混凝土凍融循環破壞研究

楊俊泉

(承德市地方道路管理處)

1 引言

自從波特蘭水泥問世以來，混凝土結構已成為基本建設工程中最為常用的建筑形式之一。近年來，隨著人們對混凝土耐久性認識的提高，在各種設計規程中，均把耐久性列為混凝土的一項重要指標，混凝土的耐久性問題日益為人們所關注。人們已經認識到已建工程并非都是耐久的，過早破壞的事例層出不窮。這些過早“衰老”的工程不僅需要耗用龐大的重建與維修費用，還會造成間接經濟損失和安全隱患，有些發達國家已經為此付出了巨大代價。抗凍性是混凝土耐久性的一個重要指標，是諸耐久性指標的集中體現。因此，混凝土的抗凍耐久性引起國內外眾多學者的研究興趣。

我國地域遼闊，有相當大的地區處于嚴寒地帶，不少水工建筑物出現了凍融破壞現象，如地處寒冷地區的水電站、工業廠房、鐵道橋涵、混凝土路面、橋梁及市政工程等的混凝土。其凍融破壞已成為混凝土建筑物老化病害的主要問題之一，嚴重影響了建筑物的長期運行和安全運行。為此，國內外諸多學者對混凝土的抗凍性進行了深入研究。

2 混凝土凍融破壞機理

混凝土的凍融破壞是一個復雜的物理過程。一般認為混凝土的凍融破壞是其內部產生復雜的應力作用的結果。當環境溫度下降時，由于表面混凝土溫度降低較快，而內部混凝土溫度降低較慢，因而在內外混凝土之間就形成溫度梯度。當溫度低于0℃時，靠近混凝土表面的粗大孔隙中的水就開始結冰。隨著溫度的繼續下降，混凝土內部細小孔隙中的水分將會逐步凍結。此時，水結冰產生體積膨脹與過冷水發生遷移，都將會引起各種壓力。當壓力超過混凝土能承受的應力時，混凝土內部產生新的細微裂紋。當環境溫度升高時，混凝土內孔隙水解凍，細小孔隙及新產生微細裂紋因毛細現象而吸水飽滿，與其相連的粗大孔隙也會得到水分供給。上述凍融過程重復發生時，混凝土內部孔隙及微裂縫逐漸增大、擴展并互相連通，使得新裂縫不斷產生。當循環達到一定程度時，就發生由表及里的混凝土凍融破壞。

目前國內外學者關于混凝土凍融破壞提出的理論主要有:靜水壓經典理論、滲透壓理論、冰棱鏡理論、基于過冷液體的靜水壓修正理論、飽水度理論等等。但由于混凝土結構凍害的復雜性，至今尚無公認的、完全反應混凝土凍害機理理論。因此，關于混凝土凍融破壞機理還需進一步深入研究。

3 影響混凝土凍融破壞的因素

3.1 孔結構對凍融破壞的影響

混凝土中的孔隙一般分為水泥石中的凝膠孔、毛細孔和大氣孔等三種。一般認為大氣孔中的水結冰是混凝土受凍破壞的最主要的危害因素。吳中偉教授曾提出了孔結構理論，認為混凝土的凍融破壞與混凝土內部微孔結構有關，他把孔分為四級:r＜20μm為無害孔，r=20～50μm為少害孔，r=50～200μm為有害孔，r＞200μm為多害孔，對混凝土凍融破壞影響較大的為r＞100μm的孔。研究表明:水灰比直接影響混凝土的孔隙率及孔結構。隨著水灰比的增大，可凍水的開孔體積增大，混凝土的抗凍性必然降低。一般來說，孔隙率越大，相對含水量越多，則可凍水量也就越多。因此，在工程中可以采取降低水灰比和加入引氣劑的辦法來提高混凝土的抗凍性能。

3.2 飽水度對凍融破壞的影響

水是造成混凝土受凍破壞的主要原因。在混凝土中水是以化學結合水、物理吸附水和自由水三種方式存在。其中自由水對混凝土凍融破壞影響最大，主要由于自由水廣泛存在于混凝土的大小不同的毛細孔或大孔中，其數量多少和毛細孔直徑有關，并且這部分水在毛細孔中是可遷移的。當溫度降低到0℃以下時，這部分水即轉變為固相冰，體積產生膨脹，對混凝土內部結構產生破壞作用。研究表明混凝土受凍害程度與孔隙中飽水程度有關。在實踐上，一般常以“含水率”的大小來評定混凝土孔隙中的含水程度，并認為混凝土在完全飽水狀態下，其凍結膨脹壓力最大。當含水量小于孔隙總體積的91.7％，混凝土內部不會產生凍結膨脹壓力，該數值被稱為臨界飽水度。如果混凝土中的孔隙水未達到飽和，也就不存在凍脹破壞及水分遷移，“凍融臨界飽水值法”就是基于上述理論提出的。一般來講，處于潮濕環境的混凝土結構的含水量比自然環境中混凝土結構的含水量明顯要大，并大于臨界值。最不利的部位是水位變化區，該處的混凝土經常處于干濕交替變化的條件，受凍時極易破壞。

3.3 含氣量與齡期對凍融破壞的影響

含氣量也是影響混凝土抗凍性的主要影響因素，特別是加入引氣劑形成的微細氣孔對提高混凝土抗凍性尤為重要。在受凍初期，混凝土中摻入引氣劑所形成的互不連通微細氣孔可以減少毛細孔中的靜水壓力，起到減壓作用。在混凝土受凍結冰過程中這些孔隙可阻止或抑制水泥漿中微小冰體的生成。因此，在混凝土中加入引氣劑可以有效提高其抗凍性能。

混凝土的抗凍性隨齡期的增長而提高。因為齡期越長水泥水化就越充分，混凝土的強度就越高，抵抗膨脹的能力就越大。因此，防止混凝土早期受凍很關鍵。

4 結論

綜上所述，混凝土的凍融破壞過程是比較復雜的物理變化過程。目前就混凝土遭受凍融破壞的機理，許多學者提出了幾種理論，但由于混凝土結構凍害的復雜性，至今尚無公認的、完全反應混凝土凍害機理理論，尚需進一步完善。在實際中影響混凝土凍融破壞的因素也比較復雜，影響混凝土凍融破壞的主要因素有孔結構、水飽和度、含氣量及齡期等。多因素下混凝土抗凍性研究目前已取得了不少研究成果，但總的來說仍然處于起步階段，還沒形成比較完整的體系。因此，對混凝土的凍融循環破壞機理和影響因素，還需更加深入的研究。

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