1、1混凝土冻害的分析与防治摘要：混凝土的冻害是影响混凝土结构耐久性的重要因素，为了保证一些重大工程的耐久性，混凝土的抗冻性已经越来越引起人 们的重视。本文以靖江某港口工程陆域工程中某一条路的冻害为例对混凝土冻害进行分析，通 过对影响混凝土 冻害的主要因素的分析，提出相应的预防措施。关键字：混凝土、冻害、水灰比、含气量。前言混凝土是当今世界上用量最大、用途最广的建筑材料。据大量调查和研究发现，我国北方混凝土工程中最重要的病害是冻融破坏，桥涵工程、混凝土路面工程、港口工程中混凝土冻融剥蚀的情况也屡有发生。1 混凝土的冻害1.1 新鲜混凝土受冻主要指新浇筑的混凝土在终凝前受到冻结。混凝土是由砂浆及粗骨
2、料组成的毛细孔多孔体，在拌制时,为了达到必要的和易性，拌合水的加入总多于水泥的水化水，多余的水便以游离水的形式滞留于混凝土中形成连通的毛细孔，并占有一定的体积，这种自由活动水的存在，是导致混凝土遭受冻害的主要原因。其过程为:结构物表面降温冷却时，冷流向材料体内延伸，在深处某水平位置开始冻结，一般水分从较粗大孔穴中开始，冰晶形成后从间隙吸水，发育增长、膨胀，且是不可逆转的过程，水分从材料未冻水或外部水源补给，并进行宏观规模的移动。第一层孔穴中冰冻后，在冰晶生长的过程中，材料质体受到拉应力的影响，如果超过此抗拉强度的影响混凝土随即破坏。1.2 混凝土的早期受冻主要指混凝土浇筑后，在养护硬化期间受冻
3、，混凝土的结构受到无法修复的损害，它可使混凝土的一系列物理、力学性能降低，达不到设计要求，影响工程应用，降低耐久性，甚至造成返工，其中影响最大的是混凝土抗压强度。这种冻害主要是由于施工方法选择不当、施工人员技术水平不高或不负责而造成的。评定混凝土的早期冻害的重要指标之一是混凝土抗冻临界强度值。抗冻临界强度是指冬季浇筑的混凝土在受冻以前必须达到的最低强度。即新浇筑的混凝土在受冻以前达到某一初始强度值，然后遭受冻结，当恢复正温养护后，混凝土强度仍会继续增长，经28天标准养护，其后期强度可达到设计标准值的95%。1.3 成龄混凝土的冻害也称混凝土的抗冻耐久性问题，主要指硬化了的混凝土在工程结构使用期
4、间受寒暑自然气温影响，并常年累月遭受自然气温的冻融作用，使混凝土的各项性能逐渐降低，对混凝土产生一种损害。成龄混凝土冻害的主要指标是抗压强度损失或动弹性模量损失。取标准条件下硬化了28天的混凝土试件，按混凝土抗冻耐久性标准试验方法，经多次冻融后测定抗压强度或动弹性模量损失值,作为评定指标。它反映材料及配合比水平，用于考核结构耐久性及使用年限，是为设计服务的。2 影响混凝土抗冻性的因素混凝土的抗冻性与其内部孔结构、水饱和程度、受冻龄期、混凝土的强度等级等因素有关，其中最主要的因素是它的孔结构。而混凝土的孔结构及强度又取决于混凝土的水灰比、有无外加剂和养护方法。2.1 水灰比水灰比直接影响混凝土的
5、孔隙率及孔结构在同样良好的成型条件下，水灰比不同，密实程度、孔结构也不同。水灰比较小时，混凝土硬化后密实度高，存在于混凝土内部的可冻水减少，孔隙结构得到改善，抗冻性能得到提高。反之，当水灰比很大时，由于多余的游离水分在混凝土硬化过程中逐渐蒸发掉，形成大量的开口孔隙。毛细孔不能完全被水泥水化生成物填满，以致相互连通，具有这种孔结构的混凝土渗透性、吸水性都很大，容易使混凝土受冻破坏。2.2 含气量是影响混凝土抗冻性的主要影响因素，特别是加入引气剂形成的微细孔对提高混凝土抗冻性尤为重要，因为这些互不连通的微细气孔在混凝土受冻初期能使毛细孔中的静水压力减小，起到减压作用。2.3 孔隙的饱水程度混凝土的
