水泥混凝土抗冻融耐久性能研究

葛春雷

（河北路桥集团第一工程有限公司，河北 石家庄 054001）

0 引言

冻融破坏以及盐冻破坏是影响我国西部地区和北方地区基础设施耐久性的一个严重问题。针对我国寒冷地区、严寒地区路桥建设的特点，开展混凝土抗冻融耐久性的研究，对提高我国西部地区及三北地区混凝土桥梁结构的耐久性，延长桥梁结构使用寿命，提升高投资效益，加快经济建设步伐，具有重大的理论和现实指导意义。

1 寒区路桥结构水泥混凝土耐久性等级研究

1.1 寒区路桥水泥混凝土破坏的主要原因

西部地区和东北地区道路、桥梁水泥混凝土的主要破坏原因为冻融破坏及冬季撒盐造成的盐冻破坏。其中，路面混凝土的破坏类型主要为剥蚀、裂缝，桥梁混凝土的破坏类型主要为剥蚀、裂缝。在严寒、寒冷地区，特别是青藏高原，冻害尤为严重。钢筋锈蚀也是造成混凝土破坏的原因之一。但青藏高原没有钢筋锈蚀及其引发的破坏，盐湖地区除外。盐湖地区水泥混凝土的破坏与盐的种类及含量密切相关，主要为盐腐蚀、盐结晶和盐冻破坏，但高浓度盐湖水不存在冻融。干旱少雨、土壤中盐含量较高的地区水泥混凝土主要为盐结晶破坏和腐蚀破坏。

1.2 路桥结构水泥混凝土年冻融次数的确定

由地表温度确定的年冻融次数更为真实。混凝土经受的年平均冻融循环次数可以用地表最低温度不高于-3℃，同时当日地表最高温度高于0℃的年平均天数来确定。冻融次数与最低温度有关，严寒地区、寒冷地区的冻融次数高于其他地区，特别是青藏高原，其冻融次数远远高于其他地区，高达260次/年。但并不是冬季温度越低，冻融次数越多。相同海拔高度情况下，严寒地区的冻融次数低于寒冷地区的冻融次数。

1.3 我国路桥水泥混凝土抗冻性等级的确定

混凝土的抗冻等级可以按照地表最低温度不高于-5℃，同时当日地表最高温度高于0℃的年平均天数，结合冻融破坏程度、温差、温度变化速率、最低地表温度等来划分，即按年平均有害冻融次数划分。由此划分的抗冻等级能够较好地满足各地水泥混凝土的抗冻性要求。

2 不同环境条件下水泥混凝土抗冻耐久性机理

2.1 氯盐环境下混凝土的抗冻性及其对钢筋的锈蚀性

混凝土在氯化镁溶液中的冻融破坏速度与在水中冻融破坏速度基本一致，在氯化钠、氯化钙溶液中冻融时破坏速度远远高于在水中和氯化镁溶液中的破坏速度，破坏形式主要为表面严重剥落，其相对动弹模量并没有明显降低，只有当混凝土的剥落量大于1.0kg/m2后，混凝土的相对动弹性模量才开始产生较明显的变化。混凝土在氯化钠、氯化钙溶液中冻融时吸液率和冻害因子高是破坏速度快的主要原因。混凝土含气量低于4.2%时，随着含气量的增大，极化电阻逐渐增大，腐蚀电流密度和腐蚀速率逐渐减小，抗钢筋锈蚀性能逐渐变好。含气量在4.2%～6.4%范围内时，随含气量的增大，钢筋抗锈蚀性能的变化规律则相反，但仍比非引气混凝土好。

