混凝土抗冻性研究

范昕然（重庆交通大学河海学院，四川重庆400074）



混凝土抗冻性研究

范昕然
（重庆交通大学河海学院，四川重庆400074）

［摘要］通过分析混凝土冻融破坏的原因及冻融破坏的主要形式，总结了冻融破坏的机理和冻融破坏的影响因素，并对比分析了国内外不同的混凝土抗冻试验方法。结果表明：冻结对混凝土的破坏力是水结冰体积膨胀造成的静水压力和冰水蒸汽压差和溶液中盐浓度差造成的渗透压两者共同作用的结果；平均气泡间距是影响混凝土抗冻性的最主要因素；目前国内主要采用快冻法试验，因为快冻法与慢冻法相比，具有试验周期短，采用无损检测，试验工作量小，误差小，灵敏度高等优点。

［关键词］混凝土抗冻性；冻融破坏机理；影响因素；抗冻试验方法

0　引言

混凝土的冻融破坏与钢筋锈蚀、碱集料反应一起被视为混凝土最主要的三大耐久性问题。寒冷地区混凝土的破坏多数与冻融作用或者冻融与钢筋锈蚀的复合作用有关，混凝土的抗冻性已成为混凝土耐久性中最主要的问题，一些国家甚至把抗冻性试验也称作耐久性试验。因此提高混凝土抗冻性能是解决混凝土耐久性的重要途径之一。

1　混凝土的冻融破坏机理

对于混凝土的冻融破坏机理的研究，国内外学者经过了长期的努力，做了大量的工作，提出了一系列的理论、假说。目前提出的混凝土冻融破坏机理有：水的离析成层理论、静水压理论、渗透压理论、现象学理论、充水系数理论、临界饱水值理论和孔结构理论、其中具有代表性的是静水压假说和渗透压假说。

1.1水的离析成层理论

1944年坷林斯(A.R.Collins)基于冻土的研究提出的理论。混凝土的冻融破坏是由于混凝土由表及里孔隙水分分层结冰，冰晶增大而形成一系列平行的冷冻薄层，最后造成混凝土的层状剥离破坏。

1.2静水压理论

1945年，鲍尔斯（T.C.Powers）提出了“静水压假说”，即在冰冻过程中，混凝土孔隙中部分溶液因结冰膨胀迫使未结冰的溶液溢出，通过微孔的过程中产生粘结阻力，最终形成静水压，当这种静水压力超过混凝土的临界膨胀压力时，造成混凝土逐渐破坏。混凝土的孔隙率越大、孔径越大、连通距离越远、渗透性越差混凝土的抗冻性能就越差。在混凝土中距冰冻地点存在一个临界范围，当孔间距未超过这个临界尺寸时，对混凝土的抗冻性是不起作用的。5年后，POWERS又证明了这一假说，并深入的探讨了混凝土中的平均气孔间距（L）。当L<250 μm时才能提高混凝土的抗冻性能，并将L作为一个衡量混凝土抗冻性能的一个标准。

静水压假说能够充分说明混凝土冻融破坏的许多表现，但就水压力本身而言，作用力是瞬间的，它随着时间的推移作用力逐渐减弱。但实际上混凝土的冻融破坏随时间的推移而日益加剧最终导致混凝土破坏。所以，静水压假说很难解释水泥浆体首次冰冻和再次冰冻时水分的运动情况。

1.3渗透压理论

鲍尔斯、海尔姆斯（Powers and Helmuth 1953），赖特曼（Litvan 1975、1980）提出。认为：混凝土冻结时，毛细孔中水的冰点与孔径有关，孔径越小，冰点越低，当大毛细孔中水结冰时，孔隙水中的离子浓度将提高，而蒸汽压将下降，这时小毛细孔中未结冰的水就可能向大毛细孔中渗透而形成压力，这种渗透压力大于混凝土的抗拉强度时，混凝土就遭受了破坏。渗透压是由孔内冰和未冻水两相的自由能之差引起的。

