土建工程师来补缺啦~混凝土的冻融循环

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我国地域辽阔,有相当大的地区处于严寒地带,不少水工建筑物出现了冻融破坏现象。寒冷地区的水工、港工、道路和桥梁等工程中的混凝土结构物或构筑物在冻融循环作用下的冻融破坏是运行过程中的主要病害，世界各国每年都要花费巨额费用维修被腐蚀的混凝土结构。因此对混凝土冻融循环的研究就很有必要。

混凝土在饱水状态下因冻融循环产生的破坏作用称为冻融破坏，混凝土的抗冻耐久性是指饱水混凝土抵抗冻融循环作用的性能。

混凝土处于饱水状态和冻融循环交替作用是发生混凝土冻融破坏的必要条件。

混凝土冻融循环产生的破坏作用主要有冻胀开裂和表面剥蚀两个方面。水在混凝土毛细孔中结冰造成的冻胀开裂使混凝土的弹性模量、抗压强度、抗拉强度等力学性能严重下降，危及结构物的安全性。

一般认为混凝土的冻融破坏是一个物理作用过程。目前提出的混凝土冻融破坏机理有五六种，其中具有代表性的是静水压理论和渗透压理论。

当混凝土处于饱水状态受冻时，其毛细孔壁同时承受毛细孔冰晶膨胀压和凝胶孔渗透压两种压力，当两种压力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土就会开裂；在反复冻融循环后，混凝土中的裂缝由表及里相互贯通，其强度逐渐降低，直至完全丧失使用性能。

（1）混凝土的孔结构

混凝土的抗冻性能与混凝土的孔结构有着密切的关系。混凝土中孔包括振捣不实的孔，引入的气孔，毛细孔以及微胶孔。混凝土的开口空隙越多，抗冻性越差。

在混凝土中孔是水存在的空间, 只有当水存在时, 在较低温度下才有可能结冰, 从而体积膨胀, 使混凝土产生破坏。

（2）混凝土的饱水程度

当混凝土饱水程度低于某一临界值时, 混凝土并不发生冻融破坏。水结成冰体积膨胀9% , 因此, 从理论上讲发生冻融破坏的临界含水量为91.7℅ , 但混凝土的情况比较复杂, 饱水临界值往往要高于91.7%。

（3）冻融循环次数

混凝土冻融循环次数越多，相对弹性模量越小，质量损失越大。

随着冻融循环次数的增加，相对动弹性模量减小，因为弹性模量是应力与应变的比值，所以经历的冻融循环的次数越多，混凝土的抗冻融循环能力越弱，耐久性越差。

（4）水灰比（w/c）

一般地, 混凝土的水灰比越大, 孔隙率越大, 可能填充的水分越多, 对混凝土抗冻不利的可能性越大。低w/c混凝土微观结构密实,大量的孔隙以凝胶孔形式存在,毛细孔含量少,因此毛细孔中可参与冻融破坏的自由水量就少。

（5）混凝土的凝期

随着混凝土龄期的增加, 水泥不断水化, 可冻结水逐渐减少。同时, 水中溶解的盐的浓度增加, 因而冰点下降,抗冻性能提高。

（6）集料

集料的孔隙率影响了水的扩散阻力, 集料的饱水程度影响了它的容水空间。特别是采用较大粒径的集料, 冻结时向外排出多余水分的通路较长, 产生的压力较大, 因而更易造成破坏。对于一些多孔轻质集料, 孔隙中的水本身就可以冻结。它的孔隙率越大, 饱水程度越高, 它自身的抗冻性越差, 因而导致混凝土的抗冻性能降低。不过集料颗粒中也含有大量空气, 有些也可能起着空气泡的保护作用, 因而轻集料混凝土也可能有相当良好的抗冻性。

（1）控制水灰比

一般来说, 水灰比越大, 混凝土的孔隙率越大, 而且较大孔的数量越多, 可冻孔越多, 混凝土的抗冻性越差。因此, 对于有抗冻性要求的混凝土, 在满足其他条件的前提下, 应严格控制其水灰比, 一般不超过0.55。

（2）掺入引气剂

掺入引气剂是提高混凝土抗冻性最常用的方法。在混凝土中引入均匀分布的气泡对改善其抗冻性能有显著的作用, 但必须要有合适的含气量和气泡尺寸。经试验研究结果表明,掺入适量的引气剂, 水灰比为0.5时,混凝土也能经受300次冻融循环。

（3）掺入适量的优质掺合料

掺入适量的优质掺合料, 如硅灰、Ⅰ级粉煤灰等, 可以改善孔结构, 使孔细化, 导致冰点降低, 可冻孔数量减少。此外, 掺入适量的优质掺合料, 有利于气泡分散, 使其更加均匀地分布在混凝土中, 因而有利于提高混凝土的抗冻性。

（4）掺入适量的优质掺合料

用树脂浸渍混凝土, 可使大多数孔径降低到5 nm 以下, 使可冻孔数量减少, 混凝土抗冻性提高。试验结果表明, 在其他条件相同的情况下, 未经浸渍的混凝土经过100次冻融循环后, 质量损失达29.6% , 经过150次冻融循环后试件就崩溃了。而经浸渍的混凝土经过700多次的冻融循环后, 试件完好, 其质量损失仅有0.375%。

（5）选择合适的骨料

选用抗冻骨料；细骨料宜选用色泽鲜艳、质地坚硬、级配良好、质量合适的中砂，其含泥量不得大于1.0％，粗骨料一选用经15次冻融值实验的合格的坚实级配花岗岩等。