不同類型的水對(duì)混凝土凍融破壞的影響

摘 要：文章論述了混凝土凍融破壞問(wèn)題的重要性，著重研究影響混凝土凍融破壞因素中不同類型的水對(duì)混凝土凍融破壞的影響，總結(jié)對(duì)混凝土凍融破壞的認(rèn)識(shí)，為解決實(shí)際工程中凍融對(duì)混凝土的影響提供相關(guān)借鑒。

關(guān)鍵詞：混凝土；凍融破壞；耐久性

1 混凝土凍融破壞現(xiàn)狀

我國(guó)地域遼闊， 在寒冷冬季的北方地區(qū)，尤其東北三省、內(nèi)蒙古、以及西北五省等省市自治區(qū)，氣溫均在零度以下。而混凝土在零度以下的環(huán)境中易發(fā)生凍融破壞，這些地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)破壞基本上均與凍融相關(guān)[1]。

2008年初，我國(guó)長(zhǎng)江以南大部分地區(qū)持續(xù)冰凍災(zāi)害，由于持續(xù)的冰凍天氣，混凝土輸電塔出現(xiàn)不同程度的結(jié)冰現(xiàn)象，在長(zhǎng)江以南地區(qū)出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象讓人難以預(yù)料。無(wú)論是冬季嚴(yán)寒的北方，還是特殊情況下的南方，凍融破壞的現(xiàn)象在全國(guó)各地均有存在，并且對(duì)混凝土耐久性造成了極大的影響。研究?jī)鋈谄茐膶?duì)混凝土的影響，對(duì)混凝土耐久性研究具有重要意義。

2 混凝土凍融破壞機(jī)理研究狀況

混凝土的凍融破壞，是一系列物理變化的結(jié)果。從大約二十世紀(jì)中葉開(kāi)始，美國(guó)與歐洲等科技較為領(lǐng)先的國(guó)家或地區(qū)均注重研究混凝土凍融破壞機(jī)理，并且提出了多種混凝土凍融破壞理論[2]。在此領(lǐng)域以T.C.Powers為代表的理論成為最基本的混凝土凍融破壞理論。截止目前，混凝土的凍融破壞基本理論[3]有膨脹壓、滲透壓、水的離析成層等理論，但目前學(xué)術(shù)界認(rèn)可度比較高的，仍然是膨脹壓理論和滲透壓理論。

2.1 膨脹壓力理論

混凝土一般是在集料中摻入適當(dāng)比例的水與水泥，并且引入適當(dāng)?shù)耐饧觿┧餐M成的。一方面無(wú)論是何種集料，在其內(nèi)部總會(huì)或多或少地存在一定的孔隙；另一方面混凝土在拌合、澆筑、振搗和成型過(guò)程中，也會(huì)殘留一定的孔隙。混凝土的這些孔隙中經(jīng)常含有水，當(dāng)溫度低于零度時(shí)，毛細(xì)孔中的水會(huì)生成冰。由于水凍結(jié)成冰體積會(huì)增大約9%，隨著外界環(huán)境溫度的逐漸降低，越來(lái)越多的水逐漸變成體積膨脹的冰，未結(jié)冰的水持續(xù)受壓，由于四周密閉而無(wú)處流動(dòng)，使得混凝土毛細(xì)孔中逐漸產(chǎn)生越來(lái)越大的內(nèi)應(yīng)力。此內(nèi)應(yīng)力積累到一定程度，便會(huì)逐漸平衡混凝土內(nèi)部所能承受的最大漲裂應(yīng)力，進(jìn)而使混凝土因漲裂產(chǎn)生破壞。

2.2 滲透壓力理論

有研究指出[3]，在混凝土孔隙中，即便達(dá)不到完全飽和，也會(huì)引起混凝土的凍融破壞，僅以零度以下水結(jié)冰時(shí)體積膨脹9%的膨脹壓力理論無(wú)法準(zhǔn)確論述復(fù)雜的混凝土凍融破壞現(xiàn)象。T.C.Powers在混凝土凍融破壞領(lǐng)域進(jìn)行深入研究后發(fā)現(xiàn)，混凝土孔隙中的水凝結(jié)成冰時(shí)，所生成的冰并不向外排出，而是向著冷源方向推進(jìn)。鑒于此情況，T.C.Powers等人對(duì)混凝土的凍融破壞提出了滲透壓理論。該理論認(rèn)為，在結(jié)冰的條件下，混凝土孔隙中的水分首先有部分凝結(jié)成固態(tài)的冰，由于本來(lái)位于混凝土孔隙中的水被凍結(jié)成冰，使得混凝土孔隙中的溶液濃度發(fā)生變化，凝膠孔中的自由水便會(huì)向毛細(xì)孔移動(dòng)，進(jìn)而引起混凝土毛細(xì)孔的擴(kuò)散作用而形成了滲透壓力，毛細(xì)孔中的水在凍結(jié)體積逐漸膨脹的作用下導(dǎo)致混凝土發(fā)生漲裂破壞。

3 不同類型水對(duì)凍融的影響

雖然以上兩種理論都是混凝土凍融破壞中認(rèn)可度較高的理論，但這兩種理論均屬于基本理論，對(duì)混凝土凍融過(guò)程中具體的因素都描述過(guò)于簡(jiǎn)單。本文作者認(rèn)為，在混凝土凍融破壞中，混凝土中各種水的影響作用尤為重要，不能簡(jiǎn)單一筆帶過(guò)，而應(yīng)該做深入比較研究。

