浅析影响混凝土抗冻性的主要因素

赵明昕

摘要：在寒冷地区的混凝土建筑物遭受冻害是在所难免的，混凝土抗冻性的研究已成为目前国内外普遍研究的课题。本文将讨论各种因素对混凝土抗冻性的影响。

关键词: 混凝土冻融 耐久性

Abstract: in cold area of cold concrete buildings suffered is inevitable, frost resistance of concrete research has become a common subjects of study at home and abroad. This paper will discuss the various factors of concrete frost resistance effects.

Keywords: concrete freeze-thaw durability

中图分类号：TIU528文献标识码：A 文章编号：

由混凝土冻融破坏的机理可知，混凝土的抗冻性与空气泡间距、降温速度、可冻水的含量、材料的渗透系数以及抵抗破坏的能力等因素有关。主要影响因素是平均气泡间距，水灰比、骨料、水泥品种、掺合料、水泥用量等均有一定影响。

1 平均气泡间距

由冻融破坏机理可知，平均气泡间距是影响混凝土抗冻性最主要的因素，平均气泡间距越大，则冻融过程中毛细孔中的静水压和渗透压越大，混凝土的抗冻性越低。很多学者对临界平均气泡间隔系数的取值提出了不同看法。Powers测定当水灰比为0.5、降温速度为11℃ ／ h时的临界平均气泡间隔系数为250μm，Pigeon等认为这个临界值主要受水灰比和降温速度影响，他测定水灰比为0.3时临界平均气泡间隔系数为440μm。我国严捍东等研究了水胶比为0.50、粉煤灰掺量在0～55％范围内的大掺量粉煤灰水工混凝土的气泡参数和抗冻性，认为不管对普通混凝土还是粉煤灰混凝土，平均气泡间隔系数在500μm以下都是高抗冻混凝土。

2 水灰比

水灰比是设计混凝土的一个重要参数，它的变化影响混凝土可冻水的含量、平均气泡间距及混凝土强度，从而影响混凝土的抗冻性。水灰比越大，混凝土中可冻水的含量越多，混凝土的结冰速度越快;气泡结构越差，平均气泡间距越大;混凝土强度越低，抵抗冻融的能力越差。可见，水灰比是影响混凝土抗冻性的主要因素之一，水灰比越大，抗冻性越差，但水灰比在0.45～0.85范围内变化时，不掺引气剂的混凝土的抗冻性变化不大，只有当水灰比小于0. 45以后，混凝土的抗冻性才随水灰比降低而明显提高。水灰比小于0.35完全水化的混凝土，即使不引气，也有较高的抗冻性，因为除去水化结合水和凝胶孔不冻水外，混凝土中的可冻水含量很少。

3 外加剂

平均气泡间距是影响混凝土抗冻性的最主要因素，而影响平均气泡间距的一个主要因素是含气量。混凝土中封闭空气泡除搅拌、振捣时混入外，主要是引气剂等外加剂人为引入的。引气剂引入的空气泡越多，平均气泡间距就越小，毛细孔中的静水压和渗透压就越小，混凝土的抗冻性就越好。大量试验表明，掺引气剂的混凝土比相同条件下不掺引气剂的混凝土的抗冻性成倍地提高。因此，国内外部分规范都规定了含气量的合理范围。减水剂对混凝土抗冻性也有一定影响，特别是带有引气作用的减水剂。但由于这些减水剂引入的空气泡直径一般较大，且易破灭，故对混凝土抗冻性的改善效果并不明显。

4 强度

当静水压力和渗透压力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土即产生冻融破坏。因此，作为表征抵抗冻融破坏能力的混凝土强度对混凝土抗冻性也有影响。当含气量或平均气泡间距相同时，强度高的混凝土的抗冻性高于强度低的混凝土。但相对而言，强度对混凝土抗冻性的影响程度远没有气泡结构大，因此，强高的普通混凝土的抗冻性可能低于强度低的引气混凝土。