Litvan认为：混凝土毛细管水不能在原位结冰，解释了毛细孔水迁移的动力在于蒸汽压力的不同；同时也证实了多孔材料的冻结破坏也可能由于饱和的结冰非膨胀液体（如乙醇）所引起。

静水压理论和渗透压理论最大的不同在于未结冰孔溶液的迁移方向。静水压假说认为孔溶液离开冰晶体，由大孔向小孔迁移；渗透压假说则认为由小孔移向大孔。

1.4现象学理论

“现象学假说”指出混凝土的基本构造为凝胶物质包裹骨料形成的一个球形圆体。它是20世纪中期以POWERS为代表的研究学者提出的。该假说以力学概念为依据，把混凝土的基本构造分为4种类型，即粗骨料、细骨料、熟料颗粒和晶体骨架。当温度变换时，由于各个构造的热膨胀系数不同，造成骨料间产生内应力并相聚叠加，造成混凝土破坏。但此假说并不全面，仅限于混凝土宏观上的解释。

1.5充水系数理论

一些学者认为，混凝土能否发生冰冻破坏，关键决定于混凝土的充水系数即混凝土毛细孔中水的体积与孔体积之比，当充水系数大于0.92时，混凝土就可能发生冰冻破坏。

1.6临界饱水值理论（极限充水程度理论）

这是瑞典学者（G.Fagerlund 1975）年提出的，他认为混凝土产生冻融破坏有一个临界饱水值Scr，当混凝土的充水程度S小于Scr时，混凝土不会产生冻融破坏。并认为，普通混凝土的Scr=0.85~ 0.90，而引气混凝土的Scr=0.75~0.80。

1.7孔结构理论

吴中伟教授和国外的一些学者认为，混凝土的冻融破坏与混凝土内部的微孔结构有关，吴先生把微孔分为四级；r<20 μm为无害孔，r=20~50 μm为少害孔；r=50~200 μm为有害孔；r>200 μm为多害孔，对混凝土冻融破坏影响较大的为大于100 m的孔。

综上所述，冻结对混凝土的破坏力是水结冰体积膨胀造成的静水压力和冰水蒸汽压差和溶液中盐浓度差造成的渗透压两者共同作用的结果。在一定的饱水情况下，多次的冻融循环使破坏作用累积，犹如疲劳作用，使冰冻引起的微裂纹不断扩大，发展成互相连通的大裂缝，使强度逐渐降低直至完全丧失，最终导致混凝土结构的崩溃。

2　混凝土冻融破坏的主要形式

在寒冷地区，冻融循环会造成混凝土建筑物破坏或损伤，这与混凝土材料微观结构有着密不可分的关系。同时，劣化的本身又取决于混凝土使用环境的影响。一般情况下，混凝土受到冻融循环作用后常出现2种破坏形式：即混凝土内部出现裂缝与混凝土表层剥落。

3　混凝土抗冻性能的影响因素

混凝土的抗冻融性主要取决于内部孔结构的特征和混凝土的强度。混凝土的抗冻融性与混凝土的水灰比和养护、饱和度、化学外加剂、水泥的种类及用量、骨料、外掺矿物质和冻融次数等有着密切的联系。

3.1平均气泡间距

平均气泡间距是决定混凝土抗冻性的最主要因素。一般对高抗冻性混凝土而言，平均气泡间距应当小于0.25 mm，因为大于0.25~0.30 mm，抗冻性急剧下降。在混凝土中掺加硅灰能明显改善气泡结构；气泡平均半径减小，平均气泡间距也就相应减少。

