混凝土的冻害及其机理

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1、维普资讯http://www.cqvip.com第18卷增刊常州工学院学报Vo1．18Supp1．2005年l2月JournalofChangzhouInstituteofTechnologyDec．2OO5混凝土的冻害及其机理马国庆钱玉林(扬州大学建筑科学与工程学院，江苏扬州225009)摘要：混凝土的冻害是影响混凝土结构耐久性的重要因素，为了保证一些重大工程的耐久性，混凝土的抗冻性已经越来越引起人们的重视。从混凝土的早期冻害及机理入手，得出了硬化初期混凝土的抵抗冻害与水泥石微观结构形成有密切关系。混凝土硬化后的冻害机理目前主要有静水压学说和渗透压学

2、说，由于不能直接测定或进行准确计算，所以还没有定论，但它们可以成功地解释混凝土冻融过程中的很多现象。最后，本文分析了混凝土抗冻性的主要影响因素及相应的抗冻措施。关键词：抗冻性；渗透压；静水压；冻害机理中图分类号：TU755文献标识码：AMehta教授在召开的第二届国际?昆凝土耐久性会议上的主旨“混凝土耐久性——五十年进展”中指出：“当今世界混凝土破坏原因，按重要性递减顺序排列是：钢筋锈蚀、冻害、物理化学作用。”除了氯盐腐蚀以外，冻害是影响混凝土结构耐久性的重要因素，因此有必要探讨一下混凝土的冻害及其机理。?昆凝土的冻害问题可以分为两种：其一是已经充分硬

3、化的混凝土经受正负温度交替变化；其二是混凝土早期冻害问题。混凝土的冻害机理研究始于2O世纪3O年代，有静水压假说、渗透压假说等。但由于混凝土结构冻害的复杂性，至今尚无公认的、完全反映混凝土冻害的机理。1混凝土的早期冻害及其机理(混凝土凝固前受冻)¨J当混凝土尚未参与水化反应时，混凝土的冰冻作用类似于饱和黏土冻胀的情况，即拌合水结冰使混凝土体积膨胀。混凝土的凝结过程因拌合水结冰而中断，直到温度上升到混凝土拌合水融化为止。假如又重新振捣密实，则混凝土中就会因留下的水结冰而形成大量孔隙，使其强度大为降低。重新振捣是万不得已才采用的，一般情况下还是要注意早期养

4、护，尽量避免混凝土过早受冻。混凝土凝固后但尚未达到足够强度时受冻，此时受冻混凝土强度损失最大，因为与毛细孔水结冰相关的膨胀将使混凝土内部结构严重受损，造成不可恢复的强度损失。混凝土所取得的强度越低，其抗冻能力就越差，因为此时水泥尚未充分水化，起缓冲调节作用的胶凝孔尚未完全形成，所以这种冻害对混凝土结构的危害最大，必须尽量避免。各国的混凝土施工规范中对冬季施工混凝土有特殊的规定，严格控制混凝土的硬化强度不得低于O℃。硬化初期混凝土的抵抗冻害，并非简单的力学行为，其机制与水泥石微观结构的形成过程有关。F·W·Locher等指出：硅酸盐水泥在常温下的水化分为

5、3个阶段。从水泥加水形成溶液开始，钙钒石和氢氧化钙从溶液中作为初次生成物沉淀出来，这是第一阶段，大约需要lh。第二阶段，水化硅酸钙和钙钒石能够以桥架的形式跨过孔隙。并且逐渐把这些孔隙分隔，生长为纤维状，水泥石结构基本形成，收稿日期：2005-09-19维普资讯http://www.cqvip.coml1O常州工学院学报2005年至此大约需要2h。第三阶段，所有孔隙逐渐被水化生成物所充填，结构变得更密实，这个阶段将延续至28h。2混凝土硬化后的冻害及其机理[】[3][硬化混凝土是由水泥、水和粗、细骨料组成的毛细孔多孔体，包括凝胶孔、毛细孔、气孔等。各种孔

6、隙之间的孔径差异很大，凝胶孔的孔径为15—1ooA；毛细孔孔径一般在O．O1～lOp~m之间，而且往往互相连通；气孔是混凝土搅拌与振捣时自然吸人或掺加引气剂人为引入的，且一般呈封闭的球体。在拌制混凝土时，为了得到必要的和易性，加入的拌合水总要多于水泥的水化水，这部分多余的水便以游离水的形式滞留于混凝土中形成连续的毛细孑L，并占有一定的体积。混凝土孔溶液中溶有钾、钠、钙离子等，溶液的饱和蒸气压比普通水低，在不掺盐类的水泥浆体中的自由水的冰点约为一l℃～一1．5~C。由于孔隙表面张力的作用，不同孔径的孔内水的饱和蒸气压和冰点不同，孔径越小，孔内水的饱和蒸气

7、压越小，冰点越低。当环境温度降低到一1℃～一1．9~C时，混凝土孔隙中的水由大孔开始结冰，逐渐扩展到较小的孔。一般认为温度在一l2℃时，毛细孔都能结冰，而凝胶孔中的水分子物理吸附于水化水泥浆固体表面，估计在一78℃以上不会结冰。因此，凝胶孔水实际上是不可能结冰的，对混凝土抗冻性有害的孔隙只是毛细孔。Powers静水压假说认为，水转化为冰时体积膨胀9％，迫使未结冰的孔溶液从结冰区向外迁移，因而产生静水压力。显然，静水压力随孔隙水流程长度增加而增加，因此，存在一个极限流程长度，如果孔隙水的流程长度大于该极限长度，则静水压力将超过混凝土的抗拉强度，从而造成破

8、坏。混凝土拌和时掺人引气剂后，硬化后混凝土浆体内分布有不与毛细孔连通的、相互独立且封闭的空气泡