高寒地區混凝土的抗凍性能研究綜述

胡邦勝

（重慶交通大學 材料科學與工程學院 重慶 400074）

高寒地區混凝土的抗凍性能研究綜述

胡邦勝

（重慶交通大學 材料科學與工程學院 重慶 400074）

大量資料顯示我國“南銹北凍”的情況嚴重影響混凝土的耐久性能，而北方地區的混凝土遭遇了不同程度的凍融破壞情況，因此，混凝土抗凍融性能是衡量混凝土耐久性的重要指標之一。本文針對高寒地區混凝土凍融破壞問題，簡要的探討了抗凍的主要影響因素以及改善措施。

高寒地區；混凝土；抗凍性能

1 前言

近年來不少地區的混凝土出現了不同程度的凍融破壞現象，根據資料顯示混凝土的凍融破壞主要集中在東北、西北、華北地區，而這些地區由于海拔較高，日照長，雨水少，蒸發量大，太陽輻射強，晝夜溫差大，無霜期短，冰凍期長的氣候特點，凍融次數多，并且鹽漬地覆蓋區域廣，加之除冰鹽的使用，使得水泥混凝土路面和橋梁結構物較南方地區經受著更為嚴酷的考驗，破壞形式更為多樣化。除上述一些破壞外，在氯鹽侵蝕、干濕交替存在的同時，混凝土的凍害加劇了腐蝕的進程，大大降低了混凝土的耐久性和使用年限。為了使上述及類似工程繼續發揮作用，各部門每年都要耗巨資加以維修。根據以往經驗混凝土工程安全使用期和維護使用期的比例為1: 3—1: 10，但維護使用期的維修費用卻高達建設費用的 1-3倍，所以遭受早期凍害破壞的混凝土工程不僅直接影響人們的生命財產安全，同時也給經濟建設帶來巨大的浪費。因此，針對我國寒冷地區、嚴寒地區開展混凝土抗凍性能研究，對提高我國西北地區和三北地區混凝土結構的耐久性，延長結構物的使用年限，提高投資效益，加快經濟建設步伐，具有重大的現實意義。

2 高寒地區混凝土抗凍的主要影響因素

混凝土的抗凍性與內部孔結構、含氣量、水飽和程度、受凍齡期、受凍環境等因素有關。

2.1 內部孔結構

吳中偉教授提出了孔結構理論，認為混凝土的凍融破壞與混凝土內部微孔結構有關，主要原因是孔結構中的水在凍融循環過程中所起的作用。一般情況下，孔隙率越大，相對含水量越多，則可凍水量也就越多。水灰比也是影響混凝土孔隙率及孔結構的直接因素，隨著水灰比的增大，不僅含有可凍水的開孔體積增加，而且平均孔徑也增大，必然導致混凝土的抗凍性降低。

2.2 含氣量

梁文泉、駱翔宇等人認為高寒地區的混凝土在一定范圍內提高含氣量可以改善它的抗凍性，但含氣量過高時會影響混凝土自身的強度。將含氣量控制在4.5%～6%可以改善混凝土內部的孔結構，減少了混凝土的滲透性，大大提高了混凝土的抗凍耐久性。

2.3 受凍環境

劉軍、劉潤清等人認為不同凍害環境中的混凝土，早期抵抗凍害的抗凍臨界強度取值與凍害環境直接相關，隨著混凝土含水狀態的不同和凍害溫度的變化，抗凍臨界強度取值差異較大，但達到抗凍臨界強度的混凝土在經歷不同凍害環境破壞后，其內部孔結構狀態基本相同。

2.4 受凍齡期

混凝土的抗凍性隨著齡期增長而提高，齡期越長，水泥水化越充分，可凍結的水分也就越少，同時水中溶解鹽的濃度增加，因此，冰點也隨著齡期的增長而降低。齡期越長，混凝土的強度越高，抵抗膨脹的能力就越大，混凝土的抗凍性也就越高。

2.5 飽水程度

混凝土的凍害與其孔隙的飽水程度緊密相關，一般認為含水量小于孔隙總體積的91.7%就不會產生凍結膨脹壓力，該數值稱為極限飽水度。在混凝土完全飽水狀態下，其凍結膨脹壓力最大。混凝土的飽水狀態主要與混凝土結構所處的自然環境有關。

