混凝土冻融破坏的分析与应用改善

姜志炜，李麟杰，张智雅，晏凤元，何培玲，2，牛龙龙

（1.南京工程学院建筑工程学院，江苏 南京 211167；2.南京林业大学土木工程学院，江苏 南京 210037）

0 引言

混凝土凭借其结构的耐久性好、性价比高与可塑性强等优点，在建筑工程、公路工程、桥梁与隧道工程等诸多领域被广泛应用。然而在应用中混凝土容易出现冻融循环破坏现象，寒冷地区冻融循环破坏现象更加明显。冻融循环作用会极大地破坏混凝土建筑、道路、隧道等的内部结构，造成混凝土设施的大面积损坏，带来安全隐患与经济损失。近年来随着冻融破坏问题的日显突出，人们对建筑的安全性日益重视，冻融循环下混凝土的性能分析受到了广泛的关注，有效改善混凝土抗冻性的方法也被迫切需要。因此积极开展对冻融循环条件下混凝土性能的研究，分析冻融循环破坏机理及对混凝土的不利影响并提出改进方法，能够改善冻融循环条件下混凝土的应用。

1 混凝土冻融循环破坏机理

混凝土的冻融破坏过程复杂多样，结果是由多方面因素导致的。目前破坏机理理论主要有冰的静水压理论、分离层理论、渗透压理论等[1]。冰的分离层理论适用的对象是较低质的混凝土，当环境温度下降时，由于混凝土内外降温的速度不同，外层能够更快地降到零下，表层冻结后向内部延伸形成的冷薄层将进一步破坏混凝土的内部。而适用对象更广的静水压理论和渗透压理论则主要和混凝土的孔隙有关。多项研究表明，凝胶孔对混凝土几乎没有伤害，但是毛细孔对混凝土伤害却很大，其中毛细孔中的自由水容易受到温度的影响，当温度达到零摄氏度以下，毛细孔内的水就会结冰，使得混凝土的体积增大，进而产生破坏混凝土内部结构的静水压力。渗透压理论则是指体积不变化的冻融过程，孔隙内的大孔内溶液容易先达到凝固点，其先结冰后导致没有冻融部分离子浓度升高，大小孔隙中形成渗透压，最终迫使小孔中溶液向冻融大孔隙移动，迫使水泥浆内部开裂，从而造成破坏。

2 冻融循环对混凝土性能与指标破坏

2.1 质量

质量的损失程度是衡量冻融循环对混凝土损坏程度的重要指标之一。计算混凝土的质量损失率是衡量损失程度的重要手段。经过大量的研究，在初始阶段，随着冻融循环次数的增加，混凝土的质量往往会出现逆反增加的现象，产生这种现象的原因可能是水化反应或水分渗入。在发展阶段，随着冻融循环的次数增加，混凝土的质量损失率也随之变大。当质量损失率大于5%时便认为混凝土性能不达标。

2.2 动弹性模量

相对弹性模量与混凝土的力学性能有一定关系，它的变化可以清晰地反映出冻融循环对混凝土的破坏程度，它的大小是混凝土抗冻性强弱的体现。在冻融循环下，相对动弹性模量下降的速度呈现先快后慢再快的趋势，整体上呈现下降的趋势，这表明混凝土各项性能基本都达不到应用要求。

2.3 强度

2.3.1 抗拉强度

抗拉强度是衡量混凝土力学性能的指标之一。混凝土的抗拉强度与冻融破坏有密切联系。曹大富[2]等人对冻融情况下的混凝土进行研究，试验表明在递增施加冻融循环次数之后，混凝土的受拉峰值急剧下降。这是因为冻融循环作用使得混凝土试块内部微裂缝与裂纹增多，造成受拉性能急剧下降。

2.3.2 抗折强度

在高强混凝土领域，冻融循环的作用对动弹性模量与质量的损失率影响较小，但对抗折强度的影响很大。这一方面说明在冻融循环的作用下抗折强度可以较清晰地反映冻融对高强混凝土的影响，另一方面也表明冻融循环对抗折强度性能的显著影响，大量实验也证实了抗折强度能够清楚地呈现衰退趋势。

2.3.3 抗压强度

抗压强度是混凝土最重要的力学性能之一。较大的抗压强度是混凝土良好性能的重要标志。但在多次冻融循环后，抗压强度整体上也表现出下降趋势。虽然抗压强度的下降趋势略低于抗拉强度，但是正如施士升[3]所研究，普通混凝土在冻融90多次后，其抗压强度就小于未受冻融时的90%，显然混凝土的抗压性能受到了损伤。

