混凝土抗凍性淺析

　　1.前言

　　混凝土的耐久性是混凝土抵抗氣候變化、化學(xué)侵蝕、磨損或任何其它破壞過程的能力，當(dāng)在暴露的環(huán)境中，能耐久的混凝土應(yīng)保持其形態(tài)、質(zhì)量和使用功能。混凝土的耐久性研究內(nèi)容包括:鋼筋銹蝕、化學(xué)腐蝕、凍融破壞、堿集料破壞?；炷恋目箖鲂宰鳛榛炷聊途眯缘囊粋€(gè)重要內(nèi)容，在北方寒冷地區(qū)工程中是急待解決的重要問題之一。

　　我國地域遼闊，有相當(dāng)大的部分處于嚴(yán)寒地帶，致使不少水工建筑物發(fā)生了凍融破壞現(xiàn)象。根據(jù)全國水工建筑物耐久性調(diào)查資料，在32座大型混凝土壩工程、40余座中小型工程中，22%的大壩和21%的中小型水工建筑物存在凍融破壞問題，大壩混凝土的凍融破壞主要集中在東北、華北、西北地區(qū)。尤其在東北嚴(yán)寒地區(qū)，興建的水工混凝土建筑物，幾乎100%工程局部或大面積地遭受不同程度的凍融破壞。除三北地區(qū)普遍發(fā)現(xiàn)混凝土的凍融破壞現(xiàn)象外，地處較為溫和的華東地區(qū)的混凝土建筑物也發(fā)現(xiàn)有凍融現(xiàn)象。

　　因此，混凝土的凍融破壞是我國建筑物老化病害的主要問題之一，嚴(yán)重影響了建筑物的長期使用和安全運(yùn)行，為使這些工程繼續(xù)發(fā)揮作用和效益，各部門每年都耗費(fèi)巨額的維修費(fèi)用，而這些維修費(fèi)用為建設(shè)費(fèi)用的1～3倍。美國投入混凝土基建工程的總造價(jià)為16萬億美元，據(jù)估計(jì)今后每年用于混凝土工程維修和重建的費(fèi)用估計(jì)達(dá)3000億美元。

　　2.外加劑改善抗凍耐久性技術(shù)研究動(dòng)態(tài)

　　2.1引氣劑

　　長期的工程實(shí)踐與室內(nèi)研究資料表明:提高混凝土抗凍耐久性的一個(gè)十分重要而有效的措施是在混凝土拌合物中摻入一定量的引氣劑。引氣劑是具有增水作用的表面活性物質(zhì)，它可以明顯的降低混凝土拌合水的表面張力和表面能，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生大量的微小穩(wěn)定的封閉氣泡。這些氣泡切斷了部分毛細(xì)管通路能使混凝土結(jié)冰時(shí)產(chǎn)生的膨脹壓力得到緩解，不使混凝土遭到破壞，起到緩沖減壓的作用。這些氣泡可以阻斷混凝土內(nèi)部毛細(xì)管與外界的通路，使外界水份不易浸入，減少了混凝土的滲透性。同時(shí)大量的氣泡還能起到潤滑作用，改善混凝土和易性。因此，摻用引氣劑，使混凝土內(nèi)部具有足夠的含氣量，改善了混凝土內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)，大大提高混凝土的抗凍耐久性。國內(nèi)外的大量研究成果與工程實(shí)踐均表明引氣后混凝土的抗凍性可成倍提高。

