抗凍混凝土在凍融環(huán)境下的設(shè)計與方法研究

葛惠魯

（鐵正檢測科技有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

京新高速項(xiàng)目巴木段位于新疆巴里坤哈薩克自治縣，屬溫帶大陸性寒冷干燥天氣地區(qū)，一般海拔范圍在1 600 m左右，冬季寒冷，夏季清涼，但光照較充裕，故四季并不分明，月平均溫度約為-1 ℃，而極端最低氣溫為-43.6 ℃。在混凝土強(qiáng)度增長過程中，會經(jīng)歷數(shù)次的凍融循環(huán)的破壞，這對混凝土的結(jié)構(gòu)和性能構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。普通的混凝土在這般環(huán)境中，往往無法維持預(yù)期的設(shè)計壽命。為了適應(yīng)混凝土在凍融環(huán)境下的挑戰(zhàn)，需要不斷設(shè)計并采取一系列的措施，以確保混凝土能夠經(jīng)受住環(huán)境的考驗(yàn)。

1 混凝土的凍融破壞機(jī)理和影響抗凍的主要因素

1.1 凍融破壞原理研究

混凝土是一種有很多小孔的建筑材料。為了讓它變得容易攪拌，加入的水總是比混凝土里的水化水要多。這部分多余的水就以游離水的形式留在混凝土里，形成連接的小毛細(xì)孔。這些毛細(xì)孔里的自由水是導(dǎo)致混凝土建筑物凍融破壞的主要原因。因?yàn)樗隼鋾Y(jié)冰，體積會變大，從而對混凝土結(jié)構(gòu)造成破壞。研究發(fā)現(xiàn)，凍融過程中，吸水飽和后的水泥混凝土結(jié)構(gòu)受到的破壞力主要來自兩個方面：①膨脹壓力。當(dāng)氣溫降到零攝氏度以下時，水中便開始形成固體冰，水在形成冰塊時，容積擴(kuò)大到了9%，由于受到毛細(xì)孔的限制，會產(chǎn)生張應(yīng)力。②滲透的壓力。在混凝土中毛細(xì)孔隙的孔徑越小，其冰點(diǎn)越小。通過這種方式，在粗孔內(nèi)的水冷卻形成冰顆粒之后，在較細(xì)的孔和凝膠孔中的冰粒因?yàn)轱柡驼魵鈮毫Σ钆c過冷水之間的鹽濃度的差異，導(dǎo)致了水的移動，由此滲透壓力開始發(fā)揮作用。而且，過冷水不斷滲透，使得毛細(xì)孔里的冰體積持續(xù)增大，導(dǎo)致膨脹壓力增大。在混凝土受凍的過程中，溫度的變化會破壞混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。凍融層對混凝土的影響程度，與很多因素有關(guān)，比如水泥混凝土的抗凍性能、含水量、極端最低氣溫、凍融速率、最大凍深以及每年凍融循環(huán)次數(shù)等。

1.2 影響混凝土抗凍的主要因素

水泥混凝土的抗凍性能與其內(nèi)在孔隙結(jié)構(gòu)、含水率、受凍結(jié)齡期以及抗壓等級因素緊密相連。至于水泥混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度，則取決于水膠比、外加劑的應(yīng)用以及養(yǎng)護(hù)方式等要素。

①水膠比。水膠比對水泥混凝土的孔隙大小和結(jié)構(gòu)有更直接的作用。隨水膠比的增加，不僅使過飽和水的開口空隙增加，同時使其的孔徑增加，由此引起水泥的耐凍性能降低。國內(nèi)有關(guān)技術(shù)規(guī)范里面，對各種情況下的最大水膠比和最小水泥用量都給出了規(guī)定。②含氣量。這個混凝土中的氣體含量對混凝土的抗凍性能產(chǎn)生很大影響，特別是加入引氣劑后產(chǎn)生的微小氣孔，這對提升混凝土的抗凍性起著關(guān)鍵作用。在混凝土受凍早期，這些相互不相聯(lián)的微小孔隙可以降低混凝土的靜水壓，從而達(dá)到降低混凝土受凍早期的壓力。這些微孔可以防止或抑制水泥中的微粒冰塊的形成。每種混凝土攪拌物要保證最低含氣量，防止結(jié)冰。③混凝土的水分飽和度。混凝土受凍的程度和水分飽和度有很大關(guān)系。一般認(rèn)為，當(dāng)孔隙中的水分含量小于孔隙容積91.7%時，就不會發(fā)生凝固膨脹現(xiàn)象，這便是所謂的極限飽水度。水泥飽水后，凍融脹壓力最大。混凝土的飽水程度跟其所處的自然環(huán)境和位置有關(guān)。④混凝土的抗凍性能。混凝土齡期越長，抗凍性能越好，混凝土的抗凍性逐漸增強(qiáng)。由于隨著齡期的延長，水泥水化作用的增強(qiáng)，混凝土的抗脹性也隨之增強(qiáng)。這對于早期凍結(jié)的混凝土尤為重要。⑤水泥類型和碎石質(zhì)量。水泥活性越高，混凝土抗凍性能就越好。相比復(fù)合硅酸鹽水泥，普通硅酸鹽水泥混凝土抗凍性能更出色，比火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥混凝土也更強(qiáng)。混凝土里的碎石對其抗凍性能的影響，主要看碎石的吸水性和抗凍性。⑥外加劑和混合料的作用。改變水泥混凝土結(jié)構(gòu)，加入減水劑、引氣劑和引氣減水劑等添加劑，能提高混凝土的抗凍性能。

