水泥混凝土抗凍融耐久性能研究

葛春雷

（河北路橋集團第一工程有限公司，河北 石家莊 054001）

0 引言

凍融破壞以及鹽凍破壞是影響我國西部地區和北方地區基礎設施耐久性的一個嚴重問題。針對我國寒冷地區、嚴寒地區路橋建設的特點，開展混凝土抗凍融耐久性的研究，對提高我國西部地區及三北地區混凝土橋梁結構的耐久性，延長橋梁結構使用壽命，提升高投資效益，加快經濟建設步伐，具有重大的理論和現實指導意義。

1 寒區路橋結構水泥混凝土耐久性等級研究

1.1 寒區路橋水泥混凝土破壞的主要原因

西部地區和東北地區道路、橋梁水泥混凝土的主要破壞原因為凍融破壞及冬季撒鹽造成的鹽凍破壞。其中，路面混凝土的破壞類型主要為剝蝕、裂縫，橋梁混凝土的破壞類型主要為剝蝕、裂縫。在嚴寒、寒冷地區，特別是青藏高原，凍害尤為嚴重。鋼筋銹蝕也是造成混凝土破壞的原因之一。但青藏高原沒有鋼筋銹蝕及其引發的破壞，鹽湖地區除外。鹽湖地區水泥混凝土的破壞與鹽的種類及含量密切相關，主要為鹽腐蝕、鹽結晶和鹽凍破壞，但高濃度鹽湖水不存在凍融。干旱少雨、土壤中鹽含量較高的地區水泥混凝土主要為鹽結晶破壞和腐蝕破壞。

1.2 路橋結構水泥混凝土年凍融次數的確定

由地表溫度確定的年凍融次數更為真實。混凝土經受的年平均凍融循環次數可以用地表最低溫度不高于-3℃，同時當日地表最高溫度高于0℃的年平均天數來確定。凍融次數與最低溫度有關，嚴寒地區、寒冷地區的凍融次數高于其他地區，特別是青藏高原，其凍融次數遠遠高于其他地區，高達260次/年。但并不是冬季溫度越低，凍融次數越多。相同海拔高度情況下，嚴寒地區的凍融次數低于寒冷地區的凍融次數。

1.3 我國路橋水泥混凝土抗凍性等級的確定

混凝土的抗凍等級可以按照地表最低溫度不高于-5℃，同時當日地表最高溫度高于0℃的年平均天數，結合凍融破壞程度、溫差、溫度變化速率、最低地表溫度等來劃分，即按年平均有害凍融次數劃分。由此劃分的抗凍等級能夠較好地滿足各地水泥混凝土的抗凍性要求。

2 不同環境條件下水泥混凝土抗凍耐久性機理

2.1 氯鹽環境下混凝土的抗凍性及其對鋼筋的銹蝕性

混凝土在氯化鎂溶液中的凍融破壞速度與在水中凍融破壞速度基本一致，在氯化鈉、氯化鈣溶液中凍融時破壞速度遠遠高于在水中和氯化鎂溶液中的破壞速度，破壞形式主要為表面嚴重剝落，其相對動彈模量并沒有明顯降低，只有當混凝土的剝落量大于1.0kg/m2后，混凝土的相對動彈性模量才開始產生較明顯的變化。混凝土在氯化鈉、氯化鈣溶液中凍融時吸液率和凍害因子高是破壞速度快的主要原因。混凝土含氣量低于4.2%時，隨著含氣量的增大，極化電阻逐漸增大，腐蝕電流密度和腐蝕速率逐漸減小，抗鋼筋銹蝕性能逐漸變好。含氣量在4.2%～6.4%范圍內時，隨含氣量的增大，鋼筋抗銹蝕性能的變化規律則相反，但仍比非引氣混凝土好。

