power 多年試驗與理論研究認為，對混凝土凍融破壞最大的因素是凍結溫度、降溫速度和飽水程度(或飽和度) ，尤以飽水程度影響為最甚。水是造成混凝土受凍破壞的主要原因，現(xiàn)行的有抗凍要求的混凝土都要對其水灰比做出限制，水灰比越小其抗凍性越好。如果混凝土中的孔隙水都達不到飽和，也就不存在凍脹破壞及水分遷移，因此“凍融臨界飽水值法”，也是基于上述理論的補充說明。
1.5 水分遷移及干燥
早在五六十年代美國著名水泥混凝土專家T.C.powers 曾總結了許多學者工作，提出了混凝土早期受凍模型：宏觀模型析冰[ 6 ] 即凍脹現(xiàn)象， 這個觀點是以土壤凍脹的TABER -COLL INS 學說引進混凝土的。該學說認為冰凍的原因基本不是簡單的受凍膨脹，而主要來自于水分的遷移，使得冰晶增大，產(chǎn)生壓力致使結構破壞。
1990 年來華講學的國際建研聯(lián)冬施委員會秘書長，原蘇聯(lián)學者拉高一達對新拌混凝土立即受凍提出了新的試驗結果，即立即受凍W/ C = 0.4 的遷移比W/ C = 0.7 嚴重，經(jīng)分析認為：水分遷移是造成立即受凍混凝土結構損傷的主要原因。
黑龍江省低溫建筑研究所在80 年代初期對立即受凍普通混凝土作過系統(tǒng)研究，認為遷移導致結冰，使混凝土結構造成終身損害。
沈陽建筑工程學院的張巨松在承認遷移是凍害的一個原因外，提出了干燥也對早期凍害起一定作用，即水分遷移導致兩種結果：一是增加了表面區(qū)域內(nèi)形成的冰晶，產(chǎn)生了結晶壓力，破壞了混凝土結構均勻性，對已形成的結構產(chǎn)生破壞作用；二是混凝土內(nèi)部沒有生成冰晶，但遷移使得混凝土內(nèi)部產(chǎn)生干燥破壞。對于不飽和的一個凍融結冰和干燥這兩種破壞因素對不同的發(fā)展階段混凝土的作用是不同的。立即受凍的混凝土是以遷移結冰造成結構不均勻為主，因此時混凝土尚處于塑性階段，遷移導致內(nèi)部的干燥收縮，不致使混凝土結構破壞。
相反預養(yǎng)受凍的破壞除了可能產(chǎn)生上述的結晶破壞外，干燥破壞是不可忽視的因素，因為此時混凝土內(nèi)部完全沒有生成冰晶，實際工程中的混凝土受凍不是一次凍結。立即受凍的混凝土即產(chǎn)生嚴重的遷移結冰，隨著轉入正溫，結構的發(fā)展又承受了嚴重的干燥破壞。所以預養(yǎng)時間越短， 最終結構損傷越大[ 7 ] 。
這一部分的敘述主要是針對于早期受凍的混凝土，對混凝土受凍過程進行了更進一步的區(qū)分?；炷猎缙谑軆鍪侵富炷猎陴B(yǎng)護硬化期間受凍，在此期間混凝土中的水分較成齡混凝土多，因此水分遷移對混凝土結構的破壞較嚴重。而遷移造成的干燥嚴重影響了混凝土正常養(yǎng)護和強度增長。
綜上所述，混凝土受凍破壞主要是一種力學行為，即水的運動對混凝土結構的影響?；炷量蓛鏊诮Y冰時體積膨脹而產(chǎn)生了靜水壓、滲透壓、水分遷移，促使結構破壞。同時也提到一些相關因素，混凝土水的存在形式、飽水程度、干燥程度等。通過對混凝土抗凍機理的進一步了解，相信我們會找出更加完善的方案來提高混凝土的抗凍性能。
2 混凝土防凍外加劑
使用防凍外加劑就是一種有效地提高混凝土抗凍性的措施。負溫對混凝土十分不利，其一是施工周期長。其二是影響工程質量。使用防凍劑是寒冷地區(qū)保證混凝土冬期施工質量，節(jié)省能源，降低工程造價的有效措施。加入外加劑進行混凝土冬季施工，其主要作用有以下幾點[ 8 ] ：
(1) 降低了混凝土早期受凍的臨界強度。總的來說摻外加劑后可使臨界強度降低(20 %～30 %) R28 ，這就大大的縮短了混凝土的養(yǎng)護時間，降低了養(yǎng)護的造價，縮短了施工周期。
(2) 促使新拌混凝土內(nèi)固相水- 冰的結晶畸變。摻外加劑混凝土中液相的固化，實際上是把一部分水“貯存”起來，隨著結冰的進程，由于液相的減少，使外加劑的濃度不斷增大，與此同時，一部分水用于水泥的水化并結合于水化物中，也使?jié)舛仍黾?，冰點下降，當外加劑溶液的濃度在混凝土液相中接近平衡時，則水泥所需要的水量就由溶冰來獲得。其結果，是混凝土中的含冰量逐漸減少并直到消失。
(3) 改變混凝土的孔結構。無論是新澆混凝土還是硬化混凝土的抗凍性，均與混凝土的孔結構有關。通過引氣外加劑使混凝土具有一定的空氣含量，從而改善混凝土的孔結構，可以提高其耐久性及抗早期受凍的能力。