減水劑可以降低混凝土的水膠比，進(jìn)而降低多孔性，增加水泥混凝土的防凍性能。

添加適當(dāng)?shù)囊龤鈩┦歉纳扑嗷炷恋目箖瞿芰Φ囊豁?xiàng)關(guān)鍵和可行的方法。引氣劑是一種表層活性劑，它的表層活性能力可以明顯降低水泥混凝土的表層張力，使之在混凝土內(nèi)形成一些微小而穩(wěn)定的致密氣泡。可以發(fā)揮潤滑功能，提高水泥混凝土的和易性能，從而降低施工難度；還可以使水泥混凝土中的含氣量增加，使其細(xì)密孔隙結(jié)構(gòu)得以改變，抗凍性得到明顯的改善。國內(nèi)外大量的試驗(yàn)和施工實(shí)踐證明，當(dāng)使用引氣劑，在細(xì)密氣泡的作用下，混凝土的抗凍能力獲得了很大的改善。

2 防凍混凝土配合比設(shè)計過程與試驗(yàn)驗(yàn)證

本標(biāo)混凝土設(shè)計等級為C40，防凍級別不小于F300，混凝土拌和物的總含氣量控制在3.0%～6.0%之間。

2.1 原材料選用

（1）水泥：具有較好的保水性、低泌水性和低濕熱的水泥是最好的選擇。由于混凝土的抗凍性，選擇了P.042.5。因?yàn)樗嗨瘯a(chǎn)生熱量，如果熱量過高，混凝土就會因?yàn)闊崦浝淇s不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)收縮裂縫，這樣就會讓加入混凝土的添加劑效果大打折扣。

（2）粉煤灰：粉煤灰的摻入除代替部分水泥，用作混凝土的膠結(jié)類料外還可以填充微小孔隙，既可以降低水泥的孔隙度，提高密實(shí)性，還可以改善混凝土的抗凍性能。

（3）粗集料為5～31.5 mm連續(xù)級配的破碎碎石。首先進(jìn)行機(jī)械反擊破碎，水洗，試驗(yàn)，然后進(jìn)行混凝土澆筑。必須說明的是堿集料反應(yīng)是無法回避的，但如果超出了該指標(biāo)，會對混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的影響，說明該集料與水泥、外加劑產(chǎn)生堿集料反應(yīng)。此外，對粗集料的壓碎值做出了規(guī)定，控制在10%以下，進(jìn)一步保障了凍融混凝土的性能。

（4）細(xì)集料：細(xì)集料選用質(zhì)地堅硬，潔凈，級配良好的河砂，或細(xì)度模數(shù)為2.4～2.8，石粉含量為6%～18%的機(jī)制砂。

（5）水：用于混凝土攪拌或養(yǎng)護(hù)的水，不得包含對混凝土中的鋼筋造成傷害的物質(zhì)。

（6）減水劑/引氣劑：在抗凍防滲水泥混凝土中添加引氣劑或引氣型減水劑，能夠使水泥混凝土的內(nèi)部產(chǎn)生均勻分布的微小氣泡，從而提高抗凍性能和防滲性能，達(dá)到技術(shù)和施工需要。含氣量為3%～5%。

2.2 配合比設(shè)計

2.2.1 設(shè)計步驟

根據(jù)設(shè)計文件對混凝土的要求，選用合適的原料，制定出既能滿足凍融性能、強(qiáng)度和耐久性，又具有經(jīng)濟(jì)合理性的混凝土配比。

（1）在混凝土的配比中，最大水膠比應(yīng)控制在0.45以內(nèi)。若水膠比過大，將導(dǎo)致混凝土中出現(xiàn)大量游離水。水化作用所需的水分僅占水泥的25%～30%，然而為確保施工便捷和提高混凝土的易用性，實(shí)際應(yīng)用中水分含量通常增加至50%～70%。然而，這部分多余的游離水會在混凝土中形成孔隙，導(dǎo)致密度降低，進(jìn)而削弱混凝土的抗凍性和強(qiáng)度。

（2）砂率選擇：合理確定砂率對混凝土拌合物的和易性具有顯著影響。

砂率過大會減少混凝土拌合物的和易性和流動度；砂率太小也會減少混凝土的和易性。

2.2.2 配合比的試配

抗凍混凝土配合比結(jié)束后，須進(jìn)行試驗(yàn)，確定理論配比。在試配前，要保證原材料符合配比的要求。在試配時，工序要配合好，物料稱重要精確。步驟見圖1。