5 骨料

骨料的冻害机理可用静水压假说来解释。当骨料吸水饱和，受冻后在骨料孔隙和骨料— 水泥浆界面产生静力压力，超过骨料或界面强度时就产生冻害。因此，影响骨料抗冻性的主要因素时骨料吸水率和骨料尺寸。美国ACl201委员会指出，如果使用吸水性骨料，而混凝土又处于连续潮湿的环境中，则当粗骨料饱和时，骨料颗粒在冻结时排出水分所产生的压力使骨料和泥浆体破坏。如果受破坏的骨料接近混凝土表面，就会产生剥落。由此看来，轻骨料混凝土的骨料可能成为抗冻的薄弱环节。但通过掺入适量引气剂、保证一定的含气量等措施，使骨料受冻后将孔隙水排向周围的空气泡，轻骨料混凝土还是可以配制成高抗冻混凝土的。用静水压假说可以说明，骨料尺寸越大，受冻后越容易破坏，从理论上讲骨料尺寸也有一个临界值，骨料尺寸大于这个临界值时，骨科受冻后会产生破坏，而一般细骨料在冻融中不产生破坏，正是由于细骨料的尺寸都小于这个临界值。骨料质量对抗冻性也有一定影响，包括骨料的坚实性、风化程度、粘土含量，杂质含量等。

6 水泥品种和用量

美国波特兰水泥协会的试验结果表明，水泥的化学组成、水泥品种对混凝土的抗冻性无显著影响，这主要是因为美国的水泥质量稳定，且很少掺混合材。而我国则不同，我国生产的水泥大部分掺混合材，且掺量较大，很多单位就水泥品种对混凝土抗冻性的影响进行了试验研究，得出较为一致的结论是:水泥品种对混凝土抗冻性有一定影响，且随水泥中混合材掺入量的增加，混凝土的抗冻性降低。原水电部东北勘测设计院科研所的试验成果指出:水灰比为0.6的混凝土试件，经过同样的冻融次数，硅酸盐水泥混凝土强度损失最小。铁科院的试验表明，不同品种水泥制成的混凝土，其抗冻性差异较大。水灰比为0.50的普通硅酸盐水泥混凝土可经受150次以上的冻融试验，而同样条件下矿渣水泥混凝土只能承受50次，对矿渣掺量很大的低熟料矿渣水泥混凝土则不足25次。应该指出的是，上述试验结论主要是针对非引气混凝土，对于引气混凝土，水泥品种对抗冻性的影响没有这么明显，而美国

等国家的混凝土多采用引气混凝土，这也许是国内外试验结果差异的一个因素。

7 混合材料

美国等国的试验结果表明，在强度和含气量相同的条件下掺与不掺粉煤灰的混凝土的抗冻性基本相同。中国水科院对粉煤灰混凝土抗冻性的试验结果，在等量取代的条件下，粉煤灰掺量为15％时，混凝土的抗冻性可得到改善，但当粉煤灰掺量超过一定范围时，混凝土的抗冻性反而下降。而严捍东等在粉煤灰掺量0～55％、引气量7.6％的试验条件下，得到了混凝土抗冻性随粉煤灰掺量增加而提高的结论。可见，粉煤灰对混凝土抗冻性影响程度，目前尚无统一的结论，但有一点是可以肯定的，对掺粉煤灰的混凝土，只要加入适量的引气剂，还是可以设计出高抗冻混凝土的。掺入硅粉的混凝土，由于改变了气泡结构，降低了气泡间距系数，从而可改善混凝土的抗冻性。但很多国家的试验表明，当硅粉掺量不超过10％时，混凝土的抗冻性有所提高，掺量为15％时其抗冻性基本相同，掺量超过20％时的抗冻性则会明显降低。

8 冻结温度和降温速度

静水压力与结冰速度及降温速度成正比。孔隙水的冻结是由大孔开始逐步向小孔扩展的，显然，大孔冻结时的结冰速度大，而小孔冻结时的结冰速度小，因此，结冰速度随温度降低而降低。蔡昊通过测定混凝土试件在冻融过程中的相对电导率研究不同温度下的结冰速度，得到结论:普通混凝土孔溶液结冰速度在-10℃以上较高，在-10℃以下较低。中国水科院关于冻融最低温度对普通混凝土抗冻性影响的试验结果表明，当冻融循环最低温度-5℃时，水灰比为0.65的混凝土能承受133次冻融循环，最低温度降为-10℃时，同样的混凝土仅能承受12次冻融循环，而最低温度为-17℃时能承受7次。这两个试验都可说明，混凝土的冻害主要发生在-10℃ 以上，-10℃ 以下发生的冻害是十分有限的。