混凝土冻融循环破坏研究

杨俊泉

(承德市地方道路管理处)

1 引言

自从波特兰水泥问世以来，混凝土结构已成为基本建设工程中最为常用的建筑形式之一。近年来，随着人们对混凝土耐久性认识的提高，在各种设计规程中，均把耐久性列为混凝土的一项重要指标，混凝土的耐久性问题日益为人们所关注。人们已经认识到已建工程并非都是耐久的，过早破坏的事例层出不穷。这些过早“衰老”的工程不仅需要耗用庞大的重建与维修费用，还会造成间接经济损失和安全隐患，有些发达国家已经为此付出了巨大代价。抗冻性是混凝土耐久性的一个重要指标，是诸耐久性指标的集中体现。因此，混凝土的抗冻耐久性引起国内外众多学者的研究兴趣。

我国地域辽阔，有相当大的地区处于严寒地带，不少水工建筑物出现了冻融破坏现象，如地处寒冷地区的水电站、工业厂房、铁道桥涵、混凝土路面、桥梁及市政工程等的混凝土。其冻融破坏已成为混凝土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运行和安全运行。为此，国内外诸多学者对混凝土的抗冻性进行了深入研究。

2 混凝土冻融破坏机理

混凝土的冻融破坏是一个复杂的物理过程。一般认为混凝土的冻融破坏是其内部产生复杂的应力作用的结果。当环境温度下降时，由于表面混凝土温度降低较快，而内部混凝土温度降低较慢，因而在内外混凝土之间就形成温度梯度。当温度低于0℃时，靠近混凝土表面的粗大孔隙中的水就开始结冰。随着温度的继续下降，混凝土内部细小孔隙中的水分将会逐步冻结。此时，水结冰产生体积膨胀与过冷水发生迁移，都将会引起各种压力。当压力超过混凝土能承受的应力时，混凝土内部产生新的细微裂纹。当环境温度升高时，混凝土内孔隙水解冻，细小孔隙及新产生微细裂纹因毛细现象而吸水饱满，与其相连的粗大孔隙也会得到水分供给。上述冻融过程重复发生时，混凝土内部孔隙及微裂缝逐渐增大、扩展并互相连通，使得新裂缝不断产生。当循环达到一定程度时，就发生由表及里的混凝土冻融破坏。

目前国内外学者关于混凝土冻融破坏提出的理论主要有:静水压经典理论、渗透压理论、冰棱镜理论、基于过冷液体的静水压修正理论、饱水度理论等等。但由于混凝土结构冻害的复杂性，至今尚无公认的、完全反应混凝土冻害机理理论。因此，关于混凝土冻融破坏机理还需进一步深入研究。

3 影响混凝土冻融破坏的因素

3.1 孔结构对冻融破坏的影响

混凝土中的孔隙一般分为水泥石中的凝胶孔、毛细孔和大气孔等三种。一般认为大气孔中的水结冰是混凝土受冻破坏的最主要的危害因素。吴中伟教授曾提出了孔结构理论，认为混凝土的冻融破坏与混凝土内部微孔结构有关，他把孔分为四级:r＜20μm为无害孔，r=20～50μm为少害孔，r=50～200μm为有害孔，r＞200μm为多害孔，对混凝土冻融破坏影响较大的为r＞100μm的孔。研究表明:水灰比直接影响混凝土的孔隙率及孔结构。随着水灰比的增大，可冻水的开孔体积增大，混凝土的抗冻性必然降低。一般来说，孔隙率越大，相对含水量越多，则可冻水量也就越多。因此，在工程中可以采取降低水灰比和加入引气剂的办法来提高混凝土的抗冻性能。

3.2 饱水度对冻融破坏的影响

水是造成混凝土受冻破坏的主要原因。在混凝土中水是以化学结合水、物理吸附水和自由水三种方式存在。其中自由水对混凝土冻融破坏影响最大，主要由于自由水广泛存在于混凝土的大小不同的毛细孔或大孔中，其数量多少和毛细孔直径有关，并且这部分水在毛细孔中是可迁移的。当温度降低到0℃以下时，这部分水即转变为固相冰，体积产生膨胀，对混凝土内部结构产生破坏作用。研究表明混凝土受冻害程度与孔隙中饱水程度有关。在实践上，一般常以“含水率”的大小来评定混凝土孔隙中的含水程度，并认为混凝土在完全饱水状态下，其冻结膨胀压力最大。当含水量小于孔隙总体积的91.7％，混凝土内部不会产生冻结膨胀压力，该数值被称为临界饱水度。如果混凝土中的孔隙水未达到饱和，也就不存在冻胀破坏及水分迁移，“冻融临界饱水值法”就是基于上述理论提出的。一般来讲，处于潮湿环境的混凝土结构的含水量比自然环境中混凝土结构的含水量明显要大，并大于临界值。最不利的部位是水位变化区，该处的混凝土经常处于干湿交替变化的条件，受冻时极易破坏。

3.3 含气量与龄期对冻融破坏的影响

含气量也是影响混凝土抗冻性的主要影响因素，特别是加入引气剂形成的微细气孔对提高混凝土抗冻性尤为重要。在受冻初期，混凝土中掺入引气剂所形成的互不连通微细气孔可以减少毛细孔中的静水压力，起到减压作用。在混凝土受冻结冰过程中这些孔隙可阻止或抑制水泥浆中微小冰体的生成。因此，在混凝土中加入引气剂可以有效提高其抗冻性能。

混凝土的抗冻性随龄期的增长而提高。因为龄期越长水泥水化就越充分，混凝土的强度就越高，抵抗膨胀的能力就越大。因此，防止混凝土早期受冻很关键。

4 结论

综上所述，混凝土的冻融破坏过程是比较复杂的物理变化过程。目前就混凝土遭受冻融破坏的机理，许多学者提出了几种理论，但由于混凝土结构冻害的复杂性，至今尚无公认的、完全反应混凝土冻害机理理论，尚需进一步完善。在实际中影响混凝土冻融破坏的因素也比较复杂，影响混凝土冻融破坏的主要因素有孔结构、水饱和度、含气量及龄期等。多因素下混凝土抗冻性研究目前已取得了不少研究成果，但总的来说仍然处于起步阶段，还没形成比较完整的体系。因此，对混凝土的冻融循环破坏机理和影响因素，还需更加深入的研究。

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