桥梁混凝土抗冻性能及防护措施探析

洪水英，石 鹏

（葛洲坝集团试验检测有限公司，湖北宜昌 443002）

随着国内基建工程快速发展，混凝土使用范围和使用量逐年增加，特别是北方地区，由于北方地区气候环境条件恶劣，对混凝土使用要求不断提高，在寒冷地区混凝土工程耐久性成为人们主要考虑的问题，它直接决定着工程的质量和安全性，关乎人民的生命安全。特别是近年来，铁路和公路工程快速发展，基建工程队经济推动作用非常明显，所以混凝土性能好坏显得格外重要。但是影响混凝土耐久性的因素众多，比如抗腐蚀性、抗冻性以及碳化等。其中混凝土抗冻性在寒冷地区或者某些地区冬季成为工程建设者重点考虑问题，通过对以往寒冷地区桥梁混凝土工程研究，发现混凝土抗冻性能差，当温度低于0℃时混凝土冻结，而温度高于0℃时混凝土又会融化，长此以往，混凝土内部结构会遭到破坏，导致其工程尺寸改变，给整个工程的安全性带来隐患。

1 混凝土的冻融破坏机理

混凝土是一种多孔性材料，因此需要加多余水化水。但是由于混凝土含水多，在寒冷环境中就会结冰，结冰使水体积变大，导致混凝土内部结构发生变化，造成混凝土遭受冻害，多次冻融循环可以破坏混凝土的内部结构。通过相关理论可知，混凝土在遇冷后发生冻害主要是由于以下两个原因：

（1）膨胀压力，当混凝土遇到0℃以下温度时，毛细孔内的水发生结冰现象，结冰后导致体积至少膨胀了9%，体积膨胀使毛细孔壁形成约束压力，导致在混凝土内部产生拉应力，造成内部结构的改变。

（2）渗透压力。由于混凝土存在表面张力，其中毛细孔隙中的水分冰点会受到空隙大小的影响，当孔径减小时，其冰点逐渐降低。所以大孔隙中水结冰，而小空隙中水成为过冷水而不会结冰，那么在混凝土结构中，由过冷水和冰的饱和蒸气压之差以及过冷水之间由于盐浓度不同而导致水分迁移，产生了渗透压。一旦混凝土使用环境处于低温，这种渗透压就会产生力作用，使混凝土内部结构发生破坏，经过反复的冻融破坏，逐渐扩大破坏范围，造成混凝土强度不断减弱，直到整个桥梁混凝土工程发生破坏。冻融作用对混凝土破坏作用主要是由混凝土抗冻性能决定的，所以对混凝土抗冻性能研究非常有必要。

2 混凝土冻融破坏原因及主要影响因素

2.1 混凝土的水灰比

混凝土是由水和灰按照一定的比例混合而成的，这个比例对混凝土的抗冻性能有较大的关系，当水的含量增加，就使其内部的孔道变多，能吸收和容纳的水分就越多，大量的水分意味着混凝土在受冻后体积膨胀更为严重，产生更为严重的膨胀压力和渗透压力，严重影响混凝土的抗冻性能。根据前文提到的膨胀理论可知，水在结完冰后能导致体力膨胀至少9%，使混凝土中的水变成冰时会把其内部结构胀裂。但如果混凝土内部毛细孔内没有完全充满水，就可以减小冻融带来的影响，一般来说，当混凝土毛细孔内的水饱和度低于91%时，能有效控制混凝土受冻破坏程度。由此可知，混凝土的含水量多少对它自身的抵抗低温的性能有很大的关系，混凝土内部水饱和度对混凝土的冻融破坏有直接影响。

2.2 混凝土的含气量

为防止膨胀压力和渗透压力对混凝土造成严重的影响，一般在进行混凝土制作时会掺入引气剂，引气剂能产生大量的气泡，且在混凝土内部呈现出微小和不连续的状态，这些不连续的气泡能有效缓解冻融过程所产生的膨胀和渗透压力影响。引气剂产生的小气泡把混凝土中的水隔离到不同的地方，使混凝土中的水不能大量的聚集造成较大的膨胀，，使水饱和度保持在91%以下，这样提高了混凝土的抗冻性，所以，调节混凝土中这些不连续小气泡的含量要适度，发挥引气剂的积极作用。

2.3 掺和料对混凝土抗冻性的影响

在混凝土的制作过程中会加入一些其他原料来改善自身的性能，一般有硅粉、粉煤和矿渣，长期实践经验表明，采用优质粉煤灰能有效提升混凝土的抗冻性，采用优质粉煤灰进行掺和时要注意使用引气剂保证一定的含气量。使用硅粉进行掺和时，可以在很大程度上减少混凝土的孔结构，使其内部结构发生改变减少孔隙率，进一步减少毛细孔中水分的含量，从而提高混凝土的气泡参数，有效提高混凝土的抗冻性。