　　美國是最早開始研究引氣劑的國家，自1934年在美國堪薩斯州與紐約州道路工程施工中發(fā)現(xiàn)引氣混凝土，至今已有半個(gè)多世紀(jì)。挪威1974年首次在大壩中使用引氣劑，經(jīng)過20年運(yùn)行后，摻引氣劑的混凝土表面完好無損，而未摻引氣劑的混凝土則已遭受較嚴(yán)重的凍融破壞。我國這方面的工作始于50年代。我國混凝土學(xué)科創(chuàng)始人吳中偉教授，在50年代初期就強(qiáng)調(diào)了混凝土抗凍的重要性，并創(chuàng)先研制了松香熱聚物加氣劑(引氣劑)，應(yīng)用于治淮水利混凝土工程，開創(chuàng)了我國采用引氣劑而提高混凝土抗凍耐久性的先河。范沈撫(1991年)分析了摻引氣劑混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗凍耐久性，得出與上述同樣結(jié)論：摻用引氣劑，使混凝土達(dá)到足夠的含氣量要求，可改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)性質(zhì)，并明顯改善混凝土的抗凍耐久性。

　　國內(nèi)外許多學(xué)者研究了影響混凝土抗耐久性的因素，Seibel，Sellebold，Malhotra，Pigen等人研究表明：混凝土的含氣量、臨界氣泡間距、水灰比、骨料、臨界飽水度和降溫速度等因素綜合決定了混凝土的抗凍耐久性能。StarkandLudwig(1993)提出：水泥熟料中C3A的含量的增加會(huì)提高其混凝土的抗凍耐久性，但會(huì)降低混凝土抵抗鹽凍能力。OsamaA.Mohamed(1998)研究了水泥品種，引氣劑質(zhì)量及引氣的方法對(duì)混凝土抗凍融耐久性影響，得出：引氣能顯著提高混凝土的抗凍融性，然而，長期處于凍融循環(huán)的混凝土的抗凍能力則取決于天氣的惡劣程度及凍融周期的頻率。關(guān)英俊，范沈撫(1990)討論了提高水工混凝土抗凍耐久性的技術(shù)措施，提出耐凍混凝土必須正確進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，摻優(yōu)質(zhì)引氣劑，減小水灰比，合理選用原材料，還要嚴(yán)格按施工規(guī)范技術(shù)要求施工，加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)。

　　范沈撫(1993)進(jìn)一步研究得出：混凝土孔結(jié)構(gòu)性質(zhì)是影響混凝土抗凍耐久性的根本所在?；炷恋目箖瞿途眯噪S孔結(jié)構(gòu)性質(zhì)變化而變化，當(dāng)孔間距系數(shù)小于250μm時(shí)，混凝土抗凍耐久性指數(shù)基本能達(dá)到60%以上，即可經(jīng)受300次快速凍融循環(huán)試驗(yàn)。這一點(diǎn)與Powers的臨界孔間距概念相符：早在50年代，鮑爾斯(T.C.Powers)等人首先開展了摻引氣劑硬化混凝土孔結(jié)構(gòu)的測(cè)試分析研究，并提出了滿足混凝土抗凍耐久性要求的孔間距系數(shù)的重要概念：即當(dāng)孔間距小于臨界孔間距(<250μm)時(shí)混凝土是抗凍的。宋擁軍(1999)認(rèn)為，只要引氣量合適，普通混凝土均能獲得較高的抗凍耐久性。引氣混凝土中氣泡平均尺寸及其間距隨水灰比的增大而加大，同時(shí)水泥漿中可凍水的百分率也相應(yīng)加大，從而導(dǎo)致混凝土抗凍耐久性的顯著下降，因此，不能忽視對(duì)水灰比的限制。

　　朱蓓蓉，吳學(xué)禮，黃土元(1999)認(rèn)為：合理的氣泡結(jié)構(gòu)是混凝土抗凍耐久性得以真正改善的關(guān)鍵，然而，氣泡體系形成、穩(wěn)定與氣泡結(jié)構(gòu)的建立密不可分，因此高度重視氣泡體系穩(wěn)定性的問題就顯得更加重要。他們根據(jù)國外的研究成果和部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出結(jié)論:影響混凝土中氣泡體系形成與穩(wěn)定性的因素有混凝土各組成材料、混凝土配合比、拌合物特性以及外界條件，如環(huán)境溫度、攪拌、運(yùn)輸和澆灌技術(shù)等。針對(duì)不同環(huán)境條件、不同工程要求的混凝土，必須進(jìn)行適應(yīng)性試驗(yàn)，才能使得硬化混凝土具有設(shè)計(jì)所要求的含氣量和合理的氣泡結(jié)構(gòu)，增進(jìn)了混凝土工程界對(duì)引氣劑應(yīng)用技術(shù)的認(rèn)識(shí)。