6、冻害与其孔隙的饱水程度紧密相关。水结冰时，体积膨胀达39，所以，如果混凝土毛细孔中的含水率超过某一临界值，则结冰时将会产生很大的挤压力。对于一定的盛水的密封容器来说，发生冻结破坏的临界含水率为91.7，由于混凝土的结构比较复杂，其饱水临界值取决于水泥石的渗透性、冻结速度、气孔的存在和分布，所以，它的饱水临界值不同于盛水的容器，混凝土的发生冻结破坏的临界含水量要稍高于91.7。一旦混凝土中毛细孔的含水率超过其冻结破坏的临界含水率，在反复冻融过程中，体积膨胀产生的膨胀挤压力将导致混凝土结构的破坏。2.4 混凝土的抗冻性随其龄期的增长而提高龄期越长水泥水化就越充分，混凝土强度越高，抵抗膨胀的能力就越
7、大，这一点对早期受冻更为重要。2.5 原材2.5.1 水泥许多实验表明，水泥的化学组成、细度和品种对混凝土的早期受冻有影响。因在早期水泥品种、组成影响混凝土的水化程度，从而影响可冻结水量和早期强度。龄期短的混凝土抗冻性差，这不仅由于混凝土的强度低，而且由于毛细孔多。一般来说水泥标号高，强度大，抗冻性较好。掺混合材料的水泥水化较慢，标号较低，抗冻性也就较差些。但也要看到另一面，掺矿渣或其他混合材料的水泥后期水化较完全，由于氢氧化钙与混合材料的二次反应，产生更多的胶体，水化用水较纯熟料水泥多，因此后期毛细孔较少，且后期强度也较高，这是对抗冻性有利的一面。因此如果建筑物在受冻前混凝土的龄期较长，掺混
8、合材料的水泥抗冻性不一定差。2.5.2 骨料骨料在混凝土冻害过程中起很重要的作用。在同样的水灰比养护条件下，选择的骨料不同，其抗冻性有着很大的差别。骨料对混凝土抗冻性的影响主要决定于骨料本身的抗冻性。如果粗骨料的质量很差，孔隙多，吸水率大，冻结时产生很大的静水压力，使骨料内的水份向水泥石迁移。由于水泥浆体硬化时的收缩，骨料与周围水泥石的界面上存在微细孔隙，这些孔隙如同毛细孔一样，冻结时产生静水压力，同时也降低了界面粘结力，所以混凝土往往在这界面处开始破坏。而多孔骨料含有很多空气泡时，可以起到水泥浆体中同样的蓄水卸压作用，对抗冻性却是有利的。骨料粒径越大，则比表面越小，界面受冻破坏的可能性越大。
9、因此粒径大而吸水率大的骨料对混凝土抗冻性不利，而粒径小的多孔骨料对抗冻性有利。因此，尽量采用吸水率小于3%细骨料和吸水率小于2%的粗骨料。粗骨料对混凝土抗冻融性的影响不仅取决于它的吸水性，也取决于骨料表面粘结性及粗骨料与砂浆热膨胀系数的差异等。另外，当含盐的骨料受冻融循环作用时，由于盐的浓度差而产生渗透压使混凝土的抗冻融性能也降低。2.5.3 混凝土外加剂防冻剂能够使混凝土在低温下硬化，并在规定时间内达到足够的防冻强度。使用防冻外加剂就是一种有效地提高混凝土抗冻性的措施。低温对混凝土十分不利，其一是施工周期长。其二是影响工程质量。使用防冻剂是寒冷地区保证混凝土冬季施工质量，节省能源,降低工程造
