淺談沿淮水利工程混凝土抗凍等級設(shè)定與性能改善

張玲玲

淮河位于中國東部，介于長江和黃河之間，地處中國南北氣候過渡帶，以北屬暖溫帶區(qū)，以南屬北亞熱帶區(qū)，年平均氣溫為11℃～16℃，最高月平均氣溫25℃左右，最低月平均氣溫在0℃，因淮河所處的地理位置和氣候，沿淮地區(qū)水利工程混凝土設(shè)計一般不考慮抗凍性能，但近年受極端低溫影響，混凝土被凍壞時有發(fā)生，給工程質(zhì)量和安全帶來了極大危害。鑒于此，本文從混凝土抗凍機理及固有特性等角度，以沿淮水利工程混凝土生產(chǎn)技術(shù)實際為背景，對混凝土抗凍性等級設(shè)定與性能改善進行分析，提出應對措施建議。

一、抗凍等級設(shè)定

1.標準實驗

混凝土抗凍等級是衡量混凝土耐久性的一個重要指標。目前，混凝土抗凍等級的確定方法采用《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T50082-2009）的規(guī)定，分為慢凍法、快凍法和單面凍融法3種。針對沿淮地區(qū)氣候特征，應采用慢凍法、快凍法來確定混凝土抗凍等級，這兩種方法的共同特點是：按規(guī)定使混凝土試塊在冷凍前后處于水中浸泡和融化，并且要求水面至少分別高出試件頂面20mm和5mm（快凍法試件盒內(nèi)）以上，試塊必須完全浸入水中融化并吸飽水分。

這種方法測試并評定混凝土的抗凍等級存在一個很重要的問題，即試塊吸飽水分后的含水率高低，完全取決于混凝土試塊的吸水性，而不是取決于混凝土試塊的吸濕性，這與大多數(shù)混凝土工程在應用環(huán)境中的實際含水率無相關(guān)性（大多數(shù)混凝土工程是暴露于大氣中，而不是浸于水中），工程實體混凝土的實際含水率主要取決于混凝土在空氣中的吸濕性，而不取決于混凝土的吸水性。

2.影響因素與機理

混凝土的吸水性和吸濕性是兩個完全不同的概念。吸水性是指混凝土在水中吸收水分的性質(zhì)通常取決于混凝土中毛細孔數(shù)量多少和毛細孔半徑的大小，當混凝土浸入水中，其內(nèi)部孔隙只要開孔是毛細孔就能被水充滿，在毛細孔半徑范圍以內(nèi)，毛細孔越多、半徑越大，混凝土的吸水率越高，受大毛細孔數(shù)量的影響較大，受微毛細孔影響相對較小；吸濕性是指混凝土在潮濕空氣中吸收水分的性質(zhì)，與吸水性相反，吸濕性受大毛細孔影響較小，受微毛細孔數(shù)量影響相對較大。

實驗研究表明：只有在半徑小于0.1μm的微毛細孔中才能產(chǎn)生毛細孔凝結(jié)現(xiàn)象，它可以吸附周圍介質(zhì)的蒸汽而被充填，在孔壁上生成液膜，故這樣的孔具有吸濕性。所以，混凝土中微毛細孔數(shù)量越多，混凝土孔隙的吸濕性越強，排濕性越弱。此時，混凝土的孔隙率和吸水性都可能較低，但因具有吸濕性的微毛細孔數(shù)量較多，混凝土在大氣環(huán)境中仍然有相對較高的含水率（稱含濕率更為貼切）。半徑大于0.1～1μm的大毛細孔，只有直接與液體接觸時才能被液體充滿。在大氣中，大毛細孔不僅不吸收潮濕空氣中的水分，其中原有的水分反而會被排入空氣中，這樣的孔隙不具有吸濕性。因此，混凝土中微毛細孔數(shù)量越少，大毛細孔數(shù)量越多，混凝土孔隙的吸濕性越弱；雖然，由于大毛細孔數(shù)量較多，混凝土的孔隙率和吸水性都可能較高，但處于大氣中混凝土的含濕率仍然可以較低。即吸水性低的混凝土仍可以有較高的吸濕性和含濕率；吸濕性和含濕率較低的混凝土也可以有較高的吸水性。試驗中，分別采用含細顆粒（小于5μm）較少的水泥和細顆粒含量較多的水泥制備成的水泥石試樣，在潮濕空氣中放置3d，含細顆粒較少的試樣，吸濕率比后者降低17%～37%；而在水中浸泡1d，前者吸水率比后者提高13%～29%。

