冻融对混凝土结构的劣化破坏

混凝土结构冻融破坏研究

桥梁与隧道工程1210

摘要：本文主要介绍了混凝土宏观和微观冻融的机理、混凝土构件冻融影响因素，通过对冻融破坏机理和影响因素分析，提出提高混凝土的抗冻性的对策

绪论

混凝土冻融破坏是由于混凝土中的游离水受冻结冰后体积膨胀，在混凝土内部产生应力，由于反复作用或内应力超过混凝土抵抗强度致使混凝土破坏。建筑材料的冻融行为，贯穿于人类社会的整个时代。也就是说，有了人类社会，就有了材料与结构的冻融行为。这对结构的维护和管理，无疑是一个很大的问题。在工业发展的过程中，对建筑材料的抗冻融抗除冰盐冻融的性能，进行了大量的摸索，建立了快速评价的经济方法。在此基础上又开展了混凝土冻融劣化、除冰盐冻融劣化机理研究。

混凝土冻融的机理

发生了宏观的应力

热膨胀系数不同

构成混凝土的水泥石和集料的热膨胀系数a T是很不同的,其在潮湿状态，水泥石和集料可能有不同点

表1-1 水泥石和集料的热膨胀系数

水泥石

集料

水泥石和冰的热膨胀不同而产生应力，在微小范围内，多次冻融循环进行过程中

有可能适应力进一步增长。水泥石和冰的不同热膨胀系数，清楚的显示出冻害劣化作用。通过扫描电镜检验，也证明了产生的应力使组织结构劣化。

层状的冻结

混凝土结构处于低温下，毛细管中的水分由热端向冷端迁移，也就是由内部向表面迁移。在受冻时混凝土表层先受冻，形成结冰层。在经过多次冻融循环下，混凝土表面发生剥离，又露出新的表面层，进一步剥离。这种部分的很大很深的剥落，是过去海水作用海岸钢筋混凝土结构物特有的一种冻融裂化形式。

温度急降的结果

除冰盐把雪和冰溶解时必须要有一定的热量。在混凝土道路上，在无风干燥的空气下也会有1000倍的蓄热量。故冰雪溶解时所需要的热量，混凝土表层温度急剧下降，从混凝土表面夺取热量，造成混凝土内部发生压应力和拉应力。微观劣化机理

水压

水的密度对温度来说，显示出一种特异的行为，水变成冰时，体积膨胀9%，也就是说，这时就必须排除相同体积的水。但是，在冰生成的周围都是饱和状态，没有适当缓和空间。按照powers的观点，发生了以水压力表征的内部压力。

当水压力超过了混凝土抗拉强度时就发生冻害。，水的压力大小，首先，被排除在周围没有膨胀的空间。因此，powers为了附加膨胀空间而掺入引气剂，而且气泡之间要有一定的距离，也就是气泡间隔系数。

水的压力还与受冻结水的量和冻融时冷却速度有关。在混凝土中有广泛深长的毛细管孔隙率与高的饱和度，冰形成速度高时，认为具有大的压力。但是试件中含水率91%以下时，也会导致劣化。对此powers认为，这是由于孔隙溶液最初在很大的孔隙中受冻的原因。然后冻结进一步进行，在比较小的孔隙中的溶液也开始受冻时，水的排除受到已有大孔隙中冰的阻碍。如果排除的水完全受到阻碍时，理论上认为发生的水压力是200N每平方毫米。

实际上发生的水压力非常小，因为冰的生成不是突然发生的，还有水泥石孔隙的水，并不是一次就完全冻结，而是处于不同温度下不同层次的冻结。即使如此，还必须考虑到特细毛细管受到前面已冻结冰的封堵，孔隙内还有液相存在，会再短的内压力可能达到峰值。

毛细管效应

混凝土的整个冻害完全归咎于不能受冻结范围水的排放。水泥石受冷却的时候，不只是发生伸长，在某一定冻结下，还会发生收缩。因此在某一负温下，观察到连续伸长也不能说明是完全由于水压的作用。这些现象的原因，归咎于毛细管的效果。因为水泥石口洗液的冰点和毛细管的粗细有关。在混凝土受冻时，最初是粗的毛细管的水先受冻，另一方面，液相进入了凝胶孔。由于水的蒸汽压力比冰大，因此小孔径中的水为大孔径的冰所覆盖的混凝土表面，发生热力学不平衡。

扩散与渗透

水泥石中的孔隙水，由于水泥是基体和环境条件，融冰盐的侵入，含有溶解物质。在冻融时，这种稀薄溶液到达共融点时就开始析出冰结晶，残余溶液浓度同时上升，产生浓度差。比较小的孔隙中的孔隙溶液，在初始浓度是没有冻结，而另一方面，大孔隙溶液开始冻结了，这样就引起了小孔隙溶液想大孔隙流动。

小孔隙中未结冰的水向大孔隙渗透扩散时会产生压力，称为渗透压。在渗透压的作用下，如果大于混凝土抗拉强度，混凝土就发生劣化破坏。

冲水系数

一些学者认为，混凝土能否发生冻融破坏，关键决定与混凝土充水系数。冲水系数是指混凝土中毛细孔水的体积占孔的体积之比。当充水系数大0.92时，混凝土就可能发生冻融。

临界饱和度

实际上混凝土中，一般是部分饱和的，达到临界饱和度以后，才开始达到临界应力。微小裂缝的形成，导致混凝土组织结构中应力消除。循环负荷作用下，会进一步把裂缝扩大扩宽，最终导致混凝土组织结构劣化。