10、价的有效措施。引气剂能增加混凝土的含气量，并使气泡均匀；减水剂则能降低混凝土的水灰比，从而减少孔隙率，最终都能提高混凝土的抗冻性。加入外加剂进行混凝土冬季施工，其主要作用有以下几点：降低了混凝土早期受冻的临界强度。总的来说掺外加剂后可使临界强度降低20-30%，这就大大的缩短了混凝土的养护时间，降低了养护的造价，缩短了施工周期。促使新拌混凝土内固相水冰的结晶畸变。掺外加剂混凝土中液相的固化，实际上是把一部分水贮存起来，随着结冰的进程，由于液相的减少，使外加剂的浓度不断增大，与此同对，一部分水用于水泥的水化并结合于水化物中，也使浓度增加，冰点下降，当外加剂溶液的浓度在混凝土液相中接近平衡时，则水
11、泥所需要的水量就由溶冰来获得。其结果是混凝土中的含冰量逐渐减少直到消失。改变混凝土的孔结构。无论是新浇混凝土还是硬化混凝土的抗冻性，均与混凝土的孔结构有关。通过引气外加剂使混凝土具有一定的空气含量，从而改善混凝土的孔结构，可以提高其耐久性及抗早期受冻的能力。提高混凝土早期强度。早强作用主要是改变水泥中硅酸盐的溶解性，从而加速了水泥混凝土的硬化，并生成了复式及碱性的水化生成物，生成的水化物5结晶，在某种程度上就加强了水泥浆的结构形成，使新浇混凝土较快地达到临界强度。改变了混凝土水灰比及降低混凝土拌合物的用水量。水灰比影响混凝土的孔结构及结构形成过程。因此冬季施工力图通过外加剂的减水增塑作用，不断
12、降低混凝土的水灰比。2.5.4 粉煤灰掺合料对混凝土抗冻性的影响主要取决于粉煤灰本身的质量。掺入适当的优质粉煤灰，只要保证混凝土等强、等含气最就不会对其抗冻性产生有不利影响。如果掺入不合格粉煤灰或过量的粉煤灰，则会增大混凝土的需水量和孔隙率，降低混凝土强度，同时对其抗冻性产生不利影响。在粉煤灰掺量相同时，混凝土达到相同引气量所用的引气剂掺量，级粉煤灰是I级粉煤灰的23倍。无论是I级或级粉煤灰，较低的水灰比和合适的含气量，是保证混凝土具有较高抗冻性能的决定性因素。相同条件下，I级粉煤灰混凝土的抗冻性能优于级粉煤灰混凝土的抗冻性能。2.6 施工质量混凝土的施工质量对混凝土的抗冻性有影响，如果在施工
13、过程中不注意对混凝土的养护和保护，破坏仍将发生。振捣时间不宜过长，应以混凝土表面平整，水泥浆刚好浮出混凝土表面为标准，振捣时间过长，会导致混凝土拌和料离析并使含气量减少。例如新拌混凝土表面迅速干燥失水，以及过分抹面破坏表层混凝土的气泡结构和含气量损失等都将导致混凝土表面的抗冻性能下降。同时应合理设置排水系统，避免混凝土表面长期进水。3 混凝土冻害的预防措施3.1 控制水灰比水灰比是设计混凝土的一个重要参数，它的变化影响混凝土可冻水的含量、平均气泡间距及混凝土强度，从而影响混凝土的抗冻性。水灰比越大，混凝土中可冻水的含量越多，混凝士的结冰速度越快；气泡结构越差，平均气泡间距越大；混凝土强度越低，
14、抵抗冻融的能力越差。水灰比在045085范围内变化时，不掺引气剂的混凝土抗冻性变化不大，只有当水灰比小于0.45时，混凝土的抗冻性才随水灰比降低而明显提高。 3.2 掺引气剂平均气泡间距是影响混凝土抗冻性的最主要因素，而影响平均气泡间距的一个主要因素就是含气量。混凝土中封闭空气泡主要是用引气剂人为引入的。引气剂引入的空气泡越多，平均气泡间距就越小，毛细孔中的静水压和渗透压就越小，混凝土的抗冻性就越好。大量试验证明，掺引气剂的混凝土比相同条件下不掺引气剂的混凝土的抗冻性成倍地提高。在一定范围内，含气量越多，混凝土的抗冻性越好，但含气量超过一定范围时，混凝土的抗冻性反而下降，原因是含气量增加在降低
