混凝土抗冻性研究及应用

混凝土抗冻性研究及应用摘要通过对预制构件混凝土的调查研究，提出了影响北方地区混凝土抗冻性的主要因素，并针对混凝土冬季施工提出了改善措施，以供大家借鉴。

关键词: 混凝土抗冻性应用1. 绪论混凝土是预制构件的主要组成部分，在北方地区严寒季节，混凝土预制构件遭受冻融破坏，每年需花费大量的人力、物力、财力加以修复。

近年来，由于气候多变，预制构件的使用环境愈加恶劣，几乎100%工程局部或大面积地遭受不同程度的冻融破坏，因此，研究混凝土的抗冻性，对预制构件的长期使用性和安全性，具有非常重要的理论意义和经济价值。

2. 混凝土受冻害损伤情况及有关原因2．1 混凝土的受冻害损伤的情况：（1）剥落脱皮是由于冻融引起的混凝土表面材料的损伤；（2）内部损伤是表面没有可见效应而在混凝土内部产生的损害，它导致混凝土性质改变（如动弹性模量降低）。

至于新拌混凝土受冻害损伤后则会导致混凝土冻胀破坏。

2.2 混凝土受冻害损伤有关原因2.2.1新拌水泥混凝土的受冻害损伤的原因新拌混凝土的强度低、空隙率高、含水多，极易发生冻胀破坏。

冻胀破坏的外观特征是材料体内出现若干的冰夹层，彼此平行而垂直于热流方向。

其过程为：结构物表面降温冷却时，冷流向材料体内延伸，在深处某水平位置开始冻结，一般从较粗大孔穴中水分开始，冰晶形成后从间隙吸水，发育增长，且是不可逆转的过程，水分从材料未冻水或从外部水源补给，并进行宏观规模的移动。

第一层孔穴中冰冻后，在冰晶生长的过程中，材料质体受到拉应力【σt】，如果超过抗拉强度即破坏。

2.2.2 成熟水泥混凝土受冻害损伤有关原因混凝土构件中的孔径分为三个范畴，即凝胶孔、毛细孔及气泡，在某一固定负温下混凝土构件中水分只有一部分是可冻水，可冻水产生多余体积直接衡量冰冻破坏威力。

可冻水（即冰）主要集中在水泥石及骨料颗粒的毛细孔中，凝胶水由于表面的强大作用不大可能就地冻结，气泡水易冻结。

混凝土构件中各种孔径的空隙可认为连续分布，分布在这些空隙中的水在降温过程中将按顺序逐步冻结，不可能同时冻结。

冻水一般是温度的逆函数，温度愈低，可冻水愈多。

连续的毛细管沟网络体系破坏过程；随着水化进展凝胶体生成，网络的联系被破坏、分成个别孤立的毛细孔（水在其中冻结的容器），而凝胶连同其特征性凝胶孔和少数细小毛孔就构成透水器壁。

随着水化深入，材料质地致密及温度的下降，将有更多细小空间的水参与冰冻，作为器壁的凝胶的渗水性也不断减小。

当冰冻多余水受水压力推动向附近气泡（逃逸边界）排除时，材料本身将受到推移水分前进的后应反作用力导致受拉破坏。

材料组织愈致密水流宣泄不及，疏导不畅引起的动水压力增大。

水泥浆中包含的一般是盐类稀溶液，一旦冰冻后变为纯冰和浓度更高的溶液；随着温度下降，浓度不断提高。

另一方面邻近凝胶中水分始终保持不冻，其溶液浓度保持原有的水平，于是在毛细孔溶液和凝胶水之间出现浓度差。

浓度差使得溶剂向溶液中自发扩散渗透，即溶质向凝胶水中扩散，而凝胶水向毛细孔中浓溶液转移。

其结果毛细孔中水分增加，和冰接触的溶液稀释，冰晶逐渐生长，长大。

当毛细孔穴充满冰和溶液时，冰晶进一步生长必将产生膨胀压力，导致破坏。

另一方面在水压的情况下，水分冻结膨胀，多余水在压力推动下外流，流向可能消纳水分的未冻地点；作为水流的结果压力消失，析冰情况正好相反：水分不是从冰冻地点外流，而是从未冻地点（凝胶）流向已冻冰地点（毛细孔），方向恰好相反。

未冻地点的水移动一定距离后，最后以冰冻结束，作为水流运动的结果产生压力。

以上两点可以综合为：第一阶段毛细孔中始发的冰冻，向所有方向产生的水压力，引起内应力；第二阶段较大毛细孔中水分首先生成冰晶，可从小孔中吸引未冻结水使自身增长，产生静应力。

骨料作为一个组分，如果冰冻膨胀同样会成为导致混凝土破裂的应力来源；为了保证混凝土完好，必须要求骨料和水泥净浆两者都不破坏。

由于引气混凝土的广泛使用，水泥净浆的抗冻性较易保证；从这个意义上来说，骨料抗冻性更具有突出意义。

如颗粒大到一定限度以上，核心存在的距离任何逃逸边界均在临界尺寸以上的保水区域，此时将因超过骨料破裂强度的内部水压力而破裂，这就是临界储存效应。

凡属中等吸水、细孔结构、渗透较低的岩石，这种危险较突出；空隙多、渗透性强的骨料临界尺寸也很大。

在特殊情况岩石吸水率极低（如重量吸水在0．5%以下的石英岩），可冻水极少，冰水是无渗应力出现；根据施工经验应避免使用高度吸水骨料，小颗粒石粒可以得到较大抗冻保证。