在此特別強調(diào)一下，混凝土的吸濕性或含濕率與混凝土孔隙體積的吸濕性或含濕率也是完全不同的兩個概念。前者是相對混凝土的總體積（包括實體體積和孔隙體積）而言，主要取決于混凝土中微毛細孔的絕對數(shù)量多少；后者僅是針對混凝土中孔隙的體積而言，主要取決于混凝土中微毛細孔與其他較粗孔隙的相對數(shù)量。隨著混凝土孔隙率的降低和微毛細孔絕對數(shù)量的減少，處于大氣中混凝土的吸濕性或含濕率也會相應減少；但此時只要混凝土內(nèi)部的微毛細孔數(shù)量相對較多，大毛細孔數(shù)量相對較少，即二者的數(shù)量之比較大，相對于混凝土孔隙體積的吸濕性和含濕率比較而言必增無疑。當孔隙中水分結(jié)冰產(chǎn)生膨脹應力時，對孔壁造成的破壞和原有裂縫的擴展必然會更加嚴重。相反，隨著混凝土孔隙率和微毛細孔絕對數(shù)量的增加，混凝土的吸濕性或含濕率也會相應增加；但此時只要混凝土內(nèi)部的微毛細孔數(shù)量相對較少，大毛細孔數(shù)量相對較多，即二者的數(shù)量之比較小，處于大氣中混凝土孔隙體積的吸濕性和含濕率無疑會減少。因此，混凝土內(nèi)部孔隙和原有裂縫遭受冰凍破壞的影響自然也小。然而實際工程應用當中，人們通常忽略了混凝土的吸水性和吸濕性以及混凝土孔隙體積吸濕性之間的這種區(qū)別，甚至認為它們之間始終存在著一致性。因此，在確定混凝土的抗凍等級和進行抗凍性試驗時，只考慮了混凝土的吸水性對混凝土抗凍性的影響，而沒有考慮混凝土的吸濕性和混凝土孔隙體積的吸濕性對混凝土抗凍性的影響。

3.存在缺陷

根據(jù)抗凍試驗確定的抗凍等級也只能反映在規(guī)定飽水狀態(tài)下混凝土的抗凍性，并不能反映混凝土在大氣中的真實抗凍性。其結(jié)果是吸水性低的混凝土凍融循環(huán)次數(shù)多，抗凍等級高；但混凝土的吸濕性及混凝土中微毛細孔內(nèi)的吸濕性卻都可能較大，在處于實際應用的大氣環(huán)境當中，混凝土的含濕率特別是相對于混凝土孔隙體積的含濕率反而更高，導致混凝土的實際抗凍性并不一定好，甚至比抗凍等級低的混凝土還差。

二、改善性能

現(xiàn)階段，為了提高混凝土耐久性及抗凍等級性能指標，混凝土施工和生產(chǎn)中除了采用引氣劑以外，通常采用摻入高效減水劑、降低水膠比，并采用細度較細的早強水泥和細粒摻合料等方法。其初衷是通過減少混凝土內(nèi)部粗大的毛細孔數(shù)量或孔半徑來提高混凝土的強度和抗凍、抗?jié)B等耐久性能。但在混凝土生產(chǎn)中采用普通水泥和一般的施工方法，這一目的較難達到，實際生產(chǎn)出的混凝土大多數(shù)仍為多孔體系。

