探討混凝土凍融破壞的機理

探討混凝土凍融破壞的機理混凝土和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)設(shè)計方法是按照荷載和安全的要求確定混凝土的強度等級，即“按強度設(shè)計”。然而，國內(nèi)外大量破壞實例表明：混凝土結(jié)構(gòu)不是由于強度不夠而破壞，而是由于混凝土隨時間劣化（耐久性不夠）而過早破壞，造成數(shù)目驚人的維修和重建的資金和自然資源的浪費。國外寒冷地區(qū)如北歐、北美、前蘇聯(lián)早在上個世紀(jì)40年代已重視抗凍性，采取引氣技術(shù)，所以較少見普通凍融破壞的。在我國，從初步調(diào)查來看，北方地區(qū)造成混凝土結(jié)構(gòu)過早破壞的主要原因是凍融和鹽凍，情況也比較嚴(yán)重。1混凝土凍融破壞的機理分析混凝土是由水泥砂漿及粗骨料組成的毛細(xì)孔多孔體。在拌制混凝土?xí)r為了得到必要的和易性，加入的拌合水總要多于水泥的水化水。這部分多余的水便以游離水的形式滯留于混凝土中形成連通的毛細(xì)孔，并占有一定的體積。這種毛細(xì)孔的自由水就是導(dǎo)致混凝土遭受凍害的主要內(nèi)在因素。因為水遇冷結(jié)冰會發(fā)生體積膨脹，引起混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞。但應(yīng)該指出，在正常情況下，毛細(xì)孔中的水結(jié)冰并不致于使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞。因為混凝土中除了毛細(xì)孔之外還有一部分水泥水化后形成的膠凝孔和其它原因形成的非毛細(xì)孔。這些孔隙中常混有空氣。因此，當(dāng)毛細(xì)孔中的水結(jié)冰膨脹時，這些氣孔能起緩沖調(diào)解作用，即能將一部分未結(jié)冰的水?dāng)D入膠凝孔，從而減少膨脹壓力，避免混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞。但當(dāng)處于飽和水狀態(tài)時，情況就完全兩樣了。此時毛細(xì)孔中水結(jié)冰時，膠凝孔中的水處于過冷狀態(tài)。因為混凝土孔隙中水的冰點隨孔徑的減少而降低。膠凝孔中形成冰核的溫度在-78℃以下。膠凝孔中處于過冷狀態(tài)的水分因為其蒸汽壓高于同溫度下冰的蒸汽壓而向壓力毛細(xì)孔中冰的界面處滲透。于是在毛細(xì)孔中又產(chǎn)生一種滲透壓力。例如在-5℃時該滲透壓力可達(dá)5.97MPa。此外，膠凝水向毛細(xì)孔滲透的結(jié)果必然使毛細(xì)孔中的冰體積進(jìn)一步膨脹。由此可見，處于飽和狀態(tài)（含水量達(dá)到91.7%極限值）的混凝土受凍時，其毛細(xì)孔壁同時承受膨脹壓及滲透壓兩種壓力。當(dāng)這兩種壓力超過混凝土的抗拉強度時，混凝土就會開裂。在反復(fù)凍融循環(huán)后，混凝土中的裂縫會互相貫通，其強度也會逐漸降低，最后甚至完全喪失，使混凝土結(jié)構(gòu)由表及里遭受破壞?；炷恋膬鋈谄茐淖饔弥饕袃雒涢_裂和表面剝落兩個方面。對于混凝土抗凍耐久性能的研究必須先從混凝土凍融破壞機理開始，自上世紀(jì)30年代以來，各國科學(xué)研究者作了大量的研究，提出了一系列的假說。盡管由于混凝土凍融破壞機理非常復(fù)雜，如今人們尚未得到一個完全能解釋凍害的公認(rèn)的理論，但所提出的一些假說已經(jīng)很好地指導(dǎo)了過去和當(dāng)前的研究工作，為工程結(jié)構(gòu)抗凍設(shè)計提供了很有力的理論基礎(chǔ)。所提出的假說主要有冰的分離層理論、充水系數(shù)理論、靜水壓理論滲透壓理論和溫度應(yīng)力理論等。2混凝土凍融破壞的幾種假說2.1冰的分離層假說冰凍是從暴露的混凝土表面開始的，然后逐漸由表及里向混凝土內(nèi)部延伸，當(dāng)表面以下的某層達(dá)到足夠低的溫度時，水在最大的孔隙中開始結(jié)冰，由于結(jié)冰產(chǎn)生潛熱，使水晶體相接觸并使周圍孔隙中未凍水誘出，繼續(xù)使冰晶體增長、溫度繼續(xù)下降時，使冷鋒面透入。