15、平均气泡间距的同时，降低了混凝土的强度。国内外部分规范都规定了含气量的合理范围，一般当所用的天然骨料的最大粒径为10-40mm时，使新浇混凝土中的平均含气量应为47，可以获得足够的抗冻性。另外，提高混凝土的强度、选择适合的骨料及水泥品种等都可以提高混凝土的抗冻性，但提高的幅度没有前三个措施明显。3.3 促进水泥水化使混凝土尽早形成抗冻的临界结构加入各种早强剂，促使混凝土中迅速形成大量晶体，使游离水转变为不能结冰的结晶水，同时消耗大量水化产物，加快水化反应进程，还可加入二氧化硅含量高、比表面积极大的硅粉，硅粉具有很强的活性，有利于水化反应，在混凝土中可形成更多的水化胶凝体，此外还可采用加热保温促
16、进水泥水化，目的是在最短的时间内使混凝土形成抗冻结构，将可冻水数量限制在一定水平。3.4 掺用纤维纤维能够均匀的分布在混凝土内部，可以大幅度提高混凝土的强度和抗折性能，当混凝土在受冻胀作用时，纤维起到拉伸作用，因此对混凝土有一定的抗冻融作用, 可以大大提高混凝土寿命。3.5加强早期养护或掺入防冻剂, 防止混凝土受冻混凝土早期冻害直接影响混凝土的正常硬化及强度增长, 因而冬季施工时必须对混凝土加强早期养护或适当掺入早强剂或防冻剂, 严防混凝土早期受冻。常用的热养护方法有电热法、蒸汽养护法及热拌混凝土蓄热养护法, 目前我国通常使用的是蒸汽养护法。3.6改善混凝土的温度条件以及施工措施7在混凝土结构
17、的冬季施工中，对原材料进行加热保温、混凝土入模前预热、棉毡包裹等有效的蓄热保温措施， 可以使入模混凝土在正温条件下水化。在混凝土的强度达到设计强度后，采取薄膜包裹继续保温养护，以此延长混凝土养护周期，保证成熟混凝土充分水化，尽量降低构件毛细水含量，防止成熟混凝土受冻。4 混凝土的冻害特征及其治理4.1 混凝土的冻害特征结构构件混凝土遭受冻害后，一般都等到第二年气温回升到常温才能进行检测鉴定处理。运用取芯法检测鉴定，可以观察到如下四类冻害特征:（1）混凝土表面呈现平行模板的针型冰道以致明显的冰花状冰道，发酥。取芯观察冻害深度仅在1cm以内，内部的混凝土凝结硬化正常,强度无损。（2）混凝土表面粗糙
18、，无平行模板的针型冰道，回弹值较高,弹击时有空鼓感，超声测试声速很低，以致丢波不易读数。取芯观察冻害深达3cm7cm，主筋与混凝土脱离，有的芯样取出后冻害层就脱落，内部混凝土凝结硬化正常，强度无损。（3）混凝土表面粗糙，无平行模板的针型冰道，敲击无空鼓感，回弹、超声测值都低，取芯观察冻害较深，冻害由表向里呈阶型逐渐减轻，但到与正常硬化的界面冻害又加重。（4）混凝土表面粗糙，无针型冰道，敲击无空鼓感，取芯观察表里无明显差异，但芯样强度较正常凝结硬化的低30%50%。4.2 混凝土冻害的治理四类冻害中，第一类最明显，容易被发现，处理比较简单，只需将冻害层凿除，冲刷掉浮尘，用高标号水泥砂浆补抹平整，
19、潮湿养护半月即可。二、三类容易忽视，但危害性大，处理亦麻烦，需根据冻害部位采用不同的加固方案。将冻害层凿净，用高一级的混凝土重新浇筑，严重者需打掉重新浇筑。第四类冻害结构构件，组织结构均匀，等到温度回升到正温时才又凝结硬化。这类冻害与第二、三类冻害可避免，防止冻害的途径是设法提高早期强度、减少游离水、降低冰点和临界抗冻强度。推广应用综合蓄热法、混凝土的成熟度控制是寒冷地区近年来冬施混凝土的成功技术。其要点是优先用硅酸盐水泥、普通水泥、快硬水泥，保证一定的水泥用量和水灰比，水、砂加热，通过热工计算保温养护，提高和充分利用混凝土自身的热量，使之早强和降低临界抗冻强度。掺用早强减水剂或防冻剂，使其减