　　由以上眾多學(xué)者的研究表明：混凝土孔結(jié)構(gòu)性質(zhì)是影響混凝土抗凍耐久性及其它性質(zhì)的根本所在。摻引氣劑可以改善混凝土孔結(jié)構(gòu)性質(zhì)，因此，測(cè)試硬化混凝土孔結(jié)構(gòu)性質(zhì)是研究混凝土抗凍耐久性能的有效途徑和方法之一。

　　引氣劑的摻入雖然是提高混凝土抗凍耐久性最有效的手段，但引氣劑的摻入同時(shí)會(huì)引起混凝土其它性能降低，如強(qiáng)度、耐磨蝕能力等。

　　2.2減水劑

　　目前，減水劑的應(yīng)用也成為混凝土不可缺少的組份，使用減水劑可以大幅度降低混凝土的水灰比(水膠比)，提高混凝土的強(qiáng)度和致密性，使混凝土抵抗凍融破壞的能力提高，從而提高混凝土的抗凍耐久性。遲培云，李金波，揚(yáng)旭等(2000)研究了在混凝土中摻入高效減水劑可取得的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果如下：(1)保持和易性不變，可減水25%，R28%提高90%，抗?jié)B性提高4～5倍；(2)保持和易性不變，節(jié)約水泥25%，R28提高26%，抗?jié)B性提高2倍；(3)保持用水量和水泥用量不變，R28提高27%，抗?jié)B性提高3倍。

　　3.活性的礦物摻合料改善混凝土抗凍耐久性技術(shù)研究動(dòng)態(tài)

　　混凝土是各種建筑工程上應(yīng)用最廣泛、用量最多的人造建筑材料，目前，我國正處在大規(guī)模的基礎(chǔ)建設(shè)時(shí)期，對(duì)混凝土的需求量也就更大。因此，有效地降低混凝土的成本，提高混凝土的各項(xiàng)技術(shù)性能，對(duì)于充分利用有限的投資，延長混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命，減少自然資源的消耗，保護(hù)生態(tài)平衡，有著非常巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

　　在混凝土的基本組成材料中，水泥的價(jià)格最貴，因此，在滿足對(duì)混凝土質(zhì)量要求的前提下，單位體積混凝土的水泥用量愈少愈經(jīng)濟(jì)。因此，用一些具有活性的摻和料(硅粉、礦渣、粉煤灰)來替代一部分水泥正在被廣泛的應(yīng)用。

　　3.1硅粉的摻入

　　近年來，硅粉混凝土也已應(yīng)用于混凝土工程各個(gè)領(lǐng)域，其抗凍耐久性問題已引起人們的普遍重視，在丹麥、美國、挪威等國家，硅粉作為混凝土混合材已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。但關(guān)于硅粉混凝土的抗凍耐久性，各國學(xué)者結(jié)論各異。

　　日本的Yamato等人通過試驗(yàn)得出結(jié)果：非引氣混凝土當(dāng)水/(水泥+硅粉)=0.25，不管硅粉的摻量如何，皆具有良好的抗凍耐久性。加拿大的Malhotra等人通過試驗(yàn)得出:引氣硅粉混凝土不管水灰比多少，硅粉摻量15%以下時(shí)都具有較高的抗凍耐久性。我國學(xué)者丁雁飛，孫景進(jìn)(1991)通過實(shí)驗(yàn)探討了硅粉對(duì)混凝土抗凍耐久性的影響，得出結(jié)論：非引氣硅粉混凝土的抗凍耐久性與基準(zhǔn)混凝土比較，在膠結(jié)材總量相同，塌落度不變的條件_下，非引氣硅粉混凝土的抗凍能力高。范沈撫(1990)得出：在相同含氣量的情況下，摻15%的硅粉混凝土比不摻硅粉的基準(zhǔn)混凝土，氣孔結(jié)構(gòu)有很大的改善。硅粉對(duì)抗凍耐久性有顯著的效果，但硅粉的產(chǎn)量有限而且成本較高。

