影響混凝土抗凍性的因素分析

摘 要：近些年來，混凝土結構耐久性研究已經成為全球土木工程界的熱點，本文對影響混凝土抗凍性的因素進行歸類分析。

關鍵詞：混凝土；凍融；耐久性

中圖分類號：TQ197 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X(2011)10(b)-0000-00

由混凝土凍融破壞的機理可知，混凝土的抗凍性與空氣泡間距、降溫速度、可凍水的含量、材料的滲透系數以及抵抗破壞的能力等因素有關。主要影響因素是平均氣泡間距，水灰比、骨料、水泥品種、摻合料、水泥用量等均有一定影響，下面討論各種因素對混凝土抗凍性的影響。

1 平均氣泡間距

由凍融破壞機理可知，平均氣泡間距是影響混凝土抗凍性最主要的因素，平均氣泡間距越大，則凍融過程中毛細孔中的靜水壓和滲透壓越大，混凝土的抗凍性越低。

很多學者對臨界平均氣泡間隔系數的取值提出了不同看法。Powers測定當水灰比為0.5、降溫速度為11℃／h時的臨界平均氣泡間隔系數為250μm，Pigeon等認為這個臨界值主要受水灰比和降溫速度影響，他測定水灰比為0.3時臨界平均氣泡間隔系數為440μm。我國嚴捍東等研究了水膠比為0.50、粉煤灰摻量在0～55％范圍內的大摻量粉煤灰水工混凝土的氣泡參數和抗凍性，認為不管對普通混凝土還是粉煤灰混凝土，平均氣泡間隔系數在500μm以下都是高抗凍混凝土。

2 水灰比

水灰比是設計混凝土的一個重要參數，它的變化影響混凝土可凍水的含量、平均氣泡間距及混凝土強度，從而影響混凝土的抗凍性。水灰比越大，混凝土中可凍水的含量越多，混凝土的結冰速度越快；氣泡結構越差，平均氣泡間距越大；混凝土強度越低，抵抗凍融的能力越差?？梢?，水灰比是影響混凝土抗凍性的主要因素之一，水灰比越大，抗凍性越差，但水灰比在0.45～0.85范圍內變化時，不摻引氣劑的混凝土的抗凍性變化不大，只有當水灰比小于0.45以后，混凝土的抗凍性才隨水灰比降低而明顯提高。

水灰比小于O.35完全水化的混凝土，即使不引氣，也有較高的抗凍性，因為除去水化結合水和凝膠孔不凍水外，混凝土中的可凍水含量很少。

3 外加劑

平均氣泡間距是影響混凝土抗凍性的最主要因素，而影響平均氣泡間距的一個主要因素是含氣量。混凝土中封閉空氣泡除攪拌、振搗時混入外，主要是引氣劑等外加劑人為引入的。引氣劑引入的空氣泡越多，平均氣泡間距就越小，毛細孔中的靜水壓和滲透壓就越小，混凝土的抗凍性就越好。大量試驗表明，摻引氣劑的混凝土比相同條件下不摻引氣劑的混凝土的抗凍性成倍地提高。因此，國內外部分規范都規定了含氣量的合理范圍。

減水劑對混凝土抗凍性也有一定影響，特別是帶有引氣作用的減水劑。但由于這些減水劑引入的空氣泡直徑一般較大，且易破滅，故對混凝土抗凍性的改善效果并不明顯。

4 強度

當靜水壓力和滲透壓力超過混凝土的抗拉強度時，混凝土即產生凍融破壞。因此，作為表征抵抗凍融破壞能力的混凝土強度對混凝土抗凍性也有影響。當含氣量或平均氣泡間距相同時，強度高的混凝土的抗凍性高于強度低的混凝土。但相對而言，強度對混凝土抗凍性的影響程度遠沒有氣泡結構大，因此，強高的普通混凝土的抗凍性可能低于強度低的引氣混凝土。