20、水、早强、降低冰点及抗冻临界强度。必要时进行短期加热养护，保证混凝土在抗冻临界强度前免遭冻害和要求龄期的强度。推广应用综合蓄热法应注意以下几个环节：（1）进行热工计算和严格的测温控制，确保入模温度在1015，混凝土达到抗冻临界强度前表面温度保持在结冰临界温度以上。（2）水要加热，集料斗中不得带入冰霜。水加热方便，热容量大，加热可提高混凝土的自身热量，还可降低水的聚集状态、降低粘度，提高与水泥的反应能力。（3）水0时的粘度为20时的1.8倍，是100时的69倍。随着水温的降低，与水泥混合后，不但正温下的水化速度降低，结冻负温时的水化能力也降低，0时的冰水与水泥混合后结冰，水泥就不会水化。5 工程
21、实例靖江某港口工程的陆域工程施工期间，由于疏忽冬季气温突然急剧下降的特殊情况，致使其中一段混凝土路面上出现横向裂缝，后经处理，取得较好的效果。5.1 工程概况该工程分为1-3#泊位、4-7#泊位、陆域三个标段。其中陆域部分包括道路、堆场、皮带机基础、变电所、转运站等单位工程，道路结构层从下到上一次为土基、土工格栅、两层15cm级配碎石、两层15cm水稳和混凝土路面(图1） 。12月份浇混凝土路面，浇混凝土当日气温为5左右，晚上因大风气温降至-4以下。路面出现了横向裂缝（图2） 。9图2 裂缝图1 道路 5.2 混凝土冻害分析 混凝土路面在傍晚才基本浇好，施工中出现以下几种问题：（1）没有及时覆
22、盖土工布，来对混凝土进行有效的养护和保护。覆盖土工布对混凝土可以起到很好的保温作用，降低突然低温对混凝土造成的冻害。（2）混凝土中未加入预防冻害的相关外加剂。防冻剂能够使混凝土在低温下硬化，并在规定时间内达到足够的防冻强度。引气剂能增加混凝土的含气量，并使气泡均匀；减水剂则能降低混凝土的水灰比，从而减少孔隙率，最终都能提高混凝土的抗冻性。（3）没有适当减小水灰比。水灰比较小时，混凝土硬化后密实度高，存在于混凝土内部的可冻水减少，孔隙结构得到改善，抗冻性能得到提高。晚上气温急剧下降，不过第二天温度回升，路面只是出现了裂缝，缝宽为1mm左右（图2、3),用回弹仪检测其强度并无明显降低。5.3 冻害
23、事故处理根据现场冻害事故的检查分析， 混凝土强度并没有降低，并且考虑到施工工 期、经济损失等 图3 凿除裂缝 部分因素，讨论决定横向凿除出现裂缝的部分（图3、4） ，重新浇筑混凝土，因产生冻害的面积小，修补后的混凝土路面的强度、平整度等均符合相关规范及设计要求（图5） 。图4 凿除后 图5 修补后混凝土结束语混凝土的施工问题已经成为当前工程界极为关注的问题。混凝土施工的抗冻性研究不仅能够进一步保证施工速度和混凝土质量，提高混凝土的耐久性，而且同时有利于降低成本，实现更大的社会效益及经济效益。参考文献1 管华龙.冬季施工预防措施J.山西建筑，2008(8)2 李慧春.冬季施工的经验和体会J.山西建筑，2007(8)113 张颖，张粉芹.混凝土冻害的破坏机理及防治措施M.山西建筑，20074 刘彦书,李连志.混凝土冻害机理及对策R.冬季施工会议论文集C,20055 GT/T 50344-2004，建筑结构检测技术标准S.
