185 混凝土抗凍防凍的原理及防治措施是什么？

一、混凝土凍害原因分析

（１）新拌混凝土受凍害損傷的原因

新拌混凝土的強(qiáng)度低，空隙率高、含水多，極易發(fā)生凍脹破壞。凍脹破壞的外觀特征是材料體內(nèi)出現(xiàn)若干的冰夾層，彼此平行而垂直于熱流方向。其過(guò)程為：結(jié)構(gòu)物表面降溫冷卻時(shí)，冷流向材料體內(nèi)延伸，在深處某水平位置開始凍結(jié)，一般從較粗大孔穴中水分開始，冰晶形成后從間隙吸水，發(fā)育增長(zhǎng)，且是不可逆轉(zhuǎn)的過(guò)程，水分從材料未凍水或從外部水源補(bǔ)給，并進(jìn)行宏觀規(guī)模的移動(dòng)。第一層孔穴中冰凍后，在冰晶生長(zhǎng)的過(guò)程中，材料質(zhì)體受到拉應(yīng)力，如果超過(guò)抗拉強(qiáng)度即被破壞。

（２）成熟混凝土受凍害損傷有關(guān)原因

混凝土構(gòu)件中的孔徑分為三個(gè)范疇，即凝膠孔、毛細(xì)孔及氣泡，在負(fù)溫下混凝土構(gòu)件中水分只有一部分是可凍水，可凍水產(chǎn)生多余體積直接衡量冰凍破壞威力。

可凍水（即冰）主要集中在水泥石及集料顆粒的毛細(xì)孔中，凝膠水由于表面的強(qiáng)大作用不大可能就地凍結(jié)，氣泡水易凍結(jié)。混凝土構(gòu)件中各種孔徑的空隙可認(rèn)為連續(xù)分布，分布在這些空隙中的水在降溫過(guò)程中將按順序逐步凍結(jié)，不可能同時(shí)凍結(jié)。凍水一般是溫度的逆函數(shù)，溫度愈低，可凍水增加。

連續(xù)的毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)體系破壞過(guò)程，隨著水化進(jìn)展凝膠體生成，網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)系被破壞、分成個(gè)別孤立的毛細(xì)孔（水在其中凍結(jié)的容器），而凝膠連同其特征性凝膠孔和少數(shù)細(xì)小毛孔就構(gòu)成透水器壁。隨著水化深入，材料質(zhì)地致密及溫度的下降，將有更多細(xì)小空間的水參與冰凍，作為器壁的凝膠的滲水性也不斷減小。

當(dāng)冰凍多余水受水壓力推動(dòng)向附近氣泡（逃逸邊界）排除時(shí)，材料本身將受到推移水分前進(jìn)的反作用力導(dǎo)致受拉破壞。材料組織愈致密水流宣泄不及，疏導(dǎo)不暢引起的動(dòng)水壓力增大。

水泥漿中一般包含的是鹽類稀溶液，一旦冰凍后會(huì)變?yōu)榧儽蜐舛雀叩娜芤海浑S著溫度下降，濃度不斷地提高。一方面鄰近凝膠中水分始終保持不凍，其溶液濃度保持原有的水平，于是在毛細(xì)孔溶液和凝膠水之間出現(xiàn)濃度差。濃度差使得溶劑向溶液中自發(fā)擴(kuò)散滲透，即溶質(zhì)向凝膠水中擴(kuò)散，而凝膠水向毛細(xì)孔中濃溶液轉(zhuǎn)移。其結(jié)果是毛細(xì)孔中水分增加，和冰接觸的溶液稀釋，冰晶逐漸生長(zhǎng)、長(zhǎng)大。當(dāng)毛細(xì)孔穴充滿冰和溶液時(shí)，冰晶進(jìn)一步生長(zhǎng)必將產(chǎn)生膨脹壓，導(dǎo)致破壞。另一方面在水壓的情況下，水分凍結(jié)膨脹，多余水在壓力推動(dòng)下外流，流向可能消納水分的未凍地點(diǎn)；作為水流的結(jié)果壓力消失，析冰情況正好相反：水分不是從冰凍地點(diǎn)外流，而是從未凍地點(diǎn)（凝膠）流向已凍冰地點(diǎn)（毛細(xì)孔），方向恰好相反。未凍地點(diǎn)的水移動(dòng)一定距離后，最后以冰凍結(jié)束，作為水流運(yùn)動(dòng)的結(jié)果產(chǎn)生壓力。