混凝土在成型養(yǎng)護(hù)過(guò)程中由于水化反應(yīng)消耗水分引起混凝土體積減小，這也就是常見(jiàn)的混凝土養(yǎng)護(hù)完成后經(jīng)常出現(xiàn)細(xì)小裂紋的原因。在混凝土發(fā)生水化的過(guò)程中，有一部分水參與混凝土的水化反應(yīng)而被消耗掉，另一部分水殘留在混凝土之中形成結(jié)晶水、吸附水、毛細(xì)孔水和游離水[4]。

3.1 混凝土中不同類型水對(duì)凍融的影響

3.1.1 結(jié)晶水

化合物中所結(jié)合的水分子稱為結(jié)晶水，在常見(jiàn)的晶體物質(zhì)中，會(huì)以一定比例結(jié)合著部分水。這部分水與其他成分之間成簡(jiǎn)單的比例，屬于物質(zhì)組成的一部分，是不可能結(jié)冰的，所以結(jié)晶水的存在對(duì)混凝土凍融沒(méi)有影響。

3.1.2 吸附水

吸附水也稱為凝膠水，其中一些水被吸附在混凝土漿體的外面，另一些水停留在混凝土顆粒之間的空隙中。通常情況下凝膠孔尺寸比較小，在-70℃以下才能凝結(jié)成冰。一般常見(jiàn)環(huán)境根本達(dá)不到如此低的溫度，因此這部分水被認(rèn)為在一般情況下不存在結(jié)冰問(wèn)題，進(jìn)而說(shuō)明吸附水不會(huì)對(duì)混凝土的凍融破壞造成影響。

3.1.3 毛細(xì)孔水

在混凝土實(shí)際拌合時(shí)，其用水量一般都會(huì)與理論計(jì)算值存在細(xì)微差異，此時(shí)發(fā)生水化反應(yīng)后剩余的水便會(huì)滯留于毛細(xì)孔之中，使混凝土內(nèi)產(chǎn)生相互連通的毛細(xì)孔。廣泛存在于毛細(xì)孔中的這些毛細(xì)孔水是可凍的，并且隨著毛細(xì)孔的逐漸縮小，毛細(xì)孔水的冰點(diǎn)也隨著逐漸降低，這些存在于混凝土中的毛細(xì)孔水很容易發(fā)生以上所提到的膨脹與滲透破壞，這也就是混凝土產(chǎn)生凍融破壞的主要因素。

3.1.4 游離水

游離水也就是以水分子狀態(tài)存在于混凝土各類型固體顆粒之間的自由水。由于游離水是以分子狀態(tài)存在于混凝土固體顆粒之間，當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到結(jié)冰溫度后，游離水便會(huì)結(jié)冰產(chǎn)生凍融破壞。故游離水的存在，對(duì)混凝土的凍融破壞也有很大的影響。

3.2 引起混凝土產(chǎn)生凍融破壞的水分析研究

由以上的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，凍融作用引起的破壞主要是由存在于混凝土中的毛細(xì)孔水和游離水在外界環(huán)境達(dá)到結(jié)冰溫度時(shí)，由水凝結(jié)生成冰所造成的，而結(jié)晶水和吸附水由于自身存在的特點(diǎn)，對(duì)凍融幾乎不產(chǎn)生任何影響。

T.C.Powers[5]在20世紀(jì)四十年代提出了混凝土中由于毛細(xì)孔水結(jié)冰膨脹，在混凝土中所產(chǎn)生的膨脹內(nèi)應(yīng)力計(jì)算公式如下所示：

P=η（1.09-1/s）μc（λ/3）k

式中：η-粘性系數(shù)；s-飽水度；μc-凍結(jié)速率；k-滲透率。

該理論公式充分說(shuō)明了孔徑較大的毛細(xì)孔水對(duì)混凝土凍融破壞有著直接的影響。滲透率與孔隙率直接相關(guān)，混凝土受到凍融破壞的嚴(yán)重程度，與毛細(xì)孔中飽水程度有很大的關(guān)系。不同類型的水對(duì)混凝土凍融破壞有著不同的影響，所以我們?cè)谘芯炕炷羶鋈谄茐臅r(shí)，應(yīng)高度重視并區(qū)分各種不同類型水對(duì)混凝土凍融破壞的影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

凍融破壞對(duì)混凝土的影響主要由存在于混凝土之中的水在結(jié)冰溫度之下凝結(jié)成冰，使混凝土之中產(chǎn)生膨脹力與滲透力，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土在此應(yīng)力的作用下產(chǎn)生破壞。但并不是混凝土中所有類型的水都會(huì)對(duì)混凝土產(chǎn)生凍融破壞，只有存在于毛細(xì)孔中的毛細(xì)孔水與骨料之間的游離水才可對(duì)混凝土產(chǎn)生凍融破壞。混凝土長(zhǎng)年累月存在于凍融交替的環(huán)境中，由于內(nèi)應(yīng)力漲裂所產(chǎn)生的裂縫將會(huì)不斷擴(kuò)大，最終連接貫通，使混凝土產(chǎn)生剝離的耐久性破壞。

通過(guò)混凝土中不同水存在的形式對(duì)混凝土凍融破壞的影響研究，可以充分利用混凝土凍融破壞的特點(diǎn)，有針對(duì)性地在混凝土設(shè)計(jì)與施工過(guò)程中盡量減少毛細(xì)孔水與游離水的含量，不但能滿足混凝土的基本性能指標(biāo)要求，更可以大幅提高混凝土的耐凍融性能，對(duì)實(shí)際工程具有極大的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

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[4]陳國(guó)忠.提高混凝土耐久性的措施[J].河南水利與南水北調(diào)，2010，

10：86.

[5]李新福，雷紹鋒，馬成松，等.土木工程材料[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2008：78-80.