當(dāng)溫度下降到足以凍結(jié)一個新冷鋒面的孔隙時，又形成一個新的受冷薄層。最后使混凝土形成一系列平行的冷薄層，由于冰結(jié)晶體膨脹，冰點上升，混凝土被逐漸破壞這一理論適用于低質(zhì)的、抗?jié)B性能差的而且長期遭受低溫凍結(jié)的混凝土，對于較密實的、抗?jié)B性好的、孔隙小的混凝土就不適用，因為沒有足夠的水供冰結(jié)晶體增長，從而放出足夠的潛熱維持該處的恒溫，不可能形成一系列平行的分離層冰面。2.2充水系數(shù)假說該理論認(rèn)為，混凝土能否發(fā)生凍融破壞主要取決于混凝土的充水系數(shù)。充水系數(shù)指的是孔隙內(nèi)水的體積與整個空間的體積之比。充水系數(shù)只能反映混凝土內(nèi)孔隙飽和水程度的平均概念，而實際上混凝土內(nèi)各處充水程度不會相同?；炷恋某渌禂?shù)與混凝土的抗凍性能有較好的關(guān)系，但是充水系數(shù)測定的水是比較容易蒸發(fā)的水，即與外界相通的孔隙中的飽和水。2.3靜水壓力假說硬化混凝土中的孔隙有凝膠孔、毛細(xì)孔、空氣泡等。各種孔隙之間的孔徑差異很大，凝膠孔的孔徑為15-100A;毛細(xì)孔孔徑一般在O.01-10um之間，而且往往互相連通;空氣泡是混凝土攪拌與振搗時自然吸入或摻加引氣劑人為引入的，且一般呈封閉的球狀，混凝土在水中時，毛細(xì)孔處于飽和狀態(tài)，而空氣泡內(nèi)壁雖也吸附水分，但在常壓下很難達(dá)到飽和?；炷量兹芤褐腥苡锈?、鈉、鈣離子等，溶液的飽和蒸氣壓比普通水低，在不摻鹽類的水泥漿體中的自由水的冰點約為-1～1.5攝氏度。由于孔隙表面張力的作用，不同孔徑的孔內(nèi)水的飽和蒸氣壓和冰點不同，孔徑越小，孔內(nèi)水的飽和蒸氣壓越小，冰點越低。當(dāng)環(huán)境溫度降低到-1～-1.9攝氏度時，混凝土孔隙中的水由大孔開始結(jié)冰，逐漸擴展到較細(xì)的孔。一般認(rèn)為溫度在-12攝氏度時，毛細(xì)孔都能結(jié)冰，而凝膠中的水分子物理吸附于水泥漿固體表面，估計在-12攝氏度以上不會結(jié)冰。因此，凝膠孔水實際上是不可能結(jié)冰的，對混凝土抗凍性有害的孔隙只是毛細(xì)孔。3凍融循環(huán)對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的危害凍融循環(huán)會導(dǎo)致混凝土的抗壓強度、抗拉強度、彈性模量、變形特征等基本力學(xué)性能和變形性能降低，從而影響混凝土結(jié)構(gòu)的使用性能和承載能力，這不僅對日常的生產(chǎn)和工作有影響，甚至危及到混凝土結(jié)構(gòu)工程的安全運行。根據(jù)美國1985年的報道，因使用除冰鹽而導(dǎo)致混凝土鋼筋銹蝕和凍融剝蝕的公路橋梁高達(dá)約56萬座，其中需要大修或重建的就有約9萬座，僅1978年一年，由于凍害和鋼筋銹蝕所造成的經(jīng)濟損失就高達(dá)63億美元。在我國北方地區(qū)鋼筋混凝土橋梁的橋面板和橋墩、混凝土結(jié)構(gòu)海洋平臺、水工大壩中的迎水面和溢流壩面等在運行一段時間后經(jīng)常出現(xiàn)混凝土剝落、物理力學(xué)性能下降等情況，由于凍融循環(huán)作用，導(dǎo)致橋面板和橋墩！海洋平臺等發(fā)生凍融破壞，出現(xiàn)混凝土保護(hù)層脫落，鋼筋外露等現(xiàn)象。4結(jié)語本文詳細(xì)的介紹了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在凍融循環(huán)作用下的破壞機理、對構(gòu)件的危害以及混凝土結(jié)構(gòu)凍融循環(huán)破壞的幾種假設(shè)。由上述可知，國內(nèi)外眾多學(xué)者和專家對此已進(jìn)行了大量的研究和探索，同時也取得了許多有重大價值的科研成果，對于我們在從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時提供了重要的理論指導(dǎo)和數(shù)據(jù)支持。但是，我們僅僅對混凝土