专业知识辅导：混凝土抗冻理论及应用

　　1 引 言

　　混凝土受冻害损伤可以区分为两种情况：(1)剥落脱皮是由于冻融引起的混凝土表面材料的损伤;(2)内部损伤是表面没有可见效应而在混凝土内部产生的损害，它导致混凝土性质改变(如动弹性模量降低)。至于新拌混凝土受冻害损伤后则会导致混凝土冻胀破坏。黄延高速公路第六合同段位于陕北地区，常年负温为130d左右，防治混凝土受冻害损伤在冬季施工中具有重大意义。

　　2 混凝土受冻害损伤有关原因

　　2.1 新拌水泥混凝土的受冻害损伤的原因

　　新拌混凝土的强度低、空隙率高、含水多，极易发生冻胀破坏。冻胀破坏的外观特征是材料体内出现若干的冰夹层，彼此平行而垂直于热流方向。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，一般从较粗大孔穴中水分开始，冰晶形成后从间隙吸水，发育增长，且是不可逆转的过程，水分从材料未冻水或从外部水源补给，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σt，如果超过抗拉强度即破坏。

　　2.2 成熟混凝土受冻害损伤有关原因

　　混凝土构件中的孔径分为三个范畴，即凝胶孔、毛细孔及气泡，在某一固定负温下混凝土构件中水分只有一部分是可冻水，可冻水产生多余体积直接衡量冰冻破坏威力。

　　可冻水(即冰)主要集中在水泥石及骨料颗粒的毛细孔中，凝胶水由于表面的强大作用不大可能就地冻结，气泡水易冻结。混凝土构件中各种孔径的空隙可认为连续分布，分布在这些空隙中的水在降温过程中将按顺序逐步冻结，不可能同时冻结。冻水一般是温度的逆函数，温度愈低，可冻水愈多。

　　连续的毛细管沟网络体系破坏过程;随着水化进展凝胶体生成，网络的联系被破坏、分成个别孤立的毛细孔(水在其中冻结的容器)，而凝胶连同其特征性凝胶孔和少数细小毛孔就构成透水器壁。随着水化深入，材料质地致密及温度的下降，将有更多细小空间的水参与冰冻，作为器壁的凝胶的渗水性也不断减小。

　　当冰冻多余水受水压力推动向附近气泡(逃逸边界)排除时，材料本身将受到推移水分前进的后应反作用力导致受拉破坏。材料组织愈致密水流宣泄不及，疏导不畅引起的动水压力增大。

　　水泥浆中包含的一般是盐类稀溶液，一旦冰冻后变为纯冰和浓度更高的溶液;随着温度下降，浓度不断提高。另一方面邻近凝胶中水分始终保持不冻，其溶液浓度保持原有的水平，于是在毛细孔溶液和凝胶水之间出现浓度差。浓度差使得溶剂向溶液中自发扩散渗透，即溶质向凝胶水中扩散，而凝胶水向毛细孔中浓溶液转移。其结果毛细孔中水分增加，和冰接触的溶液稀释，冰晶逐渐生长，长大。当毛细孔穴充满冰和溶液时，冰晶进一步生长必将产生膨胀压力，导致破坏。

　　另一方面在水压的情况下，水分冻结膨胀，多余水在压力推动下外流，流向可能消纳水分的未冻地点;作为水流的结果压力消失，析冰情况正好相反：水分不是从冰冻地点外流，而是从未冻地点(凝胶)流向已冻冰地点(毛细孔)，方向恰好相反。未冻地点的水移动一定距离后，最后以冰冻结束，作为水流运动的结果产生压力。

　　以上两点可以综合为：第一阶段毛细孔中始发的冰冻，向所有方向产生的水压力，引起内应力;第二阶段较大毛细孔中水分首先生成冰晶，可从小孔中吸引未冻结水使自身增长，产生静应力。

　　骨料作为一个组分，如果冰冻膨胀同样会成为导致混凝土破裂的应力来源;为了保证混凝土完好，必须要求骨料和水泥净浆两者都不破坏。由于引气混凝土的广泛使用，水泥净浆的抗冻性较易保证;从这个意义上来说，骨料抗冻性更具有突出意义。如颗粒大到一定限度以上，核心存在的距离任何逃逸边界均在临界尺寸以上的保水区域，此时将因超过骨料破裂强度的内部水压力而破裂，这就是临界储存效应。凡属中等吸水、细孔结构、渗透较低的岩石，这种危险较突出;空隙多、渗透性强的骨料临界尺寸也很大。在特殊情况岩石吸水率极低(如重量吸水在0.5%以下的石英岩)，可冻水极少，冰水是无渗应力出现;根据施工经验应避免使用高度吸水骨料，小颗粒石粒可以得到较大抗冻保证。

　　综上所述，混凝土材料的抗冻性是以下三方面的变函数即：(1)材料的性质(强度、变形、空隙情况);(2)气候条件(冻融循环次数、最低温度、降温速度、降水量、空气相对湿度等);(3)材料使用方式(降水量、自由水及跨越材料的蒸气压梯度与温度梯度)。区分这几方面变数将构成研究这一复杂问题的一个根本方式的转变，这样我们就有可能正确预言材料在指定环境中的抗冻能力。