2.2 硫酸鹽環境下水泥混凝土的抗凍性

混凝土在硫酸鈉溶液中凍融破壞速度與在水中凍融破壞速度基本一致，而在硫酸鎂溶液中凍融破壞速度最慢，抗凍性較水中提高2～3倍。混凝土在硫酸鈉溶液、硫酸鎂溶液中凍融時的剝落量明顯小于在氯化鈣溶液和氯化鈉溶液中。C30混凝土在硫酸鈉溶液中凍融時試件中部明顯膨脹，C45以上混凝土凍融時中部常出現突然斷裂，但表面基本完好如初，且動彈性模量的下降速率比在水中快。硫酸鈉溶液的濃度變化對強度較高的混凝土的抗凍性沒有大的影響，其對混凝土的凍融破壞主要是由于結冰和Na2SO4·10H2O析出所致。引氣可以明顯改善混凝土在硫酸鈉溶液和硫酸鎂溶液中的抗凍性。

2.3 碳化對路橋水泥混凝土抗凍性的影響

碳化能提高混凝土的抗凍性，但工程中混凝土的碳化是在自然條件下緩慢進行的過程，因而碳化對工程中混凝土抗凍性的提高可以不予考慮。

2.4 溫度對混凝土抗凍性的影響

混凝土經受凍融循環作用時，受凍溫度越低，混凝土的吸水率越高，混凝土遭受的凍融破壞作用越大。-5℃以上的凍結溫度對混凝土的凍融破壞作用明顯較小，可以不按抗凍性要求設防，-5℃以下可以認為是有害凍結溫度。但凍結溫度低于-18℃時的凍脹破壞較-18～-5℃間的凍脹破壞明顯減小。

2.5 干濕循環條件下混凝土的抗凍耐久性

在凍融和干濕循環聯合作用下，濃度為7%、10%的硫酸鈉溶液對混凝土具有很強的破壞作用，破壞以干濕循環為主，而濃度較大的復鹽溶液（海水）對混凝土的剝蝕破壞影響不大，破壞以凍融為主。強度較高的混凝土比強度低的混凝土表現出更好的耐久性，引氣和摻加粉煤灰可以明顯改善混凝土抵抗凍融-干濕循環的能力，混凝土的粉煤灰摻量宜為20%。

2.6 高抗凍混凝土耐磨性及凍磨作用下的破壞機理

凍融與磨蝕聯合交替作用不利于高性能混凝土的抗凍、耐磨、耐久性。在實際工程中對低強度等級混凝土應采取相應措施提高其抗凍性和耐磨性，引氣和采用復摻摻合料或添加纖維（尤其是有機纖維）可顯著提高混凝土耐磨性能以及抗凍融-磨損能力。

3 提高路橋水泥混凝土抗凍融耐久性的方法

3.1 含氣量、氣孔結構

混凝土的抗凍性與氣泡間距系數有良好的相關性，氣泡間距系數越小，混凝土的抗凍性越好。氣泡間距系數相同時，高強混凝土的抗凍性明顯大于低強度混凝土。

3.2 礦物摻合料

適量（通常≤20%）的優質礦物摻合料能夠提高混凝土的力學性能，減少干縮，提高混凝土的抗滲性能，細化混凝土的孔結構，對混凝土的抗凍性和抗碳化性能沒有不利影響，復摻則效果更好。

3.3 高性能外加劑

聚羧酸鹽減水劑、引氣劑和減縮劑的復合使用，能夠有效改善混凝土的早期抗開裂性能，提高混凝土的抗滲、抗碳化等耐久性能，對混凝土的力學性能沒有不利作用。無機鹽類外加劑的摻入，降低了混凝土的抗凍性和抗鹽凍剝蝕性，特別是摻量較大時效果顯著。

3.4 提高混凝土抗凍耐久性的其他措施

摻入聚丙烯腈纖維、預濕輕骨料能顯著改善混凝土的早期抗裂性和抗凍性，對混凝土的抗氯離子滲透性沒有不利影響。涂刷表面耐久性增強劑，可顯著提高混凝土的抗滲、抗凍和抗碳化等耐久性能。