　　3.2礦渣的摻入

　　磨細(xì)礦渣與混凝土內(nèi)水泥水化生成的Ca(OH)2結(jié)合具有潛在的活性，但磨細(xì)礦渣對(duì)提高混凝土的抗凍融性目前也不少研究。張德思，成秀珍(1999)通過試驗(yàn)得出結(jié)論：隨著礦渣摻量的增加，其混凝土的抗凍融性能愈差，但摻合比例合適時(shí)，抗凍性能與普通混凝土相比有較大改善。

　　3.3粉煤灰的摻入

　　國內(nèi)外粉煤灰應(yīng)用已有幾十年的歷史。最早研究粉煤灰在混凝土中應(yīng)用的是美國加洲理工學(xué)院的R.E.Davis，1993年他首次發(fā)表了關(guān)于粉煤灰用于混凝土的研究報(bào)告。到本世紀(jì)五、六十年代，粉煤灰作為一種工業(yè)廢料，其活性性能被進(jìn)一步研究和推廣，不僅僅是為了節(jié)約水泥，更主要是為了改善和提高混凝土的性能。美國加洲大學(xué)Mehta教授指出，應(yīng)用大摻量粉煤灰(或磨細(xì)礦渣)，是今后混凝土技術(shù)進(jìn)展最有效、也是最經(jīng)濟(jì)的途徑。

　　國內(nèi)外有關(guān)資料表明：粉煤灰混凝土的抗凍能力隨粉煤灰摻量的增加而降低，和相同強(qiáng)度等級(jí)的普通混凝土相比較，28d齡期的粉煤混凝土試件抗凍耐久性試驗(yàn)結(jié)果偏低，隨著粉煤灰混凝土技術(shù)的深入研究和發(fā)展，引氣粉煤灰混凝土的抗凍耐久性研究已越來越多地引起人們的關(guān)注。LinhuaJiang等學(xué)者(2000)通過研究高摻量粉煤灰混凝土水化作用得出:粉煤灰的摻量和水灰比影響了高摻量粉煤灰混凝土的孔結(jié)構(gòu)，并且隨著摻量和水灰比的增加而孔隙率增加，但隨時(shí)間的延長，孔隙率會(huì)下降。這是因?yàn)榉勖夯业膿饺敫纳屏嘶炷恋目壮叽?，但最大摻量不得超過70%。游有鯤、繆昌文、慕儒等(2000)對(duì)粉煤灰高性能混凝土抗凍耐久性的研究表明:水膠比在0.25-0.27范圍內(nèi)，隨著粉煤灰內(nèi)摻量的提高，不摻引氣劑，混凝土抗凍耐久性隨粉煤灰增加而增加。當(dāng)摻引氣劑后，混凝土抗凍耐久性有先升后降的趨勢(shì)，既存在最佳的粉煤灰摻量為30%。習(xí)志臻(1999)認(rèn)為:相對(duì)于許多混凝土而言，粉煤灰高性能混凝土提高了混凝土的抗?jié)B、抗凍、抗碳化能力。田倩、孫偉(1997)討論了摻入硅灰、超細(xì)粉煤灰及兩者的復(fù)合物對(duì)抗凍耐久性能的影響以及鋼纖維的阻裂效應(yīng)對(duì)混凝土抗凍耐久性能的作用。實(shí)驗(yàn)證明:當(dāng)超細(xì)粉煤灰與硅灰相摻時(shí)，提高抗凍耐久性的效果尤為顯著，其凍融循環(huán)300次以后，動(dòng)彈性模量與重量基本無變化，而鋼纖維的進(jìn)一步復(fù)合有利于混凝土抗凍耐久性的改善。由此可見，雙摻或多摻礦物的復(fù)合效應(yīng)對(duì)混凝土抗凍耐久性的提高是值得研究的課題。