5 骨料

骨料的凍害機理可用靜水壓假說來解釋。當骨料吸水飽和，受凍后在骨料孔隙和骨料—水泥漿界面產生靜力壓力，超過骨料或界面強度時就產生凍害。因此，影響骨料抗凍性的主要因素時骨料吸水率和骨料尺寸。美國ACl201委員會指出，如果使用吸水性骨料，而混凝土又處于連續潮濕的環境中，則當粗骨料飽和時，骨料顆粒在凍結時排出水分所產生的壓力使骨料和泥漿體破壞。如果受破壞的骨料接近混凝土表面，就會產生剝落。由此看來，輕骨料混凝土的骨料可能成為抗凍的薄弱環節。但通過摻入適量引氣劑、保證一定的含氣量等措施，使骨料受凍后將孔隙水排向周圍的空氣泡，輕骨料混凝土還是可以配制成高抗凍混凝土的。用靜水壓假說可以說明，骨料尺寸越大，受凍后越容易破壞，從理論上講骨料尺寸也有一個臨界值，骨料尺寸大于這個臨界值時，骨科受凍后會產生破壞，而一般細骨料在凍融中不產生破壞，正是由于細骨料的尺寸都小于這個臨界值。骨料質量對抗凍性也有一定影響，包括骨料的堅實性、風化程度、粘土含量，雜質含量等。

6 水泥品種和用量

美國波特蘭水泥協會的試驗結果表明，水泥的化學組成、水泥品種對混凝土的抗凍性無顯著影響，這主要是因為美國的水泥質量穩定，且很少摻混合材。而我國則不同，我國生產的水泥大部分摻混合材，且摻量較大，很多單位就水泥品種對混凝土抗凍性的影響進行了試驗研究，得出較為一致的結論是：水泥品種對混凝土抗凍性有一定影響，且隨水泥中混合材摻入量的增加，混凝土的抗凍性降低。

原水電部東北勘測設計院科研所的試驗成果指出：水灰比為0.6的混凝土試件，經過同樣的凍融次數，硅酸鹽水泥混凝土強度損失最小。鐵科院的試驗表明，不同品種水泥制成的混凝土，其抗凍性差異較大。水灰比為0.50的普通硅酸鹽水泥混凝土可經受150次以上的凍融試驗，而同樣條件下礦渣水泥混凝土只能承受50次，對礦渣摻量很大的低熟料礦渣水泥混凝土則不足25次。應該指出的是，上述試驗結論主要是針對非引氣混凝土，對于引氣混凝土，水泥品種對抗凍性的影響沒有這么明顯，而美國等國家的混凝土多采用引氣混凝土，這也許是國內外試驗結果差異的一個因素。

7 混合材料

美國等國的試驗結果表明，在強度和含氣量相同的條件下摻與不摻粉煤灰的混凝土的抗凍性基本相同。中國水科院對粉煤灰混凝土抗凍性的試驗結果，在等量取代的條件下，粉煤灰摻量為15％時，混凝土的抗凍性可得到改善，但當粉煤灰摻量超過一定范圍時，混凝土的抗凍性反而下降。而嚴捍東等在粉煤灰摻量0～55％、引氣量7.6％的試驗條件下，得到了混凝土抗凍性隨粉煤灰摻量增加而提高的結論。可見，粉煤灰對混凝土抗凍性影響程度，目前尚無統一的結論，但有一點是可以肯定的，對摻粉煤灰的混凝土，只要加入適量的引氣劑，還是可以設計出高抗凍混凝土的。

摻入硅粉的混凝土，由于改變了氣泡結構，降低了氣泡間距系數，從而可改善混凝土的抗凍性。但很多國家的試驗表明，當硅粉摻量不超過10％時，混凝土的抗凍性有所提高，摻量為15％時其抗凍性基本相同，摻量超過20％時的抗凍性則會明顯降低。

8 凍結溫度和降溫速度

靜水壓力與結冰速度及降溫速度成正比?？紫端膬鼋Y是由大孔開始逐步向小孔擴展的，顯然，大孔凍結時的結冰速度大，而小孔凍結時的結冰速度小，因此，結冰速度隨溫度降低而降低。蔡昊通過測定混凝土試件在凍融過程中的相對電導率研究不同溫度下的結冰速度，得到結論：普通混凝土孔溶液結冰速度在-10℃以上較高，在-10℃以下較低。中國水科院關于凍融最低溫度對普通混凝土抗凍性影響的試驗結果表明，當凍融循環最低溫度-5℃時，水灰比為0.65的混凝土能承受133次凍融循環，最低溫度降為-10℃時，同樣的混凝土僅能承受12次凍融循環，而最低溫度為-17℃時能承受7次。這兩個試驗都可說明，混凝土的凍害主要發生在-10℃以上，-10℃以下發生的凍害是十分有限的。