3 提高混凝土抗冻性的措施

3.1 掺用引气剂和减水剂及引气型减水剂

混凝土平均气泡间距在改善混凝土抗冻性能上起到很大的指导作用，它是作为评价混凝土抗冻性的一个最为直观的标准。混凝土中封闭空间内的气泡是通过引气剂产生的，所以引气剂添加量越多，则混凝土气泡量就越多，那么平均气泡间距就越小，这样就可以把部分的水分驱赶到外部，从而达到提高混凝土抗冻性能的要求。结合现有文献数据可知，掺和引气剂的混凝土的抗冻性优于与不掺入引气剂的混凝土，但是并不是引气剂加入的量越多越好，它有一个临界值，一旦超出临界值，再增加混凝土气泡含量，混凝土抗冻性能反而出现下降，尽管混凝土气泡平均间距减小，但是由于气泡多，使自身的密度和受力强度减小，进而抗冻性也会降低，一般来说，混凝土平均含气量控制在4%~7%之间比较合适。

3.2 严格控制混凝土水灰比从而提高其密实性

密度作为混凝土重要的质量强度指标，对混凝土性能影响非常显著，水和胶的比例与混凝土的密度息息相关，而密度又是混凝土抗冻性的影响因素，所以，最常用的方法是在混凝土中添加减水剂。在混凝土生产过程中，通过减水剂可以大幅降低混凝土拌和需要的水量，同时还能使混凝土拌合物分散均匀，使混凝土的内部结构发生细微的变化，自身的强度也会大大的增强，国内许多的报告指出，混凝土的最大水胶比在高寒低温地区的大气环境应控制在0.50 以内，可以很大程度的提高混凝土的抗冻性。

3.3 加强早期养护或掺入防冻剂

混凝土的日常护理方法很多，通常可以采取蒸汽养护法、电热法以及伴热混凝土蓄养护等方法来加强混凝土早起养护。但是当前大多数施工单位采用蒸汽来养护，这种方法需要大量的蒸汽，对养护带来一定难度。所以可以加入早强剂或者防冻剂等，以增强混凝土养护效果。但当前市场上销售的防冻剂主要是亚硝酸盐类，对混凝土有一定的腐蚀作用。鉴于此，我国开始研制新型的混凝土早强剂和防冻剂，比如我国建筑科学研究院开发的新型产品可以起到很好的养护效果，其中ST 型早强减水剂和防冻剂不含铬盐和氯离子，对钢筋结构不会有锈蚀作用，当混凝土应用在北方寒冷地区时，其能够在低温环境中正常施工，抗冻性能非常良好，不影响工程质量。

3.4 加强生产过程控制

混凝土的质量是影响其自身抗冻性能的关键因素，只有质量把控好，抗冻性自然就会提高。在施工之前，需要严格按照相关管理程序，组织现场施工人员和管理人员，做好学习和培训等混凝土生产和施工的专业知识，特别是混凝土粉料的性能以及配合比参数，掌握混凝土现场生产的系统知识内容。另外还需要注意混凝土配合符合设计要求，混凝土各粉料在掺和过程中，要采用较为精确的计量手段，严格按照配合比完成混凝土生产，避免配合比不对而导致混凝土抗冻性能下降。特别是要注意混凝土配料的比例单位，对于质量分数比例以及允许偏差要控制好，避免出现计量过程中看错配料单位，导致生产的混凝土质量变差。比如，粗细骨料质量允许偏差要控制在±2%，水以及其他添加剂要控制在±1%。对于混凝土原料，要控制好质量，粗骨料的要尽可能的选择小颗粒。现场管理人员需要按照技术交底内容进行把关，控制生产的各个环节，落实好各项执行标准，控制质量。

4 结论

近年来，随着国内公铁项目推进，寒冷地区开展道路桥梁工程日益增多，同时面临的工作环境也越来越严峻，导致混凝土工程出现不同程度的破坏，特别是道路桥梁混凝土的冻融破坏问题。通过本文对桥梁混凝土冻融破坏机理分析，讨论混凝土抗冻性能主要影响因素，对混凝土的冻融剥蚀问题有了更加深入的认知。并且研究还给出了解决寒冷地区桥梁混凝土冻融破坏问题，提高混凝土抗冻性能的有效对策，为混凝土应用发展提供一定的指导作用。另外，为了提高工程质量，推动经济持续发展，工程人员还应该采取其他积极措施，进一步延长桥梁混凝土的使用寿命，确保工程质量安全。