3.2水灰比

水灰比影响混凝土的孔隙率及孔结构。水灰比越大，混凝土中可冻水的含量越多，在冻融过程中产生的静水压力和渗透压力就大，因而混凝土的抗冻性就会降低。

3.3外加剂

在一定范围内，引气剂引入的气泡越多，抗冻性越好，但超过一定范围时，抗冻性反而下降，一般含气量每增加1%，抗压强度下降3%～5%。

减水剂可以降低用水量，同时也引入部分气泡，可适当提高抗冻性，不过气泡直径较大，且易破碎，故对混凝土抗冻性的改善效果不明显。

3.4混凝土强度

当静水压力和渗透压力超过混凝土的抗拉强度时，产生冻融破坏。在相同含气量或者相同平均气泡间距的情况下，强度越高，抗冻性也越高。但是另一方面混凝土的气泡结构对混凝土抗冻性的影响远远大于强度的影响。

3.5骨料

影响骨料抗冻性的主要因素是骨料的吸水率和骨料尺寸。如果使用吸水性骨料，而混凝土又处于连续潮湿的环境中，当粗骨料饱水时，骨料颗粒在冻结时排出水分所产生的压力使骨料和水泥砂浆破坏。骨料尺寸越大，受冻后越容易破坏。

3.6水泥品种和用量

水泥品种和活性对混凝土抗冻性有影响，主要是因为其中熟料部分的相对体积不同和硬化速度的变化。混凝土的抗冻性随水泥活性增高而提高。

国内各种水泥抗冻性高低的顺序为：硅酸盐水泥＞普通硅酸盐水泥＞矿渣硅酸盐水泥＞火山灰质(粉煤灰水泥)硅酸盐水泥。

3.7混合材

掺入橡胶粉可以为水结成冰时的体积膨胀提供空间，在冻融循环的过程中，橡胶颗粒被反复地压缩和产生弹性回复，膨胀应力大大减小。

掺入硅粉可以改变气泡结构，降低气泡间距系数，从而改善抗冻性，当硅粉掺量不超过10%时，抗冻性有所提高，达到15%时其抗冻性基本相同，超过20%抗冻性明显降低。

聚丙烯纤维对混凝土抗冻融性能的提高效果较好，表现在掺入聚丙烯纤维的混凝土试件经过300次冻融循环后相对动弹性模量达到85.5%，质量损失率仅为1%。

粉煤灰的掺量在一定范围内能够提高混凝土的抗冻性能，但掺量过大对混凝土抗冻性能就会有一定的负面影响。粉煤灰掺量一般情况下不要超过20%。相同条件下，Ⅰ级粉煤灰混凝土的抗冻性能优于Ⅱ级粉煤灰混凝土的抗冻性能。

4　混凝土抗冻试验方法

4.1国外混凝土冻融破坏的抗冻试验方法

4.1.1美国标准规定的抗冻试验方法

美国标准规定的抗冻试验方法即ASTM法，它推荐了3种在试验室内测定混凝土抗冻性的方法：“混凝土快速冻融试验方法”、“受冻混凝土临界膨胀试验方法”、“商品混凝土砌块和相关混凝土构件冻融耐久性评估试验方法”。混凝土快速冻融试验方法同时又分为“快速冰冻水融法”和“快速气冻水融法”。

快速冰冻水融法和快速气冻水融法规定冻融循环温度都应控制在-17.8℃~4.4℃，除特殊情况外，每个试件都应进行300次冻融循环，也可以进行到试件的重量损失超过5%或者试件相对动弹性模量降到初始值的60%时为止。由于混凝土动弹性模量对其内部结构破坏比较敏感，当试件的长度增长超过0.1%时结束试验，并用DF公式来计算出混凝土的耐久性系数，用DF值来评定混凝土抗冻性具有试验周期短、劳动强度小、灵敏度高且无损试件等优点。DF计算公式：

DF=P×n/m（1）式中：DF为混凝土试件的耐久性系数，%；P为混凝土试件经过n次冻融循环后的相对动弹性模量，%；n为混凝土试件循环破坏后经过的循环次数；m为规定的混凝土冻融循环次数；