2.2 硫酸盐环境下水泥混凝土的抗冻性

混凝土在硫酸钠溶液中冻融破坏速度与在水中冻融破坏速度基本一致，而在硫酸镁溶液中冻融破坏速度最慢，抗冻性较水中提高2～3倍。混凝土在硫酸钠溶液、硫酸镁溶液中冻融时的剥落量明显小于在氯化钙溶液和氯化钠溶液中。C30混凝土在硫酸钠溶液中冻融时试件中部明显膨胀，C45以上混凝土冻融时中部常出现突然断裂，但表面基本完好如初，且动弹性模量的下降速率比在水中快。硫酸钠溶液的浓度变化对强度较高的混凝土的抗冻性没有大的影响，其对混凝土的冻融破坏主要是由于结冰和Na2SO4·10H2O析出所致。引气可以明显改善混凝土在硫酸钠溶液和硫酸镁溶液中的抗冻性。

2.3 碳化对路桥水泥混凝土抗冻性的影响

碳化能提高混凝土的抗冻性，但工程中混凝土的碳化是在自然条件下缓慢进行的过程，因而碳化对工程中混凝土抗冻性的提高可以不予考虑。

2.4 温度对混凝土抗冻性的影响

混凝土经受冻融循环作用时，受冻温度越低，混凝土的吸水率越高，混凝土遭受的冻融破坏作用越大。-5℃以上的冻结温度对混凝土的冻融破坏作用明显较小，可以不按抗冻性要求设防，-5℃以下可以认为是有害冻结温度。但冻结温度低于-18℃时的冻胀破坏较-18～-5℃间的冻胀破坏明显减小。

2.5 干湿循环条件下混凝土的抗冻耐久性

在冻融和干湿循环联合作用下，浓度为7%、10%的硫酸钠溶液对混凝土具有很强的破坏作用，破坏以干湿循环为主，而浓度较大的复盐溶液（海水）对混凝土的剥蚀破坏影响不大，破坏以冻融为主。强度较高的混凝土比强度低的混凝土表现出更好的耐久性，引气和掺加粉煤灰可以明显改善混凝土抵抗冻融-干湿循环的能力，混凝土的粉煤灰掺量宜为20%。

2.6 高抗冻混凝土耐磨性及冻磨作用下的破坏机理

冻融与磨蚀联合交替作用不利于高性能混凝土的抗冻、耐磨、耐久性。在实际工程中对低强度等级混凝土应采取相应措施提高其抗冻性和耐磨性，引气和采用复掺掺合料或添加纤维（尤其是有机纤维）可显著提高混凝土耐磨性能以及抗冻融-磨损能力。

3 提高路桥水泥混凝土抗冻融耐久性的方法

3.1 含气量、气孔结构

混凝土的抗冻性与气泡间距系数有良好的相关性，气泡间距系数越小，混凝土的抗冻性越好。气泡间距系数相同时，高强混凝土的抗冻性明显大于低强度混凝土。

3.2 矿物掺合料

适量（通常≤20%）的优质矿物掺合料能够提高混凝土的力学性能，减少干缩，提高混凝土的抗渗性能，细化混凝土的孔结构，对混凝土的抗冻性和抗碳化性能没有不利影响，复掺则效果更好。

3.3 高性能外加剂

聚羧酸盐减水剂、引气剂和减缩剂的复合使用，能够有效改善混凝土的早期抗开裂性能，提高混凝土的抗渗、抗碳化等耐久性能，对混凝土的力学性能没有不利作用。无机盐类外加剂的掺入，降低了混凝土的抗冻性和抗盐冻剥蚀性，特别是掺量较大时效果显著。

3.4 提高混凝土抗冻耐久性的其他措施

掺入聚丙烯腈纤维、预湿轻骨料能显著改善混凝土的早期抗裂性和抗冻性，对混凝土的抗氯离子渗透性没有不利影响。涂刷表面耐久性增强剂，可显著提高混凝土的抗渗、抗冻和抗碳化等耐久性能。

3.5 引气混凝土含气量分层的解决措施

固体抗冻剂（废橡胶粉、多孔砂等）能够起到与化学引气剂相同的引气效果，能大幅度提高混凝土的抗冻耐久性能，较好地解决化学引气剂存在的含气量分层问题。

4 高抗冻耐久性混凝土的主要物理-力学性能

4.1 高抗冻耐久性混凝土的主要力学性能

高耐久性引气混凝土的弯拉强度、轴拉强度、劈拉强度、轴压强度、钢筋握裹力都随含气量的增加而增大，但当含气量达到6%后，某些指标低于非引气混凝土。混凝土的弹性模量随含气量的提高而降低，当含气量为6%～7%时，弹性模量下降约2%～8%。因此，当含气量不超过5%～6%时，有关普通混凝土的结构设计规范同样也适用于引气混凝土。

