混凝土冻害的原因？

    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。 

     混凝土早期受冻可分为未掺外加剂混土 受冻及掺外加剂混凝土受冻。实践和试验表 明[ 1][ 2] [ 3] , 前者受冻往往造成不可恢复性损伤, 给工程留下后患;后者受冻后结果与掺外 加剂所能够承受的负温冻结温度有关, 当混凝 土受到高于外加剂本身设计受冻温度的气温 冲击时, 表现为冻结, 对混凝土造成的损伤小 于工程允许的损伤度, 不会对工程构件造成伤 害;当混凝土受到低于外加剂本身设计受冻温 度冲击时, 表现为冻害。对混凝土造成的损伤 远大于工程允许的损伤度, 这就会给工程留下 隐患。因此, 在冬季施工中, 掌握混凝土的冻 结规律, 使得混凝土工程避免冻害是至关重要 的。

1   混凝土的早期受冻模式

      我国的科研人员[ 2] [ 3] 都曾对混凝土早期 受冻模式进行过试验研究, 概括起来大致可分 为三种受冻状态;第一, 新浇混凝土在初始强 度为 OM Pa 状态下受冻, 其冻结模式图表现为 陡斜线至恒温后的直线状态;第二, 混凝土浇 注后并具有初始强度 f pcl( 大于抗冻临界 强度) MPa 状态下受冻, 其冻结模式图表现为 双曲线一枝状态, 其渐近线为冻结温度坐标。三种不同受冻模式对混凝土的冻害影响程度 亦不同, 其机理分析如下:

1.1   新浇筑混凝土立即受冻

此种情况为典型的混凝土受冻害状况。

      初始强度为 0Mpa 时, 混凝土内部分布着连续 性水介质, 冻结过程为其典型的 T ·C ·Powers 所描述的混凝土冰冻破坏机理的第四种情况,  即 Tabar-Collins 冻胀过程, 混凝土冻结时, 水 由热端向冷端迁移, 并在冰峰面处堆聚、结冰,  形成“宏观规模析冰” 现象, 随着冻结的深入,  冰夹层的出现面产生冻胀现象使得混凝土由 水连续介质过程变为冰夹层断续介质过程, 而 把混凝土内部胀开, 破坏了混凝土的初始结 构, 当温度回恢后, 但已形成无法弥补和恢复 的裂缝。因而给工程留下了隐患。

1.2   具有初始强度 f

      此种情况是混凝土虽已具备少许初始强 度 fcu.o., 但没达到抗冻临界强度 fpcl, 混凝土在 这种条件下受冻时, 成冰过程受阻, 水份需穿 过刚形成不久的水泥 C -S -Hgel 网而聚集、 结冰、膨胀, 在混凝土内部大中心质的沉降充 水区或水泥浆体与骨料的交结处开始发育冰 晶, 冰晶形成后穿越 C -S-Hgel 网之后再发 育长大, 当长大到一定程度时即彻底破坏刚刚 形成的混凝土内部结构, 从而给工程留下无法 弥补的隐患, 此种情况混凝土各项性能下降甚于第一种冻结情况, 表现为混凝土后期强度下 降达 50 %之多, 抗渗等级几乎为零, 钢筋粘结 力下降达 90%以上。因此, 冬期施工中控制 混凝土抗冻临界强度极为重要, 绝对不允许出 现此种冻结情况。

1.3   具有相当强度 f>pcl的混凝土冻结

       此种情况受冻系指混凝土具有抗冻临界 强度 fpcl后再遭冻结, 当混凝土具有抗冻临界强度时, 混凝土内部已形成一定结构体系, 尤 其是孔结构体系发育较为完善, 在混凝土内部 已经初步形成凝胶孔、毛细孔、大孔及宏观堆 聚构造体, 而相应于各种状态下的水也已分为 可冻结水及不可冻结水两类, 按水泥化学理 论, 在这样的初始结构中会形成化学结合水,  这是一种不可冻水, 如对 C30 级以下的混凝土取抗冻临界强度为 5.0M Pa 时, 按水泥完全水 化化学结合水占 15 %左右计算, 则此时不冻水可在 2 %～ 3%左右;另外, 此时还可形成凝 胶水、毛细孔水及可冻结的游离水。由于具有 抗冻临界强度的混凝土中形成了不可冻水及 部分可冻水, 使得混凝土在负温下具有抵抗冻 害能力, 此处情况下冻结可使得混凝土因冻胀 变形值减小, 可控制在允许变形值之内而不会 给结构带来重大损伤。因此, 当实际工程中出 现此种情况冻结时, 一般情况不会影响工程质 量。综上所述, 混凝土抗冻临界强度是个至关 重要的问题, 所以应该认真研究混凝土在负温 条件下达到抗冻临界强度的措施、方法、手段,  同时, 还应确定同结构中不同设计等级下的混 凝土 应 该具 有 不 同 的抗 冻 临 界 强度,  如 G B50204-92, JGJ104-97 对于 C40 级以下或 普通混凝土的抗冻临界强度取为 5.0M Pa, 掺 防冻剂的混凝土抗冻临界强度取为 4.0M Pa,  即可免遭冻害。

  工程施工中混凝土冻害的预防

工程施工中采用何种冬施方法保证混凝 土抗冻临界强度对于混凝土冻害防止至关重 要。在冬季施工中第一、二种冻结必须避免,  而避免的措施就我国目前成熟的冬施方法中 可选取电热法、暖棚法、综合蓄热法及广义综 合蓄热法等。

我们黑河市地处我国最北端, 10 月即进 入冬季施工期, 为保证混凝土质量, 防止冻害,  我们采取了综合蓄热法即将掺外加剂与蓄热

 法相结合用综合叠加效应来防止混凝土早期 冻害, 所谓综合叠加效应是指在混凝土中加入 早强剂或早强防冻剂来与水泥反应, 加快混凝 土早期结构形成, 同时, 用蓄热法积蓄水泥水 化反应所放出的热量, 以提高混凝土的硬化速 度, 这样通过改善混凝土自身的品质及混凝土 硬化环境的外围条件中来综合缩短混凝土达 到抗冻临界强度的时间, 使得混凝土尽快达到 抗冻临界强度而免受冻害。目前在工程中采 用的外加剂有减水早强剂、早强剂、早强防冻 剂等并且随气温降低调整外加剂的掺量, 同时再辅助以其他保温措施, 在天气最低气温为- 10 ℃以上条件下采用一层塑料布与一层草袋 覆盖保温即可, 在-15 ℃以上条件采用二层草 袋及二层塑料布保温即可, 此种方法我们已使 用多年, 收到很好的效果, 具有经济、可靠、方 便、易于操作的特点, 其适应温度可达天气最 低温度-15 ℃。

几年的工程实践我们的体会是:在工程中 应正确区分 0 ℃以上硬化混凝土的抗冻临界 强度和负温下( -15 ℃) 硬化混凝土的抗冻临 界强度的概念, 也可称之为正温混凝土抗冻临 界强度及负温混凝土抗冻临界强度的概念, 正

确掌握因地制宜, 适时调整, 防止混凝土受冻, 保证工程质量非常重要。

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知识点：混凝土冻害的原因、混凝土冻害的预防