负温下混凝土受冻模式及机理解析

1)混凝土在负温下的四种受冻模式

混凝土在负温下硬化并受冻,其作用机理到现在仍然没有一种公认的理论。 一般主张将混凝土受冻分为已硬化混凝土受冻及新拌混凝土浇灌后早期受冻两种类型。

在泛称早期受冻的情况中,也包含着彼此极为不同的场合,它们的受冻机理极为不同。

第一种受冻模式称为混凝土初龄受冻。 新拌混凝土浇筑后,初凝前或刚初凝立即受冻属于这种情况。 这种模式的典型情况是,水泥来不及水化就受冻,没有或极微水化热,冻前强度等于零。 这种受冻特别是对于C10 ～C20 混凝土,由于水泥用量少,水化热少,因而可以迅速冻结。

这种受冻模式水泥受冻后处于“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。

第二种受冻模式称为混凝土幼龄受冻。 新拌混凝土中水泥初凝后,在水化胶凝期间受冻属于这种类型。 这种受冻可使后期强度损失20% ～50%。 与前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,混凝土中水分在受冻期间基本没有转移现象;而本类型受冻特点是,冻结温度较高(0 ～-5 ℃),冻结缓慢,混凝土中水分在冻结期间有水分转移。 绝大部分早期受冻属于这种类型,其强度损失的大小取决于水分转移程度。

第三种受冻模式称为混凝土龄期受冻。 它相当于水泥水化已进入凝聚-结晶阶段,已经达到能抵抗受一次冻融破坏的强度。 这种受冻模式可以看作水泥水化产生的结构形成作用,已经等于或大于冰冻产生的结构破坏作用。 水泥与水化合时水化生成物体积减小,基本上可与水结冰其体积增大相补偿。 在这种情况下,混凝土受冻是可以允许的,其强度可以没有损失或其损失最多不超过5%,耐久性也基本上不降低。

第四种受冻模式是已硬化达到设计强度后混凝土受冻,即所谓混凝土的抗冻性。 这一阶段受冻,相当于水泥水化的结晶期,其受冻机理与第一、第二种模式截然不同。

冬期混凝土施工中的任务,就在于尽量杜绝第二种受冻模式。 第一种受冻模式虽然基本上没有强度损失,但由于工程有期限要求,往往由于使工程迅速投入使用等技术经济上的要求,而不得不予避免。 以节约冬期施工费用及节能出发,第三种受冻模式是可以允许的。

2)混凝土受冻机理

混凝土的不同受冻模式,不仅对冬期混凝土施工有着极为重要的技术经济意义,而且对混凝土结构的力学性质、耐久性等都有着重大影响。(www.xing528.com)

第一种受冻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,水分没有转移或基本上没有转移,因此冻结水分在混凝土中的分布是比较均匀的,冰的形态是微小冰晶。 水分在混凝土中没有重新分布现象,所以基本上没有强度损失或损失很小。

第二种受冻模式的破坏机理与土的冻胀相似。 造成破坏的主要原因并不完全是由于水转变为冰及在相变过程体积增大产生所谓膨胀压力,而是由于在整个混凝土硬化期间受负温影响所造成的水分移动。 这种移动的后果,引起水分在混凝土中重新分布,在混凝土内部生成较大的扁平冰聚体,造成严重的物理损害。

新成型混凝土中水分移动,最初是由于混凝土内部及表面的温度差引起的。 冷却只是从表面开始,逐渐扩大至混凝土的内部。 众所周知,低温区的蒸汽分压力较低,因此,水分向表面的低温区移动。 当表面温度与周围介质的温差为零时,水分冻结成冰。 冰晶从水泥颗粒移开,并以冰聚体形式,破坏水泥水化所形成的结晶骨架。 除此之外,它还减弱混凝土各组分的黏结力,然后移动的水分以冰膜的形式包围粗骨料及钢筋的表面。 当混凝土为密实级配时,由于毛细管现象,冰膜的形成则更为加速。 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隙,影响了混凝土的密实性。

除了抗压强度指标降低外,对其他各项物理力学指标,如抗拉、弹性模量、混凝土和钢筋的握裹力等都有较大的降低,抗冻性、抗渗性和自然耐久性亦下降了。

因此第二种受冻破坏主要是水分转移引起的。 缓慢受冻是造成水分转移的最良好条件(在-5 ℃下冻结),这就是在-20 ℃下冻结强度损失大的原因。

第三种受冻模式的机理是,当混凝土达到了临界强度,虽然混凝土中还有小部分拌和水存在,但受一次冻结后对抗压强度没有重大影响。 承受多次冻融,其破坏机理同第四种受冻模式。

第四种受冻模式的受冻机理是,混凝土在饱水状态下经过多次冻融而降低强度或重量。这种受冻模式的破坏机理是冰晶的膨胀压力起主要作用,如混凝土全部孔隙都充满了水,则一次冻融循环后,应立即破坏。 在饱水状态下混凝土经多次循环未被破坏,主要是由于混凝土孔隙容积中没有全被水所充满及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。

练习作业

1.混凝土受冻有几种模式?

2.混凝土受冻胀破坏是怎样形成的? 怎样才能防止混凝土发生冻胀破坏?