3 提高高寒地區混凝土抗凍性能的措施

通過對混凝土抗凍機理和影響因素的一些了解，對于高寒地區混凝土抗凍性能的控制措施應該從原材料、配合比設計、施工方面開始。

3.1 原材料方面

（1）加入引氣劑和減水劑，黃士元、宋擁軍等認為混凝土中加入適量的引氣劑后，產生了大量均勻、穩定而封閉的微小氣泡，這些微小的氣泡一方面可以提高流動性，改善孔結構；另一方面可以減少冰凍時給孔結構帶來的膨脹力，也可以緩解溶解時帶來的壓應力；從而大大提高混凝土的抗凍性。

（2）趙霄龍等認為加入優質的礦物摻合料 可以有效改善混凝土拌合物的工作性，降低混凝土的水化熱，并通過二次水化反應，調整水泥石的礦物組成和結構，使得大孔減少，小孔、微孔增多，孔分布均勻，進而提高混凝土結構的耐久性。

3.2 配合比設計方面

刮俊等人在新疆高寒地區采用了正交試驗進行配合比設計得出采用低水膠比、低用水量、低粉煤灰摻量和較高水泥用量的方法，可改善混凝土內部孔結構，使混凝土更加密實，能有效改善混凝土抗鹽凍性能。當水膠比由0.40減少到0.34時，剝蝕量減低約 15%。 研究同時表明，粉煤灰摻量的增加并不能有效改善混凝土抗鹽凍性能，反而會降低其抗碳化能力和混凝土的早期強度。因此，對于強度要求較高的混凝土構造物，粉煤灰摻量應控制在 15%以下，其他結構部位也不宜超過25%。

3.3 施工方面

2003年西部交通科技項目“水泥混凝土抗凍融耐久性能研究”項目組提出了采用摻加固體引氣劑、纖維、提高攪拌運輸車的攪拌速度等方法，解決了預拌混凝土經攪拌運輸車運送過程中含氣量分層的技術難題。混凝土在運送到施工現場，實驗人員應該對坍落度，含氣量，泌水率以及入模溫度進行檢測，對于混凝土坍落度，含氣量過大的混凝土要及時清理，混凝土的運輸時間越長，坍落度，含氣量就損失的越多。因此，為保證抗凍混凝土的質量，應該罐車到達后立即進行澆筑。

4 結語和展望

（1）現階段對不同的外摻料研究較多，但對納米級的外摻料研究的較少。納米材料能極大的提高混凝土的早期強度和抗凍性能，但納米材料比表面積大，吸水率較高，不易施工且攪拌過程中極易抱團，作為混凝土的一種外摻料，保證摻納米材料混凝土的集料的均勻性和施工性能極其重要。

（2）對混凝土凍害破壞裂縫狀態的研究以及混凝土凍害的損傷程度研究相對較少，大部分都是從建筑材料角度進行其凍害預防工作的研究。未來可以將材料研究方法與結構研究方法相結合，從凍害的成因、凍害的形態、凍害的程度、凍害的擴展多方面開展工作，實現高寒地區混凝土的結構應用安全性。

（3）當前測試方法對于高寒地區的抗凍混凝土早期內部孔結構的研究結果精度有限，因此應該深入研究在改善現有測試方法的基礎上，結合計算機模型真實模擬高寒地區混凝土早期內部孔結構的形成過程和形成狀態。

[1]宋擁軍.含氣量對混凝土抗凍耐久性能的影響[J].中國三峽建設.1999 (11)：45-47

[2]黃士元.近代混凝土技術[M].陜西省科學技術出版社.1999

[3]吳中偉，廉慧珍.高性能混凝土[M].北京:中國鐵道出版社.1999

[4]2008年西部交通科技項目:水泥混凝土抗凍融耐久性能研究

[5]梁文泉等.大摻量引氣劑混凝土在高寒干燥地區的抗凍性研究[J].混凝土.2005(1)

[6]劉潤清、劉軍等.受凍環境對低溫混凝土抗凍臨界強度的影響[J].遼寧工程大學學報（自然科學版）.2011(2)

[7]趙霄龍、衛軍等.混凝土凍融耐久性劣化與孔結構變化的關系[J].武漢理工大學學報.200(12)

[8]刮俊.新疆高寒地區橋梁混凝土耐久性研究[D].長安大學碩士論文，2010.6.

[9]劉潤清.多因素影響下低溫混凝土抗凍臨界強度的研究[D].大連理工大學博士，2011.

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