综上所述，混凝土材料的抗冻性是以下三方面的变函数即：（1）材料的性质（强度、变形、空隙情况）；（2）气候条件（冻融循环次数、最低温度、降温速度、降水量、空气相对湿度等）；（3）材料使用方式（降水量、自由水及跨越材料的蒸气压梯度与温度梯度）。

区分这几方面变数将构成研究这一复杂问题的一个根本方式的转变，这样我们就有可能正确预言材料在指定环境中的抗冻能力。

3 .抗冻理论在生产预制构件中的应用根据生产混凝土所需材料的抗冻性上述的函数，在预制构件生产过程中采取的抗冻措施如下：（1）采取掺用引气剂。

引气剂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，因此空隙内自由水反复冻融也不会对孑L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，使外界水分不易侵入，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板，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，从而有助于保护成熟混凝土免于伤害。

（2）采取掺用高效防冻减水剂。

配合比设计采取高效减水剂尽量降低水灰比并经过充分水化，就有可能做出实际上不包含可冻水的饱和混凝土构件。

拌合混凝土时加入适量高效防冻减水剂，可以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，使混凝土中的气泡平均尺寸及其间距减少，水泥浆中可冻水的百分率随之降低，提高混凝土的强度和密度，使混凝土抵制抗冻融破坏的能力提高，从而提高混凝土的抗冻耐久性。

（3）使用早强水泥，尽量不使用粉煤灰、矿粉作为外掺料。

早强水泥负温性好，具有一定的抗冻性能。

在不包含毛细水（或数量很少）的混凝土构件中，由于凝胶中空间极微细，结晶的始发十分困难，并不发生冻结，故施工中尽量不使用粉煤灰、矿粉作为外掺料加入混凝土。

（4）采用小碎石。

冻结破坏的程度和范围取决于石料的密度，因此，为了保证抗冻性，采用小碎石混凝土。

骨料表现安全，不受冰冻伤害，使用小颗粒石粒可以得到较大抗冻性保证。

（5）掺用纤维。

纤维能够均匀的分布在混凝土内部，可以大幅度提高混凝土的强度和抗折性能，当混凝土在受冻胀作用下，纤维起到拉伸作用，因此，对混凝土有一定的抗冻融的作用，可以大大提高混凝土的寿命。

（6）改善混凝土的气候条件以及使用方式，在预制构件生产的冬季施工中，采取棉毡包裹、支塑料大棚、电暖气加热等有效的蓄热保温措施，使新拌混凝土在正温条件下水化，强度达到设计强度后采取棉毡包裹继续保温，以此延长混凝土养护周期，保证成熟混凝土充分水化，尽量降低构件毛细水含量，防止成熟混凝土的受冻。

4.混凝土的冬季施工要求：（1）混凝土冬季施工的材料储备保温。

为避免入冬以后进料困难、砂石料在料场或运输过程中受冻，砂石料应在入冬前组织进场；砂石料应在入冬前进行盖上10cm以上的草袋以及棉毡或采取其它措施，必须保证砂石料不受冻、温度在0℃以上，同时防止出现冰雪、冻块进入搅拌机内，给混凝土温度带来损失；防止过大的冻块堵塞砂石料输送带；防止部分冻块进入搅拌机内会很难被粉碎、溶化，严重影响混凝土质量；水泥、外加剂应在库房或暖棚内进行保温，禁止对其进行直接加温；冬季温度过低，应提前做好水源储备并防止污染。

（2）混凝土拌和料的加温。

在对搅拌站进行搭设温棚保温、砂石料保持正温的情况下，混凝土拌和料要加温，拌和水加热温度根据混凝土拌和物混合温度和计算控制。

（3）混凝土的拌和。

混凝土拌和料的投料顺序：1）砂石料进拌和机加90%的水进行搅拌1min；2）水泥、外加剂进拌和机进行搅拌1．5min以上并补充剩余10%的水分；砂石料与水泥、外加剂分开进料斗，必须以此防止水泥、外加剂接触热水发生水泥“假凝”现象；拌和时间适当延长，以防止出现：a）混凝土颜色不均匀、外观质量问题；b）防止材料间热交换时间过短，混凝土和易性和施工性能差。

（4）混凝土的运输。

各种混凝土运输车、料斗在使用前必须用热水清洗加温；保证运输过程顺畅、运输速度快速；预制构件生产后要加保温采暖棚，用棉毡包裹保温；运砼车在使用前后用热水冲洗干净，防止混凝土残料在料斗内冻结，影响使用。

（5）混凝土的浇筑。

旧混凝土要冲洗干净，并进行加温，包括模板、钢筋均必须采取有效措施如暖棚进行加温至10℃以上方可进行混凝土浇筑；尽量减少因施工操作引起的混凝土拌和物温度损失，如减少混凝土暴露时间、及时对混凝土予以保温。

（6）混凝土的温度监控。

建立温度检测制度、指定专人负责，建立完整的检测记录。

5.结论综上所述，北方地区的预制构件工程，一定要将混凝土的抗冻性能作为控制指标。

另外，混凝土只有在饱水时才会因受冻破坏，因此只要把混凝土内的饱水度控制在很低的水平，预制构件的冻剥饰破坏就大为降低，因而从配合比设计阶段就要考虑混凝土的抗冻性，使预制构件产成品具有耐久性。