在反复冻融过程中，无滞水的自然条件下，会导致混凝土内部干燥和表层混凝土孔隙溶液的浓缩。在有滞水的条件下，溶解期后被吸收。这种人工泵的作用导致混凝土迅速饱水。当达到临界饱水度时，混凝土开始劣化。

混凝土冻融破坏影响因素

组成混凝土的主要材料性质的影响，水泥的品种，水泥中不同矿物成份对混凝土的耐久性影响较大，骨料的影响，除了骨料本身的质量对混凝土的抗冻性的影响以外，骨料的渗透眭和吸湿混凝土的抗冻性也有决定陛的作用，由于湿度和强度的变化，会产生含针状物岩石体积的变化，这将会损坏已硬化的水泥砂浆和混凝土表面，同时骨料的化学I生能对混凝土的耐久陛也将产生一定的影响。

外加剂的影响，在混凝土施工过程中掺人引气剂或减水剂对改善混凝的内部结构，改善混凝土的内部孔隙结构可起到缓冲冻胀的作用，降低冻胀应力，提高抗冻性。

施工工艺影响，配合比、混凝土的施工，硬化条件等都与混凝土的耐久性有密切的关系，同时混凝土中的单位用水量是影响混凝土抗冻性的—个重要因素。

防止受水位变化影响，寒冷季节水位变化会引起混凝土的严重冻融破坏要采取有力措施防止。

严格控制施工质量。混凝土施工质量，将影响抗冻性，因此不允许出现蜂窝、麻面、力求密实、表面光滑。

混凝土冻融破坏的防治措施

预防措施

在混凝土施工中，应根据不同情况选择含有不同矿物成份和不同性能的水泥、骨料和外加剂，材料方面确保混凝土的耐久性；严格混凝土制作配合比，要根据建筑物结构类型和所处的环境条件，试验确定关键参数，主要是降低混凝土的水灰比，水泥水化所需水分仅为其重量的25％左右，若水量增加，多余的水就游离析出，产出孔隙，饱和后易受冻胀破坏；另外渗入引气型外加剂是提高混凝土抗冻性有效的途径之一；优化建筑物混凝土构件周围的环境条件，以减少或改善致使混凝土冻融的各种不利因素。

治理措施

I)水泥砂浆修补，适用于轻微的表层破坏；2)预缩砂浆修补。预缩砂浆是指经拌和好之后再归堆放置30-90分钟后才使用的干硬性眇浆，此种方法适用于

高速水流区混凝土表面的损坏；3)喷浆修补，多用于混凝土冻融破坏化较严重的部位。喷混凝土修补，是指经施高压将混凝土拌料以高速运动注入被修补的部位，其密度及抗渗性较一般混凝土好，耳具有快速，高效的特点；4)环氧材料修补，—般有环氧基液、环氧砂浆和环氧混凝土等。这种材料具有较高的强度和抗蚀、抗渗能力，并与混凝土结合力较强，但价格较贵，施工工艺复杂。材料配比严格，此法可与其他修补方法配合使用，效果更佳。总之，根据水工建筑物所处的环境、位置和冻融破坏的程度以及原混凝土构件制作的主要材料性能缭是用不同的修补方法，才能获得较好的效果。在建筑物施工中严把施工质量关，加强工程运行中盼科学管理，发现冻融

参考文献

[1] JTJ 302-2006 港口水工建筑物检测与评估技术规范[S].

[2] 王胜年. 提高海港工程混凝土的耐久性———大掺量粉煤灰高性能混凝土的研究[C].苏州：第四届国混凝土耐久性学术交流会,1996.

[3] 广州四航工程技术研究院. 抗盐污染高性能混凝土配制成套技术研究[R],2002.

[4] 田俊峰,潘德强,赵尚传.海工高性能混凝土抗氯离子侵蚀耐久性寿命预测[J].中国港湾建设,2002(2):1-6.

[5] 赵尚传. 钢筋混凝土结构基于可靠度的耐久性评估与试验研究[D].大连：大连理工大学,2001.

[6]赵国藩等．钢纤维混凝土结构［M］．北京: 中国建筑工业出版社，1999.

[7]李金玉，曹建国，徐文雨，等．混凝土冻融破坏机理的研究［J］．水利学报，1 999，( 1) .

[8]潘钢华，秦鸿根，李松泉，等．粉煤灰混凝土冻融破坏机理研究［J］．建筑材料学报，2002，3( 5) .

[9]汤志强; 刘小随．浅析水工建筑物混凝土冻融破坏及防治［J］．河南水利， 2009( 6) .

[10] LI Jin—yu，WANG Zhi—gang．Quantitative design on thefrost．resistance of concrete l J 1．Concrete，2000，12：61—62．(in Chinese)李金玉，王志刚．混凝土抗冻性的定量化设计[J]．混凝土，2000，12：61—62．

[11] JIA Chao，JI Sheng—zhen，ZHANG Feng．Study on thestability of concrete bay bridge pier under freeze—thawaction 『J]． Journal of Sichuan Universit EngineeringScience Edition，2010，42(3)：7—13．(in Chinese)贾超，纪圣振，张峰．冻融作用对混凝土跨海大桥桥墩稳定性影响研究[J]．四川大学学报工程科学版，2010，42(3)：7-13．