浅谈如何提高混凝土的抗冻性能

关键词：三北冻融破坏建筑物

我国有相当大的部分处于严寒地带, 致使不少建筑物发生了冻融破坏现象。尤其在东北严寒地区, 兴建的水工混凝土建筑物, 几乎100%工程局部或大面积地遭受不同程度的冻融破坏。除三北地区普遍发现混凝土的冻融破坏现象外, 地处较为温和的华东地区的混凝土建筑物也发现有冻融现象。

因此, 混凝土的冻融破坏是我国建筑物老化病害的主要问题之一, 严重影响了建筑物的长期使用和安全运行, 为使这些工程继续发挥作用和效益, 需要很大的代价来维修和重建, 这已成为混凝土耐久性方面的主要问题之一。

1 混凝土冻融机理

混凝土的冻融破坏, 是国内外研究较早、较深入的课题, 但大部分是从纯物理的模型出发, 经假设和推导而得出的, 有些是以水泥净浆或砂浆试件通过部分试验得出的。因此迄今为止, 对混凝土的冻融破坏机理, 国内外尚未得到统一的认识和结论。

一般认为, 吸水饱和的混凝土在其冻融的过程中, 遭受的破坏应力主要由两部分组成。其一是当混凝土中的毛细孔水在某负温下发生物态变化, 由水转变成冰, 体积膨胀9%, 因受毛细孔壁约束形成膨胀压力, 从而在孔周围的微观结构中产生拉应力;其二是当毛细孔水结成冰时, 由凝胶孔中过冷水在混凝土微观结构中的迁移和重分布引起的渗管压。由于表面张力的作用, 混凝土毛细孔隙中水的冰点随着孔径的减小而降低。凝胶孔水形成冰核的温度在-78℃以下, 因而由冰与过冷水的饱和蒸汽压差和过冷水之间的盐分浓度差引起水分迁移而形成渗透压力。

当混凝土受冻时, 这两种压力会损伤混凝土内部微观结构, 只有当经过反复多次的冻融循环以后, 损伤逐步积累不断扩大, 发展成互相连通的裂缝, 使混凝土的强度逐步降低, 最后甚至完全丧失。从实际中不难看出, 处在干燥条件的混凝土显然不存在冻融破坏的问题, 所以饱水状态是混凝土发生冻融破坏的必要条件之一, 另一必要条件是外界气温正负变化, 使混凝土孔隙中的水反复发生冻融循环, 这两个必要条件, 决定了混凝土冻融破坏是从混凝土表面开始的层层剥蚀破坏。

2 改善混凝土抗冻耐久性的主要措施

(1) 外加剂的使用。

(1) 引气剂。长期的工程实践与室内研究资料表明:提高混凝土抗冻耐久性的一个十分重要而有效的措施是在混凝土拌合物中掺入一定量的引气剂。引气剂是具有憎水作用的表面活性物质, 它可以明显的降低混凝土拌合水的表面张力, 使混凝土内部产生大量的微小稳定的封闭气泡。这些气泡由于具有弹性, 能使混凝土结冰时产生的膨胀压力得到缓解, 起到缓冲减压的作用, 溶解时这些气泡可恢复原状, 因此孔隙内自由水反复冻融也不会对孔壁产生太大的压力。另外, 这些气泡可以阻塞混凝土内部毛细管与外界的通路, 使外界水分不易浸入, 减少了混凝土的渗透性。同时大量的气泡还能起到润滑作用, 改善混凝土和易性, 施工时新拌混凝土易于填充模具硬化后混凝土密实度提高。因此, 掺用引气剂, 使混凝土内部具有一定的含气量, 可以提高混凝土的抗冻耐久性。国内外的大量研究成果与工程实践均表明掺入引气剂后混凝土的抗冻性可成倍提高。

(2) 减水剂。目前, 减水剂已成为混凝土不可缺少的组成部份, 使用减水剂可以大幅度降低混凝土的水灰比 (水胶比) 。拌和混凝土时加入适量的减水剂, 可使水泥颗粒分散均匀, 同时将水泥颗粒包裹的水分释放出来, 从而能明显减少混凝土用水量使得混凝土中气泡平均尺寸及其间距减小, 水泥浆中可冻水的百分率随之降低。提高混凝土的强度和致密性, 使混凝土抵抗冻融破坏的能力提高, 从而提高混凝土的抗冻耐久性。

(2) 活性矿物掺合料的使用。

混凝土是各种建筑工程上应用最广泛、用量最多的人造建筑材料, 目前, 我国正处在大规模的基础建设时期, 对混凝土的需求量也就更大。因此, 有效地降低混凝土的成本, 提高混凝土的各项技术性能, 对于充分利用有限的投资, 延长混凝土结构的使用寿命, 减少自然资源的消耗, 保护生态平衡, 有着巨大的经济效益和社会效益。

在混凝土的基本组成材料中, 水泥的价格最贵。因此, 在满足对混凝土质量要求的前提下, 单位体积混凝土的水泥用量愈少愈经济。因此, 用一些具有活性的掺和料 (硅灰、矿渣、粉煤灰) 来替代一部分水泥正在被广泛的应用。