引气混凝土的峰值应变随着强度等级提高而逐渐增大。强度等级相同时，混凝土的峰值应变随含气量的增加而略有增大。强度等级越高，引气混凝土应力—应变全曲线的弹性段越长。引气混凝土无量纲化应力—应变全曲线的上升段与普通混凝土基本相同，而下降段则有较大差异，而强度等级相同时，随着含气量的增大，下降段越来越平缓，残余应变段越来越长，延性越好。引气混凝土的韧性较普通混凝土高，并随着含气量的增大，其韧性逐渐提高。

4.2 负温下水泥混凝土的脆性特征及主要力学性能

在平衡含水与和饱水状态下，随着环境温度的降低，混凝土的各项力学性能提高，提高幅度依次为：抗折强度＞劈拉强度＞抗压强度＞弹性模量，但抗压强度和弹性模量变化不大。环境温度越低，含水率越高，各种力学性能增长幅度越大，饱水状态下在-20～-5℃时抗折强度可增加1倍。

4.3 高抗冻耐久性混凝土的变形性能

水灰比不变时，引气会增大混凝土的干缩，并且随水灰比的增大而增大。在保证引气混凝土强度不变的情况下（保持水泥用量不变，降低水灰比），引气对混凝土的干缩没有影响或干缩量略有降低，但含气量超过6%后会增大干缩。干燥条件下混凝土的干缩较标准条件下增大50%，干燥初期则增大80%～100%。

混凝土的早期开裂主要出现在初凝前。粉煤灰、磨细矿渣的掺量在10%～30%范围内可以减少混凝土早期开裂，掺加优质引气（混凝土含气量应小于6%）也可提高混凝土的早期抗裂性。使用减缩剂和高分子纤维是改善混凝土早期抗裂性最有效的措施。适当降低混凝土的凝结硬化速度或限制混凝土24h强度也是提高混凝土抗裂性的有效措施。

引气混凝土的徐变不仅与含气量有关，而且还与加载时混凝土的龄期有关，混凝土的加载龄期越早，含气量对徐变的影响越大。当混凝土的加载龄期为28d时，含气量每增加1%，徐变增加15%左右；当加载龄期为7d时，含气量每增加1%，徐变增加25%左右；随着荷载持续时间的不断增加，含气量对混凝土的徐变影响逐渐减小。

4.4 引气混凝土小梁的力学性能

含气量对受弯混凝土梁的界限配筋率没有影响，引气混凝土抗弯梁的界限配筋率与普通混凝土相同，且引气混凝土受弯构件也完全符合平截面假定。含气量对混凝土梁的抗剪性能也没有影响，引气混凝土结构与非引气混凝土结构的抗剪性能没有区别，引气混凝土承担的剪力仍可以按照规范公式计算。

5 结语

我国受冻地域广大，特别是北部和西部地区的水泥混凝土桥梁、路面普遍受冻融（盐冻）的作用，公路、桥梁的使用寿命较短。本研究的成果可在传统水泥混凝土的基础上，通过组分的优化，掺加引气剂、矿物掺合料等综合措施使水泥混凝土的抗冻耐久性有大幅度的提高，对增加基础设施的使用寿命、提高投资效益具有重要意义。

[1]苏振华.季冻区结构物混凝土耐久性评价分析[J].内蒙古公路与运输，2014（2）：41-43.

[2]陈磊，吕波，陈太林，等.混凝土抗冻融耐久性与外加剂[J].广东建材，2004（3）：28-30.

[3]杜天玲，孟云芳，王治虎.提高混凝土抗冻耐久性技术的研究综述[J].宁夏农学院学报，2002（2）：80-83.