(4) 提高混凝土早期強度。早強作用主要是改變水泥中硅酸鹽的溶解性，從而加速了水泥混凝土的硬化，并生成了復式及堿性的水化生成物。生成的水化物結晶在某種程度上就加強了水泥漿的結構形成作用使新澆混凝土較快地達到臨界強度。
(5) 改變了混凝土水灰比及降低混凝土拌合物的用水量。水灰比影響混凝土的孔結構及結構形成過程，因此冬期施工力圖通過外加劑的減水增塑作用，不斷降低混凝土的水灰比。為了滿足冬季施工的要求，國內(nèi)外科學工作者對防凍劑技術進行了不懈的研究和追求，取得了一系列令人滿意的結果，防凍理論日漸完善，防凍劑產(chǎn)品和品種得到了長足的發(fā)展，冬期施工中可使用的外加劑除防凍劑以外，還有引氣劑、減水劑、早強劑等，常常將它們復合使用。
2.1 引氣劑
引氣劑的摻入可在混凝土中產(chǎn)生適量的閉合微小氣泡，改善混凝土結構，有助于混凝土抵抗早期凍害。當水受凍膨脹時產(chǎn)生的附加孔隙可起緩沖作用，減少破壞，因而能增加混凝土的抗凍性。
混凝土中摻入引氣劑后，引入大量均勻、穩(wěn)定而封閉的微小氣泡，這些微小封閉氣泡互不連通、均勻穩(wěn)定分布在混凝土中，當孔隙內(nèi)自由水凍結時，氣泡被壓縮，可大為減輕冰凍給孔隙帶來的脹壓力；溶解時這些氣泡可恢復原狀，因此孔隙內(nèi)自由水反復凍融也不致對孔壁產(chǎn)生很大的壓力。這些氣泡在混凝土中起類似滾珠的作用，可使混凝土的流動性大為改善，提高了混凝土的和易性，減少泌水和分離。由于和易性改善，可以降低混凝土的單位用水量，在水泥用量不變的情況，可以彌補部分由于引氣而致的強度損失。只要引氣量合適，普通混凝土也可以獲得非常高的抗凍性能。
引氣劑用于提高混凝土的抗凍性已有多年的歷史，長期以來，它的功能主要被歸結于氣泡卸壓這一物理作用。氣泡的物理作用和引氣劑的表面化學作用同為引氣混凝土抗凍性提高所不可忽略的原因[ 9 ] 。
2.2 減水劑
它可以不改變和易性，增大混凝土熟料的流動性，從而減少混凝土的拌和用水量，降低水灰比，因而減少由于水凍結而產(chǎn)生的結構缺陷的機會，并可強化混凝土的硬化過程。摻入減水劑能夠改善混凝土的工作性，使更易于澆筑成型，從而使混凝土的密實度增加，泌水率減小，混凝土內(nèi)外分層現(xiàn)象減輕避免混凝土表層凍酥及在鋼筋石子周圍形成冰膜；混凝土的水灰比減小，混凝土內(nèi)的氣泡直徑和間距相應減小，有利于提高抗凍性。高效減水劑對水泥的分散作用可提高早強組分和防凍組分的作用效果。
減水劑具有分散的作用，它能夠使水泥成為細小的、彼此分離的單個粒子，均勻的分散于水中，還能使水泥微粒表層形成一層穩(wěn)定的水膜，而增加混凝土拌合物的和易性，減少水泥用量。因此減水劑有改善混凝土的空隙結構，增強耐久性的能力。由于減水劑減少了混凝土中的含水量的作用，并能使冰晶粒度細小且分散，從而減弱了含冰量對混凝土結構的破壞作用。
2.3 早強劑
可縮短水泥的凝結時間，加速混凝土強度增長，及水泥的早期放熱反應。
早強劑作用： (1) 加速水泥水化。使水泥礦物中的C3S、C3A 與水迅速反應，生成鈣礬石晶體和鈣礬石凝膠較早達到臨界強度，以抵抗水結冰時的冰脹應力。(2) 降低冰點。一方面早強劑也是電解質，另一方面因大量的游離水成為結合水，使防凍劑的濃度增大，提高了混凝土的早期強度，為混凝土提前進入抗凍臨界強度創(chuàng)造條件。
對我國各種防凍劑成分調(diào)查發(fā)現(xiàn)，其組成成分不能單一，必須是多種成分復合而成。高效減水劑、早強劑、引氣劑等多種成分復合使用，相互彌補各自的缺點和充分發(fā)揮各自的作用，這樣才能做到使防凍劑具有抗凍、早強、阻銹、催化等綜合作用，才能獲得最佳效果。高效防凍劑是基于大幅度的減少造成凍害的根本，提高混凝土早期強度，提高毛細管中防凍劑濃度和細化毛細管徑等多種降低冰點的方法及引入適量氣相降低凍脹應力為配置依據(jù)的。
上述關于凍害機理及防凍外加劑的敘述是密切相關的，只有更透徹的了解混凝土的凍害機理才能在此基礎上不斷的研究和生產(chǎn)出更多更優(yōu)質的防凍外加劑，才能不斷提高混凝土的抗凍性，延長冬季施工時間，提高冬期施工質量，節(jié)省冬季施工費用，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟效益。
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