3 影响冻融循环因素分析

3.1 水灰比

缑彦强[4]通过对混凝土水灰比进行探究，结果表明水灰比能够影响混凝土的强度和孔结构。水灰比越大的混凝土，大孔径孔隙占的比例越大，混凝土内的自由水占比越高。过多的自由水会进一步增大冻融循环过程中的渗透压，从而对混凝土内部结构造成破坏。

3.2 引气剂

杨忠伟[5]对影响混凝土冻融循环因素的引气剂进行探究，发现加入引气剂后，混凝土的寿命延长。试验结果显示，随着投入的引气剂比例增大，混凝土内含气量有所提高，可经受的冻融循环次数会增加。当混凝土含气量仅增加1%时，冻融循环次数可以提高75～100次。添加引气剂不仅能够提高混凝土含气量，混凝土内部孔径的大小和分布情况也会发生变化。研究显示，含气量高的混凝土内部往往分布着大量的封闭小气泡，小气泡可以缓解混凝土的体积膨胀从而减少对其内部的破坏。

3.3 单掺混合料

主要的单掺混合料有粉煤灰和矿渣。当粉煤灰、矿渣掺量为10%～30%时，两者都不能缓解对冻融循环混凝土内部结构的破坏。

3.4 复掺混合料

复掺混合料主要有复掺粉煤灰与矿渣。杨忠伟[5]等人做了交互作用试验，试验中将粉煤灰与矿渣、粉煤灰与引气剂、引气剂与矿渣交互。实验结果表明，粉煤灰与矿渣交互后质量损失率及相对动弹性模量都满足叠加效应，等于两者原来各自之和；粉煤灰和引气剂、引气剂和矿渣交互后质量损失率等于两者原来各自之和，而相对动弹性模量则大于两者原来各自之和。

3.5 天然集料

杨博渊等人研究骨料对混凝土抗冻性的影响。试验中杨博渊将卵石混凝土和碎石混凝土进行对比，结果表明，碎石的质量损失率和相对动弹性模量随着冻融循环的变化量小于卵石混凝土。两者满足相同配比之下，碎石混凝土的寿命远长于卵石混凝土。由此可以得出，混凝土骨料是影响冻融循环的重要因素。

4 改善混凝土抗冻性的方法

4.1 控制水灰比

在不造成施工不便与保证混凝土性能的情况下，减小水灰比可以改善混凝土的抗冻性。

4.2 掺入引气剂

当添加引气剂时，混凝土的单位面积剥落量和相对动弹模损失率都得到很大的改善[6]。改善效果明显大于水灰比，且随水灰比增加而更加显著。因此，可以采取添加引气剂并适当提高混凝土水灰比的方法来大幅度提高混凝土抗冻性。

4.3 掺入混合料

4.3.1 单掺粉煤灰混合料

在掺入引气剂的条件下，控制低于30%粉煤灰掺入量与水灰比可以取得良好的抗冻融效果[7]。但是不掺入引气剂、单掺粉煤灰的效果则不明显。

4.3.2 单掺硅灰混合料

在一定的水灰比条件下（水灰比0.3左右），掺入5%的硅灰混合料[8]，混凝土会达到比单掺粉煤灰更好的抗冻效果。

4.3.3 复掺粉煤灰与矿渣

在保证混凝土强度的情况下，混凝土中按4：6的比例复掺粉煤灰与矿渣[9]，在多达250次的冻融循环后仍保持质量基本不变，由此可以改善混凝土的抗冻性。

4.4 添加外加剂

为使混凝土的性能满足应用要求，减小冻融循环破坏的程度，可以向混凝土中添加氯盐类防冻剂降低水的冰点从而防止早期的冻害，也可以添加少量的减水剂来减少游离水从而改善混凝土的抗冻性能。

5 结论

（1）当前大多认为混凝土抗冻性的影响因素主要与孔隙结构有关，在冻融循环作用下混凝土的有害孔与微裂痕持续发展，从而引起混凝土一系列性能的下降，因此目前大多数改善混凝土抗冻性的方法都与减少有害孔有关。

（2）当前新型单掺混凝土已经显现出良好的抗冻性能，新型多掺混凝土的应用也得到了不断推广，但是新型多掺混凝土达到最佳抗冻性效果时的掺合料、引气剂和水灰比的具体值却有待研究，这可以作为我们对混凝土抗冻性改善的期待与研究方向。

（3）冻融循环常与多种因素共同影响混凝土的性能，而目前关于影响因素的研究很单一且未得到结论，这给研究带来了挑战同时也为寻找减小冻融循环的方法带来了多种可能。

（4）当前对于混凝土冻融循环的实验一般是在冻融试验机中完成，实验的试块一般比较小，不足以完全反映真实的冻融损坏情况，建议能够研发或增加混凝土大体积试块冻融循环的研究机器或场所。