受冻混凝土临界膨胀试验方法规定冻结温度控制在-9.4℃，融化温度控制在1.7℃，冻融循环周期为14 d。该试验方法采用慢冻法测量混凝土试件冻融循环前后的长度，如果长度增长不超过0.02%，表示混凝土试件是抗冻的。但因为该试验方法冻融循环周期较长。因此，在现实试验中应用较少。

商品混凝土砌块和相关混凝土构件冻融耐久性评估试验方法冻结温度控制在-15±2.8℃，时间为4~5 h，融解温度控制在20.1±2.8℃，历经2.5~72 h。该试验方法通过测量试件冻融循环前后的重量损失来衡量混凝土的耐久性，即测试混凝土试件冻融循环8~12次后表层剥落物质烘干后的重量，按剥落重量的损失率来衡量混凝土试件的抗冻性。损失率越大，混凝土试件的抗冻性就越差。

4.1.2苏联标准规定的抗冻试验方法

苏联规定的抗冻试验方法通常情况下分2种，普通法和快冻法。

普通法采用在相应的龄期下测量试件冻融前后的抗压强度，当混凝土试件的抗压强度下降率超过15%时结束试验。普通法以试件冻融循环温度控制在-15℃~-20℃到15℃~20℃之间经受最大次数的冻融循环作为衡量混凝土试件的抗冻性。

快冻法具体又分3种方法：1）“积累残余变形快速测定混凝土抗冻性”，这种方法冻融循环温度控制在-15℃~-20℃到15℃~20℃之间，控制时间同普通法，但这种方法必须确定混凝土冻融循环次数和试件相应变化尺寸间的关系，通过积累试件残余变形达到快速测定混凝土抗冻性；2）“在温度为-50±2℃下冻结快速测定混凝土抗冻性”，在融化过程中室内温度须在前2 h内温度提升至-10℃，该试件经过冻融循环后强度损失率超过15%，结束试验，确定混凝土抗冻标号；3）补偿系数测定混凝土抗冻性的试验方法，此方法通过新拌混凝土含气量有关的参数以确定混凝土的补偿系数，从而衡量混凝土建筑物的抗冻性。这种方法通常适用于结构较密实的构件。

4.1.3英国标准规定的抗冻试验方法

英国BS 5075：PART 2：1982规定通过测定混凝土试件的伸长率来确定混凝土的抗冻性。规范规定试件冻结温度控制在-15±3℃，融化温度控制在20±2℃，且试件在水中养护温度同样为20± 20℃。在混凝土冻融循环每50次测试试件的相对变化量，即见公式：

式中：δ为混凝土试件相对长度变化量，%；L50为混凝土试件经过50次冻融循环后试件的长度，mm；L0为混凝土试件冻融前长度，mm。

4.2国内混凝土冻融破坏的抗冻试验方法

现今，我国各个部门如水利、建设工程等都制定了相应的混凝土抗冻性能的试验方法。总体上混凝土冻融破坏的试验方法分两种，即慢冻法和快冻法。目前，国内主要依据GB J82-85《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》进行试验。

慢冻法主要依据苏联标准规定的抗冻试验方法。试件成型依据GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》，在温度为20±5℃的环境下养护1 d后拆模放人养护室，试件在28 d龄期时进行冻融试验，且冻融循环前将试件取出放人水中浸泡，水温度控制在15℃~20℃之间，且浸泡时水面至少高出试件20 mm左右。混凝土试件抗冻试验冻结温度控制在-15℃~-20℃，且冻结时间应不小于4 d；融化温度控制在15℃~20℃，融化时间应不小于4 d，以上为一个冻融循环。混凝土试件冻融循环所需设备主要为冷冻箱、融解水槽和压力试验机。冷冻箱和融解水槽内温度以中心温度为准。