以上兩點(diǎn)可以綜合為：第一階段毛細(xì)孔中始發(fā)的冰凍，向所有方向產(chǎn)生水壓力，引起內(nèi)應(yīng)力；第二階段較大毛細(xì)孔中水分首先生成冰晶，可從小孔中吸引未凍結(jié)水使自身增長(zhǎng)，產(chǎn)生靜應(yīng)力。

集料作為一個(gè)組分，如果冰凍膨脹同樣會(huì)成為導(dǎo)致混凝土破裂的應(yīng)力來(lái)源；為了保證混凝土完好，必須要求集料和水泥凈漿兩者都不破壞。由于引氣混凝土的廣泛使用，水泥凈漿的抗凍性較易保證；從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，集料抗凍性更具有突出意義。如顆粒大到一定限度以上，核心存在的距離任何逃逸邊界均在臨界尺寸以上的保水區(qū)域，此時(shí)將因超過(guò)集料破裂強(qiáng)度的內(nèi)部水壓力而破裂，這就是臨界貯存效應(yīng)。凡屬中等吸水、細(xì)孔結(jié)構(gòu)、滲透較低的巖石，這種危險(xiǎn)較突出；空隙多、滲透性強(qiáng)的集料臨界尺寸也很大。在特殊情況下巖石吸水率極低（如質(zhì)量吸水在0.5％以下的巖石），可凍水極少，冰水是無(wú)滲應(yīng)力出現(xiàn)；根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)應(yīng)避免使用高度吸水集料，小顆粒石粒可以得到較大抗凍性保證。

綜上所述，混凝土材料的抗凍性是以下三方面的變函數(shù)：

①材料的性質(zhì)（強(qiáng)度、變形、空隙情況）。

②氣候條件（凍融循環(huán)次數(shù)、最低溫度、降溫速度、降水量，空氣相對(duì)濕度等）。

③材料使用方式（降水量、自由水及跨越材料的蒸氣壓梯度與溫度梯度）。區(qū)分這幾方面變數(shù)將構(gòu)成研究這一復(fù)雜問(wèn)題的一個(gè)根本方式的轉(zhuǎn)變，這樣就有可能正確預(yù)言材料在指定環(huán)境中的抗凍能力。

二、防治措施在工程中的應(yīng)用

根據(jù)材料的抗凍性上述的函數(shù)，在施工實(shí)踐中采取的抗凍措施如下：

采取摻用防凍劑以降低新拌水泥混凝土的內(nèi)部水溶液冰點(diǎn)以及干擾冰晶生長(zhǎng)，有效保護(hù)未成熟混凝土不受凍脹破壞，在負(fù)溫條件下能夠繼續(xù)水化。

采取摻用引氣劑，引氣不僅在表面無(wú)冰時(shí)減輕大體積冰誘導(dǎo)冰凍的出現(xiàn)，并且在過(guò)程中也減輕了冰擠出的損害，消納更多的毛細(xì)孔中冰凍所產(chǎn)生的多余體積，有助于保護(hù)成熟混凝土免于傷害。

配合比設(shè)計(jì)采取高效減水劑盡量降低水灰比并經(jīng)過(guò)充分水化，就有可能做出實(shí)際上不包含可凍水的飽和混凝土構(gòu)件。不包含毛細(xì)水（或數(shù)量很少） 的混凝土構(gòu)件，由于凝膠中空間極微細(xì)，結(jié)晶的始發(fā)十分困難，并不發(fā)生凍結(jié)，故施工中盡量不使用粉煤灰作為外摻料加入混凝土。