目前為提高混凝土抗凍等級、抗?jié)B等級和強度等級而采取的一些措施，在很多情況下是增加混凝土內(nèi)部的微毛細孔數(shù)量，使其具有排濕性的大毛細孔數(shù)量減少。特別是微毛細孔和大毛細孔數(shù)量之比的顯著增大，使混凝土孔隙體積的吸濕性大幅提高。這一做法不但不能提高大多數(shù)混凝土（暴露于大氣中的混凝土）的抗凍性，反而會不同程度地降低混凝土的真實抗凍性和耐久性。

對沿淮地區(qū)而言，在最冷月份足以使混凝土毛細孔內(nèi)的部分或大部分水結(jié)冰。由于大毛細孔的存在具有良好的排濕性，當結(jié)冰時，將有足夠的空間滿足結(jié)冰所引起的體積變化，所以處于大氣中的混凝土內(nèi)部可凍結(jié)水的數(shù)量主要取決于混凝土內(nèi)微毛細孔中的水量。微毛細孔隙內(nèi)的水分一旦結(jié)冰，微毛細孔中沒有足夠的空間緩沖結(jié)冰所造成的體積膨脹，此時，結(jié)冰產(chǎn)生的膨脹應力對混凝土孔壁的破壞必然更加嚴重。如蘇聯(lián)的研究指出，混凝土中儲備孔（被蒸汽空氣混合氣體充填的孔）的相對體積越大，抗凍性越好。并著重指出，影響混凝土抗凍性的與其說是儲備孔的絕對體積，不如說是儲備孔體與充滿水的孔體積之比。其抗凍機理類似于引氣劑提高混凝土抗凍性的作用機理。此外，孔隙內(nèi)部含濕率高的混凝土，還會加劇空氣中腐蝕性介質(zhì)對混凝土的侵蝕及混凝土內(nèi)部鋼筋銹蝕等，導致混凝土的強度、抗凍性、抗裂性和抗?jié)B等耐久性能的下降。當前，我國正處于基礎(chǔ)建設(shè)高速發(fā)展的重要時期，對此影響因素應引起重視。

三、措施與建議

（1）暴露在大氣中的混凝土工程，應當重點考慮混凝土在大氣中的抗凍性。抗凍融試驗方法應將水融法改為氣融法（如在200℃或更高溫度、濕度95%的環(huán)境中融化），盡管試驗時間會相對延長，但可以通過適當提高融化溫度的方法來解決。混凝土抗凍等級的確定也應以氣融法為依據(jù)，才能更好地反映其混凝土工程在實際應用環(huán)境中的抗凍性。

（2）大多數(shù)混凝土工程，除了推廣采用引氣劑以外，必須在水膠比的控制方面徹底糾正混凝土內(nèi)毛細孔半徑越大、害處越多的傳統(tǒng)觀念。控制適當?shù)乃z比，以避免混凝土內(nèi)部形成過多的微毛細孔和過少的大毛細孔。

（3）以通用水泥為膠凝材料的混凝土工程，應合理控制和選擇膠凝材料的粉磨細度，適當控制其中小于5μm的細顆粒含量，同樣可以避免混凝土內(nèi)部形成的微毛細孔數(shù)量過多。

（4）對于水工混凝土和抗?jié)B性要求高的混凝土，建議進一步推廣和加強堿礦渣水泥及土壤聚合物水泥等膠凝材料的應用和研究。如：堿礦渣水泥能夠大幅度提高混凝土中的超微孔數(shù)量。

（5）已經(jīng)竣工并采用低水膠比等技術(shù)措施的混凝土（尤其是高強混凝土和高性能混凝土）工程，建議在氣候干燥季節(jié)及時采用表面密封和表面改性等技術(shù)措施進行保護。如采用防水涂料涂刷或有機硅防水劑浸漬混凝土表面，以降低混凝土孔隙內(nèi)部的吸濕性和含濕率，提高混凝土的抗凍性和大氣穩(wěn)定性等耐久性能■