　　4.高強(qiáng)混凝土抗凍融技術(shù)現(xiàn)狀

　　目前，高強(qiáng)度混凝土已在工程中得到廣泛應(yīng)用，但是，由于理論上認(rèn)為高強(qiáng)度混凝土應(yīng)具有較高的抗凍能力，所以對(duì)高強(qiáng)度混凝土的抗凍性的研究并不多。

　　由于試驗(yàn)結(jié)果限制，高強(qiáng)混凝土本身抗凍融能力仍有爭(zhēng)論。Marchandetal.(1995)認(rèn)為:當(dāng)水膠比為0.3，并且硅灰摻量為20%-30%時(shí)，混凝土需要適當(dāng)?shù)囊龤鈦碓鰪?qiáng)抗凍融能力，只有當(dāng)水灰比低于0.25時(shí)，混凝土不需要引氣。李金玉(1998)從宏觀和微觀結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面研究高強(qiáng)度混凝土的抗凍性及其凍融的破壞規(guī)律，并配制出C60.C80.C100高強(qiáng)混凝土。在C60高強(qiáng)混凝土的基礎(chǔ)上，摻用優(yōu)質(zhì)引氣劑配制成C60引氣混凝土，該混凝土具有超高抗凍性，進(jìn)行1200次快速凍融循環(huán)后，相對(duì)凍彈性模量僅為92.6%，為開發(fā)研制高強(qiáng)度高耐久性能的混凝土提供基礎(chǔ)。然而，21世紀(jì)的混凝土是高性能混凝土，是混凝土技術(shù)的主要發(fā)展趨勢(shì)。著名的中國工程院資深院士吳中偉教授對(duì)高性能混凝土下的定義是：高性能混凝土是一種新型高技術(shù)制作的混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基礎(chǔ)上采用現(xiàn)代技術(shù)制作的混凝土，以耐久性作為設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)，高性能混凝土具有很豐富的內(nèi)容，但核心是保證耐久性，不能片面追求單一性。

　　5.結(jié)語

　　雖然各國學(xué)者研究成果各異，但是，我國地域遼闊，環(huán)境條件復(fù)雜，雖經(jīng)幾十年的努力，但混凝土工程的抗凍耐久性尤其在三北地區(qū)混凝土工程的抗凍耐久性問題仍未得到根本解決。由以上文獻(xiàn)綜述可以看出，摻入活性的礦物摻和料是解決混凝土抗凍耐久性問題的有效措施之一，也是21世紀(jì)混凝土技術(shù)的主要發(fā)展趨勢(shì)。單摻礦物摻合料來配制高性能混凝土的文獻(xiàn)資料及工程報(bào)道很多，并已取得了一定成果。然而，對(duì)于多種礦物摻合料復(fù)摻并研究其復(fù)合疊加效應(yīng)目前尚少系統(tǒng)研究，也是解決問題的難點(diǎn)和關(guān)鍵所在。本論文為解決這一難點(diǎn)，對(duì)寧夏這一典型區(qū)域進(jìn)行了提高建筑物抗凍耐久性的技術(shù)研究。采用多種礦物摻合料復(fù)摻能否提高混凝土抗凍耐久性、其復(fù)合疊加效應(yīng)能否實(shí)現(xiàn)及采用的最優(yōu)配合比都要進(jìn)行大量的試驗(yàn)，并從宏觀和微觀的角度來進(jìn)一步研究和分析。該項(xiàng)目的研究克服了目前針對(duì)凍融破壞在分析研究方面的不足，有著廣泛的_理論與工程應(yīng)用價(jià)值和重要的學(xué)術(shù)意義。同時(shí)，該項(xiàng)研究大量利用了寧夏廢料資源，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境，更重要的是為西部經(jīng)濟(jì)大開發(fā)解決能源危機(jī)。該項(xiàng)目的研究和推廣有著不可估量的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。