圖1 流程圖

2.2.3 理論配合比選定及參數(shù)匯總

（1）按照J(rèn)GJ55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》中測定的結(jié)果作為基準(zhǔn)配合比的確定條件，根據(jù)要求調(diào)整水膠比，添加水膠比0.38和0.34的配合比各一組。

①每立方米材料的用量見表1。

表1 每立方米材料的用量

②混凝土拌合物性能參數(shù)表見表2。

表2 混凝土拌合物性能參數(shù)

③配合比抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 配合比抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

④抗凍耐久性測試結(jié)果見圖2、圖3。

圖2 質(zhì)量損失率

圖3 相對動彈模量

在抗凍混凝土配合比試件經(jīng)過28 d的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后，緊接著進(jìn)行了為期300次的凍融循環(huán)試驗(yàn)。試驗(yàn)完成后，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了試件的質(zhì)量損失率和相對動彈性模量。結(jié)果顯示，試驗(yàn)結(jié)果符合設(shè)計規(guī)范要求。

（2）配合比的調(diào)整與確定。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)論，現(xiàn)場理論配合比每立方米的材料用量如表4。

表4 現(xiàn)場理論配合比每立方米的材料用量 單位：kg

（3）混凝土拌和物性能及耐久性指標(biāo)見表5。

表5 混凝土拌和物性能及耐久性指標(biāo)

3 凍融混凝土施工過程控制

施工時，應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行控制。

3.1 原材料控制

①水泥進(jìn)場后試驗(yàn)室應(yīng)進(jìn)行取樣檢驗(yàn)，水泥質(zhì)量檢驗(yàn)通過后，方可進(jìn)行混凝土的配制。②粗、細(xì)骨料按每400 m3進(jìn)行抽檢，符合要求后方可以進(jìn)行水泥混凝土的配制。③外加劑入庫后，需對各批次產(chǎn)品進(jìn)行嚴(yán)格檢驗(yàn)。如遇質(zhì)量異常情況，應(yīng)及時抽取樣品進(jìn)行檢測，確保混凝土外加劑的品質(zhì)，嚴(yán)格杜絕任何可能影響混凝土質(zhì)量的因素。

3.2 混凝土攪拌

①攪拌設(shè)備應(yīng)配備自動計量裝置，并經(jīng)相關(guān)部門進(jìn)行校準(zhǔn)。每次攪拌時間應(yīng)在3 min以內(nèi)，以確保混凝土攪拌均勻。②攪拌站和澆筑工地要保持聯(lián)絡(luò)，在進(jìn)場之前要對混凝土進(jìn)行坍落度測試，如果發(fā)現(xiàn)有任何不正常的情況，立即通知攪拌站，攪拌站立即進(jìn)行調(diào)整。

3.3 混凝土輸送

混凝土的運(yùn)輸采用水泥罐車方式，運(yùn)送過程中要少拉多趟，保證混凝土的和易性能。同時避免因路面狀況差而造成的混凝土運(yùn)輸延遲。

3.4 混凝土澆筑

①鋼筋和模具澆筑之前應(yīng)進(jìn)行必要的檢驗(yàn)。清理底層的雜質(zhì)淤泥，檢查用電的接線情況。做好澆注前的各種準(zhǔn)備工作，保證施工安全。②在混凝土進(jìn)入模具后，應(yīng)檢測其內(nèi)外溫度。避免混凝土溫度開裂，減少溫度的變化。③在混凝土施工過程中，不可一次性傾倒，分層實(shí)施，施工一遍振搗一遍。

3.5 混凝土養(yǎng)護(hù)

①當(dāng)混凝土澆灌完成后，及時做好保溫、保濕等養(yǎng)護(hù)。②在大風(fēng)區(qū)域，要保證混凝土的水化放熱均勻，得做好防風(fēng)措施。③對于新澆筑的混凝土構(gòu)件，如承臺、墩臺身、涵洞邊墻和基礎(chǔ)等，須及時采取防水措施。④在混凝土澆筑后14 d，強(qiáng)度達(dá)到85%時，可拆除遮蓋，并在混凝土表面噴涂養(yǎng)護(hù)劑，以抵抗風(fēng)霜雨雪，確保其后續(xù)水化過程的順利進(jìn)行。

4 結(jié)語

在綜合試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對抗凍混凝土的配合比方案進(jìn)行了總結(jié)。具體而言，混凝土應(yīng)選用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥為原料，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計選擇合適的粗細(xì)骨料，并控制外加劑摻入量不超過1%。同時，混凝土拌和料的入模含氣率應(yīng)保持在3.0%～6.0%的范圍內(nèi)。當(dāng)前，我國高原地區(qū)的建設(shè)與大規(guī)模開發(fā)已初見成效，但抗凍混凝土的應(yīng)用仍有很大的發(fā)展空間有待挖掘。未來，將以提升抗凍性能、節(jié)約材料等為重點(diǎn)目標(biāo)，研制出符合高原應(yīng)用需求的混凝土。