快冻法主要依据美国标准规定的抗冻试验方法。试件成型依据GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》，在标准养护室里养护1 d后拆模，随后放人养护室，养护时间为28 d。在标准养护时间前4 d，取出试件浸泡在温度为20± 2℃的水中，在浸泡的过程中水面高度应高于试件表面20~30 mm，在试件标准养护结束以后，用湿布擦去表面水并进行初步测量试件的初始质量和初始动弹性模量。

混凝土试件在冻融循环过程中应注意以下几个方面：

1）在混凝土冻融循环过程中，当试件试验结束时，应用大小相同的其他试件代替，且在试验过程中由于外在因素中断的次数不应超过2次。

2）在混凝土冻融循环过程中，当试件的质量损失率超过5%或相对动弹性模量降低至60%时，应立即结束试验。

3）混凝土试件质量损失率以每组数据的算术平均值来恒定。当结果数据小于0时取0，再进一步计算每组的平均值；或者当每组数据中出现的极限值与中间值差超过1%时，计算时不包括极限值，并进一步计算本组的算术平均值。

实践经验显示，在试验工程中纵向动弹模量会出现很多次共振峰，它更不能用节点法来判断，横向动弹性模量则截然相反。因此，许多部门均以横向动弹性模量为依据，具体计算公式：

式中：EDT为混凝土试件的横向动弹性模量，MPa；G为混凝土试件的质量，kg；f为混凝土试件的共振频率，Hz；R为修正系数，即规定的标准尺寸试件大小取1.5；L，b，h为混凝土试件的长、宽、高，mm。

在对试验数据进行处理时应遵循如下。

1）相对动弹性模量计算公式：

式中：Pni为第i个混凝土试件经过n次冻融循环后的相对动弹性模量，%；fni为第i个混凝土试件经过n次冻融循环后的自振频率，Hz；f0i为第i个混凝土试件经过n次冻融循环前的自振频率，Hz；

在实际试验中每组有3个试块，且最终结果计算公式：

式中：P为每组混凝土试件经过n次冻融循环后的相对动弹性模量，%，且P为以上3个试块经过n次冻融循环后的相对动弹性模量的算术平均值，当以上3个数据的两个极限值与其中的中间值的差超过中间值的15%时，该值不能算入其内，以剩下两个数据的算术平均值作为最终结果；当两个极限值与中间值的差均超过15%时，两个极限值均不能算入其内，中间值直接作为最终结果。

2）质量损失率计算公式：

式中：△Wni为第i个混凝土试件经过n次冻融循环前的质量损失率，%；W0i为第i个混凝土试件冻融循环的初始质量，kg；Wni为第i个混凝土试件冻融循环后的质量，kg；

在实际试验计算质量损失率时每组有3个试块，且最终结果计算公式：

以上3个试块经过n次冻融循环后的质量损失率的算术平均值，当以上3个数据的2个极限值与其中的中间值的差超过中间值的1%时，该值不能算入其内，以剩下两个数据的算术平均值作为最终结果；当两个极限值与中间值的差均超过1%时，两个极限值均不能算入其内，中间值直接作为最终结果；当数据中出现小于零的数直接取为0，在计算剩余数据的平均值。在试验过程中，当出现动弹性模量数据下降至初始值的60%或试件质量损失率大于5%时，结束试验。

5　结语

通过对混凝土冻融破坏的原因和破坏模式的分析，发现冻结对混凝土的破坏力是水结冰体积膨胀造成的静水压力和冰水蒸汽压差和溶液中盐浓度差造成的渗透压两者共同作用的结果。平均气泡间距是影响混凝土抗冻性的最主要因素。目前国内主要采用快冻法试验，因为快冻法与慢冻法相比，具有试验周期短，采用无损检测，试验工作量小，误差小，灵敏度高等优点。

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［中图分类号］TU528

［文献标识码］A

［文章编号］1002－0624（2016）03－0048－05

[收稿日期]2015-11-05