摘要:在北方地区,低温受冻引起的混凝土早期结构破坏严重,混凝土强度降低,无法达到设计的强度要求. 笔者对混凝土受冻模式和机制,以及防冻剂的作用机理进行了分析和论述.
关键词:混凝土;受冻模式;防冻剂
中图分类号: TU 528
文献标识码: A
文章编号:100921288 (2006) 0320075204
0 前言
在北方地区,由于常温施工季节较短,所以一般在初冬时期对未完成的工程,在简单防护的情况下仍继续施工,由于施工条件和气候的多变,使混凝土出现冻害,有时不易及早发现. 通常混凝土出现冻害的情况有以下几种: ①冬季施工时,未掺任何外加剂的混凝土由于气温下降较快而受冻. 不掺任何外加剂的混凝土,当气温在0～2 ℃时即受冻,强度损失在50 %以上,而且,气温达到正温后强度不再恢复. 所以,规范规定不掺外加剂的混凝土,室外日平均气温连续5 天稳定低于5 ℃时,混凝土结构工程应采取冬期施工措施[1 ] ; ②掺有防冻剂的混凝土在负温下受冻. 下面,以某工程承台梁为例,研究混凝土的受冻机制和防冻剂的作用机理.
1 工程事故简述
该工程位于吉林省松原市,为6 层砖混住宅. 2002 年11 月2 日开始施工,浇筑混凝土总量约为100m3 .全部为现浇混凝土,采用普通硅酸盐水泥,骨料为水洗沙、卵石,施工使用木模板. 11 月2 日浇筑混凝土时,按冬期混凝土施工要求加入抗冻剂,到11 月5 日,因寒流引起大幅度降温,夜间温度为- 9 ℃左右,已浇筑完的混凝土亦未来得及采取保温措施,仅用基土掩埋. 11 月6 日混凝土全部浇筑完毕,温度略有回升.
2 受冻混凝土的鉴别及混凝土强度等级测定
受冻混凝土表面有冰纹、螺旋纹、颜色发白、不均匀等现象,混凝土看上去较湿,边、角颜色较深,很容易碎裂,用肉眼即可看见骨料窝坑的边缘和底面有化石似的冰晶体,易碎,与钢筋几乎没有粘结力,混凝土内部有较多大孔隙.用回弹法进行混凝土强度等级的普遍检测,混凝土强度等级大都在C 10～C 13 之间,个别较差部位低于C 6. 对强度等级低于C 8 部位凿取块体试压,强度等级低于C 6 ,其他部位凿取块体试压,强度等级均为C10. 表面混凝土强度普遍低于设计强度等级C20. 取芯样检查混凝土取样后的断面疏松,粗骨料或砂浆脱落,颜色略发白.回弹法检测混凝土强度见表1.
3 混凝土在负温下受冻模式及受冻机理
(1) 混凝土在负温下硬化并受冻有4 种模式: ①受冻模式称为混凝土初龄受冻. 新拌混凝土在浇筑后,初凝前或刚刚初凝立即受冻属于这种情况. 这种模式的典型情况,是水泥尚未水化就受冻,没有水化热或极微,冻前强度等于零. 这种受冻特别对于C 10～C 15 混凝土,由于水泥用量少,水化热量少,因而可以迅速受冻. 水泥受冻后,处于“休眠”状态,恢复正温养护后,强度可以重新发展,直到与未受冻基本相同,没有什么强度损失. C 10～C 15 混凝土立即受冻,冻前强度为0 ,受冻28 天后恢复正常养护,强度仍能达到未受冻前的水平; ②受冻模式为混凝土幼龄受冻. 新拌混凝土中水泥初凝后,在水化的胶凝期间受冻,属于此种类型,这种受冻可使后期强度损失20 %～40 %. 与第一种类型受冻的主要区别在于前者的冻结温度低,冻结迅速,混凝土中的水分在受冻期间基本上没有转移现象,而本类型的受冻特点是冻结温度较高(0～5 ℃) ,冻结缓慢,混凝土中的水分逐渐转移. 强度损失的大小,主要取决于水分移动程度; ③受冻模式可以看作水泥水化产生的结构形成作用,已经等于或大于由于冰冻作用产生的结构破坏作用. 水泥与水化合时所产生的水化生成物的体积减小,基本上可以与水结冰体积增大相补偿. 在这种情况下,混凝土受冻是可以允许的,其强度可以损失或损失最多不超过5 % ,耐久性降低; ④受冻模式是已硬化达到设计强度的混凝土受冻,即混凝土的抗冻性. 这一阶段,受冻相当于水泥水化的结晶,其中,受冻破坏机理与第①, ②截然不同.