3.5 引氣混凝土含氣量分層的解決措施

固體抗凍劑（廢橡膠粉、多孔砂等）能夠起到與化學引氣劑相同的引氣效果，能大幅度提高混凝土的抗凍耐久性能，較好地解決化學引氣劑存在的含氣量分層問題。

4 高抗凍耐久性混凝土的主要物理-力學性能

4.1 高抗凍耐久性混凝土的主要力學性能

高耐久性引氣混凝土的彎拉強度、軸拉強度、劈拉強度、軸壓強度、鋼筋握裹力都隨含氣量的增加而增大，但當含氣量達到6%后，某些指標低于非引氣混凝土。混凝土的彈性模量隨含氣量的提高而降低，當含氣量為6%～7%時，彈性模量下降約2%～8%。因此，當含氣量不超過5%～6%時，有關普通混凝土的結構設計規范同樣也適用于引氣混凝土。

引氣混凝土的峰值應變隨著強度等級提高而逐漸增大。強度等級相同時，混凝土的峰值應變隨含氣量的增加而略有增大。強度等級越高，引氣混凝土應力—應變全曲線的彈性段越長。引氣混凝土無量綱化應力—應變全曲線的上升段與普通混凝土基本相同，而下降段則有較大差異，而強度等級相同時，隨著含氣量的增大，下降段越來越平緩，殘余應變段越來越長，延性越好。引氣混凝土的韌性較普通混凝土高，并隨著含氣量的增大，其韌性逐漸提高。

4.2 負溫下水泥混凝土的脆性特征及主要力學性能

在平衡含水與和飽水狀態下，隨著環境溫度的降低，混凝土的各項力學性能提高，提高幅度依次為：抗折強度＞劈拉強度＞抗壓強度＞彈性模量，但抗壓強度和彈性模量變化不大。環境溫度越低，含水率越高，各種力學性能增長幅度越大，飽水狀態下在-20～-5℃時抗折強度可增加1倍。

4.3 高抗凍耐久性混凝土的變形性能

水灰比不變時，引氣會增大混凝土的干縮，并且隨水灰比的增大而增大。在保證引氣混凝土強度不變的情況下（保持水泥用量不變，降低水灰比），引氣對混凝土的干縮沒有影響或干縮量略有降低，但含氣量超過6%后會增大干縮。干燥條件下混凝土的干縮較標準條件下增大50%，干燥初期則增大80%～100%。

混凝土的早期開裂主要出現在初凝前。粉煤灰、磨細礦渣的摻量在10%～30%范圍內可以減少混凝土早期開裂，摻加優質引氣（混凝土含氣量應小于6%）也可提高混凝土的早期抗裂性。使用減縮劑和高分子纖維是改善混凝土早期抗裂性最有效的措施。適當降低混凝土的凝結硬化速度或限制混凝土24h強度也是提高混凝土抗裂性的有效措施。

引氣混凝土的徐變不僅與含氣量有關，而且還與加載時混凝土的齡期有關，混凝土的加載齡期越早，含氣量對徐變的影響越大。當混凝土的加載齡期為28d時，含氣量每增加1%，徐變增加15%左右；當加載齡期為7d時，含氣量每增加1%，徐變增加25%左右；隨著荷載持續時間的不斷增加，含氣量對混凝土的徐變影響逐漸減小。

4.4 引氣混凝土小梁的力學性能

含氣量對受彎混凝土梁的界限配筋率沒有影響，引氣混凝土抗彎梁的界限配筋率與普通混凝土相同，且引氣混凝土受彎構件也完全符合平截面假定。含氣量對混凝土梁的抗剪性能也沒有影響，引氣混凝土結構與非引氣混凝土結構的抗剪性能沒有區別，引氣混凝土承擔的剪力仍可以按照規范公式計算。

5 結語

我國受凍地域廣大，特別是北部和西部地區的水泥混凝土橋梁、路面普遍受凍融（鹽凍）的作用，公路、橋梁的使用壽命較短。本研究的成果可在傳統水泥混凝土的基礎上，通過組分的優化，摻加引氣劑、礦物摻合料等綜合措施使水泥混凝土的抗凍耐久性有大幅度的提高，對增加基礎設施的使用壽命、提高投資效益具有重要意義。

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