改善混凝土的氣候條件以及使用方式，在地面以上的混凝土結(jié)構(gòu)的冬季施工中，采取棉氈包裹等有效的蓄熱保溫措施，使新拌混凝土在正溫條件下水化，強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后采取棉氈包裹繼續(xù)保溫，以此延長(zhǎng)混疑土養(yǎng)護(hù)周期，保證成熟混凝土充分水化，盡量降低構(gòu)件毛細(xì)水含量，防止成熟混凝土的受凍。

混凝土冬季施工要求如下：

（１）混凝土冬季施工的材料儲(chǔ)備保溫。為避免入冬以后進(jìn)料困難、砂石料在料場(chǎng)或運(yùn)輸過(guò)程中受凍，砂石料應(yīng)在入冬前組織進(jìn)場(chǎng)；砂石料應(yīng)在入冬前進(jìn)行蓋上10cm以上的草袋以及棉氈或采取其他措施，必須保證砂石料不受凍、溫度在０℃以上，同時(shí)防止出現(xiàn)冰雪、凍塊進(jìn)入攪拌機(jī)內(nèi)，給混凝土溫度帶來(lái)?yè)p失；防止過(guò)大的凍塊堵塞砂石料輸送帶；防止部分冰塊進(jìn)入攪拌機(jī)內(nèi)會(huì)很難被粉碎、熔化，嚴(yán)重影響混凝土質(zhì)量；水泥、外加劑應(yīng)在庫(kù)房或暖棚內(nèi)進(jìn)行保溫，禁止對(duì)其進(jìn)行直接加溫；冬季溫度過(guò)低，應(yīng)提前做好水源儲(chǔ)備并防止污染。

（２）混凝土拌合料的加溫。在對(duì)攪拌站進(jìn)行搭設(shè)溫棚保溫、砂石料保持正溫的情況下，混凝土拌合料要加溫，拌合水加熱溫度根據(jù)混凝土拌合物混合溫度和計(jì)算控制。

（３）混凝土的拌合。混凝土拌合料的投料順序：砂石料進(jìn)拌合機(jī)加90％的水進(jìn)行攪拌１min；

水泥、外加劑進(jìn)拌合機(jī)進(jìn)行攪拌1.5min以上并補(bǔ)充剩余10％的水分；砂石料與水泥、外加劑分開進(jìn)料斗，必須以此防止水泥、外加劑接觸熱水發(fā)生水泥“假凝” 現(xiàn)象；拌合時(shí)間適當(dāng)延長(zhǎng)，以防止出現(xiàn)混凝土顏色不均勻、外觀質(zhì)量出問(wèn)題；防止材料間熱交換時(shí)間過(guò)短，混凝土和易性和施工性能差。

（４）混凝土的運(yùn)輸。各種混凝土運(yùn)輸車、混凝土輸送泵以及管道在使用前必須用熱水清洗加

溫；保證運(yùn)輸過(guò)程順暢、運(yùn)輸速度快速；混凝土泵安裝后要加保溫采暖棚，管道用棉氈包裹保溫；管道在使用前后用熱水沖洗干凈，防止混凝土殘料在管道內(nèi)凍結(jié)、影響流通。

（５）混凝土的澆筑。舊混凝土要沖洗干凈，并進(jìn)行加溫，包括模板、鋼筋均必須采取有效措施，如暖棚進(jìn)行加溫至10℃以上方可進(jìn)行混凝土澆筑；盡量減少因施工操作引起的混凝土拌合物溫度損失，如減少混凝土暴露時(shí)間、及時(shí)對(duì)混凝土予以保溫。

（６）混凝土的溫度監(jiān)控。建立溫度檢測(cè)制度、指定專人負(fù)責(zé)，建立完整的檢測(cè)記錄。如在老莊冬季施工中外加劑的選用具有防凍、引氣、減水等功能的復(fù)合性外加劑，采用5～25連續(xù)級(jí)配碎石粗集料與水泥配合，施工中防凍效果良好，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)冬季施工的要求。