(2) 混凝土受冻机理. 对于4 种受冻模式,不同的受冻模式有不同的受冻机制.第一种模式是由于水化热很小,气温迅速下降到- 20 ℃或更低,冻结过程迅速,新拌混凝土的冻结特点是没有水分转移或基本上没有水分转移,因此,基本上没有强度损失或损失最小.第二种受冻模式的破坏机制与土的冻胀相似. 造成破坏的主要原因并不完全是由于水转变为冰,在转变过程体积增大产生的所谓膨胀压力,而是由于在整个混凝土硬化期间受负温的影响所造成的水分的移动. 这种移动的结果,引起水分在混凝土中重新分布,并在混凝土内部生成大的冰聚体,造成极为严重的物理损害.新成型后的混凝土中间的水分移动. 最初是由于混凝土内部及表面的温度差引起的. 混凝土构件的冷却是从混凝土表面开始的,逐渐扩展至混凝土的芯部,低温区的蒸汽分压力是较低的,因经水分向表面移动. 介质的温差为零时,水分转变为冰,冰晶从水泥颗粒移开,并以冰聚体形式,破坏水泥的水化作用所形成的结晶骨架,除此以外,它逐渐减弱混凝土各组分间的粘结力,先使各组分间的粘结力减弱,然后移动水分以冰膜的形式包围粗骨料及钢筋的表面,由于毛细管现象,使冰膜逐渐加厚. 当混凝土为密实级配时,冰膜的形成更为加速,最终则完全破坏了各组分间,特别是水泥砂浆与粗骨料、钢筋的粘结力. 当混凝土融化时,冰聚体及冰膜也消失,但在其位置上,形成了空间隙,同样也影响了混凝土的密实性及耐久性. 因此,这种受冻破坏是水分转移引起的,缓慢受冻是造成水分转移的良好条件,这就是为什么在- 5 ℃下冻结比在- 20 ℃下冻结强度损失还大的原因.第三种模式的机制是当混凝土达到的临界强度,此时混凝土中还有小部分拌和水存在,受一次冻结后对抗压强度没有什么重大影响,对混凝土的耐久性,特别是抗冻性也不致有破坏作用,多次冻融,其破坏机制同第四种受冻模式.第四种受冻机制是混凝土在饱和水状态下经多次冻融降低强度或重量. 这种受冻模式,其破坏机制是冰晶的膨胀压力起主要作用. 假如混凝土全部孔隙都充满了水,则在一次冻融循环后应立即破坏. 在饱和水状态下,混凝土经多次冻融循环之所以未破坏,主要是由于混凝土孔隙容积中没有全被水充满,在冻结过程中,在冰晶生长的压力作用下,水的一部分受到压缩的缘故,即混凝土的抗冻性,它主要取决于其孔隙结构参数和水在这些结构中的饱和程度以及冰在孔隙中生成的动力学性质.
众所周知,在水泥浆硬化的最初阶段生成互相连接的毛细孔隙,其总的容积等于拌和水的容积,当其它条件相同情况下,毛细孔横截面的平均直径正比于水灰比.
当混凝土配合比选择正确,混凝土拌和方法标准时,这些毛细孔的分布是无秩序的,但却均布于整个混凝土容积内. 水灰比与水泥硬化龄期的关系见表2.当水泥的水化达到一定程度时,互相连接的毛细孔隙,由于被新生成的水化凝胶的占据而遭到破坏,可使毛细孔隙由连续变为间断的.
当生成上面所述的孔结构时,混凝土的渗透性激烈地降低,并可提高抗冻能力.
4 抗冻外加剂的作用原理
通过对以上混凝土受冻模式及受冻机理的分析及上述的工程,混凝土受冻是第二种模式. 那么,如何避免这种受冻模式的出现呢? 那就是采用抗冻外加剂来实现,这种混凝土称为负温混凝土.
根据混凝土在负温下硬化的基本理论,要保证混凝土在负温下能够硬化并获得强度,首要条件必须有液相存在. 加入抗冻外加剂,使水的冰点下降,是促使混凝土在负温下硬化的方法.
