摘要: 混凝土的强度关系到混凝土结构的可靠性,而混凝土的可靠性又直接关系到工程的寿命。因此,做好混凝土的冬季防冻具有重要意义。根据工程实践, 从多方面分析了混凝土受冻害损伤的有关原因,论述了在施工实践中应当采取的抗冻施工措施,并详细介绍了混凝土冬季施工的基本要求。
关键词: 混凝土防冻; 冬季施工; 实践措施
中图分类号: TV521 文献标识码: C 文章编号: 1004- 7328( 2008) 01- 0048- 02
混凝土受冻害损伤可以分为2种情况: 一是由于冻融循环引起的混凝土表面材料的损伤———剥落脱皮; 二是表面没有可见效应而在混凝土内部产生的损害———内部损伤, 这种内部损伤可导致混凝土性质改变( 如动弹性模量降低) 。而新拌混凝土受冻害损伤后则会导致混凝土冻胀破坏。
1 混凝土受冻害损伤有关原因
1.1 新拌混凝土受冻害损伤的原因
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, 如果超过抗拉强度即破坏。
1.2 成熟混凝土受冻害损伤的原因
混凝土构件中的孔径分为3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。冻水一般是温度的逆函数,温度愈低, 可冻水愈多。
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。然而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。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2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。在特殊情况下, 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。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, 我们就有可能正确预言材料在指定环境中的抗冻能力。
2 抗冻理论在工程上的应用
2.1 根据材料的抗冻性, 施工中采取的抗冻措施
( 1) 掺用防冻剂, 以降低新拌混凝土的内部水溶液冰点以及干扰冰晶生长, 有效保护未成熟混凝土不受冻胀破坏, 在负温条件下能够继续水化。
( 2) 掺用引气剂, 引气不仅在表面无冰时减轻大体积冰冻的出现, 并且在过程中也减轻了冰挤出的损害, 消纳更多的毛细孔中冰冻所产生的多余体积,有助于保护成熟混凝土免于伤害。
( 3) 配合比设计采用高效减水剂, 尽量降低水灰比并经过充分水化, 就有可能做出实际上不包含可冻水的饱和混凝土构件。不包含毛细水( 或数量很少) 的混凝土构件, 由于凝胶中空间极微细, 结晶的始发十分困难, 并不发生冻结, 故施工中尽量不使用粉煤灰作为外掺料加入混凝土。
( 4) 选用吸水率较低岩石( 如重量吸水在0.5%以下的岩石) , 可冻水极少, 骨料安全, 不受冰冻伤害, 同时使用小颗粒石粒可以得到较大抗冻性保证。
( 5) 改善混凝土的气候条件以及使用方式, 在地面以上的混凝土结构冬季施工中, 采取棉毡包裹等有效的蓄热保温措施, 使新拌混凝土在正温条件下水化, 强度达到设计强度后采取棉毡包裹继续保温, 以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, 防止成熟混凝土的受冻。
2.2 混凝土的冬季施工要求
( 1) 混凝土冬季施工的材料储备保温: 为避免入冬以后进料困难、砂石料在料场或运输过程中受冻, 砂石料应在入冬前组织进场。在入冬前盖上10cm以上的草袋以及棉毡或采取其他措施, 保证砂石料不受冻、温度在0℃以上, 同时防止出现冰雪、冻块进入搅拌机内, 给混凝土温度带来损失; 防止过大的冻块堵塞砂石料输送带; 防止部分冻块进入搅拌机内会很难被粉碎、溶化, 严重影响混凝土质量;水泥、外加剂应在库房或暖棚内进行保温, 禁止对其进行直接加温; 冬季温度过低, 应提前做好水源储备并防止污染。
( 2) 混凝土拌和料的加温: 在对搅拌站搭设温棚保温、保持砂石料正温的情况下, 混凝土拌和料要加温, 拌和水加热温度根据混凝土拌和物混合温度和计算控制。
( 3) 混凝土的拌和: 混凝土拌和料的投料顺序为: ①砂石料进拌和机加90%的水进行搅拌1 min。②水泥、外加剂进拌和机进行搅拌1.5 min以上并补充剩余10%的水分。砂石料与水泥、外加剂分开进料斗, 必须以此防止水泥、外加剂接触热水发生水泥“假凝”现象。拌和时间适当延长, 以防止出现混凝土外观质量、和易性和施工性能差的问题。
( 4) 混凝土的运输: 各种混凝土运输车、输送泵以及管道在使用前必须用热水清洗加温, 保证运输过程顺畅、运输速度快速。混凝土泵安装后要加保温采暖棚, 管道用棉毡包裹保温, 在使用前后用热水冲洗干净, 防止混凝土残料在管道内冻结、影响畅通。
( 5) 混凝土的浇筑: 旧混凝土要冲洗干净并进行加温, 包括模板、钢筋均必须采取有效措施如暖棚进行加温至10℃以上方可进行混凝土浇筑, 尽量减少因施工操作引起的混凝土拌和物温度损失。
( 6) 混凝土的温度监控: 要建立温度检测制度,建立完整的检测记录。在冬季施工中, 要选用具有防冻、引气、减水等功能的复合性外加剂, 采用5～25mm连续级配碎石粗集料与水泥配合, 这样就能保证混凝土防冻效果良好, 满足现场施工的要求。