防冻剂有防冻组分、早强组分、减水组分、引气组分和活化组分组成,其中,起主要作用是防冻组分. 防冻组分通常选用那些最低共熔点较低的物质. 所谓最低共熔点是指那些物质与水混合在一起变成该物质的水溶液以后,随着温度降低溶液中不断有冰析出,直到最后溶液中水全部结冰而溶质晶体也一起析出时的温度. 例如,亚硝酸钠其析出固相共熔体即最低共熔点为- 19. 6 ℃,而亚硝酸钠的最大使用为- 15 ℃,如果继续加大浓度,则由于水分子数量的减少,而使用硬化的速度极大的减慢.
那么,防冻组分在混凝土中形成的晶体是怎样形态呢? 一般情况下,水在负温下,其冰晶为坚硬的块状晶体,气泡均匀分布,并有明显的膨胀纹. 但当加入氯化钠,亚硝酸钠等防冻组分时,其冰晶就会有很大的改变,大部分呈枝形层状和羽状晶体,每个枝晶(主轴线) 是一个小的单晶体,它向液体中推进,并长出侧枝或双侧枝. 这样无数晶胞构成了枝形层状晶体,这种层状晶体的生长随着温度的降低,一层一层叠加上去,每增添一层冰,液体的浓度就相应的提高一些,这样又可以保持一定的液态水,这种液态水与冰构成平衡状态,可继续促成水泥水化,提高混凝土的后期强度. 因此,掺外加剂的混凝土不是没有冰的析出,而是析出的冰晶体形状有所不同,这种冰晶体改变了原有的块状冰晶体结构,呈鳞片状、树枝状、羽状等结构,层间填充液相体,质地疏松、强度很低,这种结构对混凝土的结构不构成威胁. 当水泥水化所需要的水随着水化过程的减少,则水化所需水量,可由融冰来补充,所以含冰量逐渐减少,直到消失.
一切事物的变化都讲究“度”的原则,混凝土中掺入抗冻剂也不例外. 如果防冻剂含量过低,一定负温下溶液中的含冰率就大. 这使混凝土空隙率增加,增大了局部遭受冻害的危险性,对混凝土质量不利. 如果防冻剂含量过大,水泥的化学活性降低,使水泥颗粒不能充分水化而导致混凝土强度降低;另外,外加剂溶液会在混凝土中发生迁移现象,并可能在构件中的某些部位集中,这些部位多为表面、截面变动处、构件内有缺陷处,然后有结晶析出,并可能使体积增大,在构件内造成局部危害.
另外,我国现行《建筑工程冬期施工规程》(J GJ 104 —97) [2 ]中对于掺防冻剂冬期浇注的混凝土受冻前抗压强度规定为:当室外最低气温为- 15 ℃以内时,不低于4. 0 N/ mm2 ,当室外最低气温为- 30 ℃以内时,不低于5. 0 N/ mm2 .
5 结论
通过以上对混凝土受冻模式及受冻机理的分析,以及混凝土冬季施工方法的讨论和对防冻剂作用机理的阐述,我们就可以对上述所提及的承台梁的受冻有了一个更深刻的认识,其受冻的主要原因是:
(1) 混凝土中所掺用的防冻剂各组分选用配置不当,以及施工中忽略了沉淀工序,对水剂样品没能检验其负温下的物理性能.
(2) 遭受寒流袭击后,气温又逐步回升引起.
(3) 掺入外加剂的混凝土没有严格控制入模温度,其入模温度低于最低允许温度.
(4) 防冻剂品种选用不当.
所以在冬期施工混凝土中应注意以下问题: ①对进入现场的外加剂要抽样检验,合格后方准使用; ②测量混凝土入模、拆模温度; ③对各种方法养护期间测量混凝土温度有详细规定. 除留置试块外,还必须检查现场混凝土表面是否受冻、粘结、有无收缩裂缝、边角脱落、施工缝受冻等. 另外,在外加剂的选用上应考虑以下原则: ①为避免钢筋的材料锈蚀,不用氯盐,为防止碱骨料反应,不用碱盐; ②选用防冻剂的材料应具有综合功能,即一种材料兼有数种功能,以利于降低掺量; ③防冻剂各组分复合后,具有叠加效应或相互促进作用; ④掺量低,价格合理.
如果掌握了上述冬期施工原则,既可以提前工期,减轻第二年的工程量,又会给企业带来巨大的经济效益.
参 考 文 献
[ 1 ] 项玉璞,曹继文1 冬期施工手册〔S〕1 北京:中国建筑工业出版社,2005 :91
[ 2 ] 建筑工程冬期施工规程(J GJ104 - 97)〔S〕1 北京:中国建筑工业出版社,19981
