提高混凝土抗凍耐久性技術的研究綜述(上)
2005-09-28 00:00
GENERAL INTRODUCTION ON THE TECHNOLOGY OF IMPROVING FROST RESISTANCE OF CONCRETE
Du Tianling Meng Yunfang (Department of Water Conservency ， Agricultural College of Ningxia University ， Yongning ， Ningxia ， 750105)
Wang Zhihu(Guyuan water Conservency and Conservation of Soil and Water Bureau ， Guyuan ， Ningxia ， 756000)
Abstract： Aiming at the serious problem of freezing and thawing damage of concrete in north of China ， this paper chiefly narrated the research progress on the technology of frost resistance of concrete at home and abroad ， suggested that it is one of the effective measures of improving frost resistance to add Compound mineral admixture.
Key words： concrte durability freezing and thawing damage mineral admixture
摘 要 本文針對北方寒冷地區混凝土凍融破壞問題，扼要綜述了國內外混凝土抗凍耐久性技術的研究動態，敘述了利用礦物摻合料和復合摻入混合料是改善混凝土抗凍耐久性的有效措施。
關鍵詞 混凝土；耐久性；凍融破壞；礦物摻合料
1 前言
混凝土的耐久性是混凝土抵抗氣候變化、化學侵蝕、磨損或任何其它破壞過程的能力，當在暴露的環境中，能耐久的混凝土應保持其形態、質量和使用功能。混凝土的耐久性研究內容包括:鋼筋銹蝕、化學腐蝕、凍融破壞、堿集料破壞。混凝土的抗凍性作為混凝土耐久性的一個重要內容，在北方寒冷地區工程中是急待解決的重要問題之一。
我國地域遼闊，有相當大的部分處于嚴寒地帶，致使不少水工建筑物發生了凍融破壞現象。根據全國水工建筑物耐久性調查資料[1 ] ，在32 座大型混凝土壩工程、40 余座中小型工程中， 22 %的大壩和21 %的中小型水工建筑物存在凍融破壞問題，大壩混凝土的凍融破壞主要集中在東北、華北、西北地區。尤其在東北嚴寒地區，興建的水工混凝土建筑物，幾乎100 %工程局部或大面積地遭受不同程度的凍融破壞。除三北地區普遍發現混凝土的凍融破壞現象外，地處較為溫和的華東地區的混凝土建筑物也發現有凍融現象。
因此，混凝土的凍融破壞是我國建筑物老化病害的主要問題之一，嚴重影響了建筑物的長期使用和安全運行，為使這些工程繼續發揮作用和效益，各部門每年都耗費巨額的維修費用，而這些維修費用為建設費用的1～3 倍。美國投入混凝土基建工程的總造價為16 萬億美元，據估計今后每年用于混凝土工程維修和重建的費用估計達3000 億美元[2 ] 。
2 外加劑改善抗凍耐久性技術研究動態
2. 1 引氣劑
長期的工程實踐與室內研究資料表明:提高混凝土抗凍耐久性的一個十分重要而有效的措施是在混凝土拌合物中摻入一定量的引氣劑。引氣劑是具有增水作用的表面活性物質，它可以明顯的降低混凝土拌合水的表面張力和表面能，使混凝土內部產生大量的微小穩定的封閉氣泡。這些氣泡切斷了部分毛細管通路能使混凝土結冰時產生的膨脹壓力得到緩解，不使混凝土遭到破壞，起到緩沖減壓的作用。這些氣泡可以阻斷混凝土內部毛細管與外界的通路，使外界水份不易浸入，減少了混凝土的滲透性。同時大量的氣泡還能起到潤滑作用，改善混凝土和易性。因此，摻用引氣劑，使混凝土內部具有足夠的含氣量，改善了混凝土內部的孔結構，大大提高混凝土的抗凍耐久性。國內外的大量研究成果與工程實踐均表明引氣后混凝土的抗凍性可成倍提高[3 ] [4 ] [5 ] 。
美國是最早開始研究引氣劑的國家，自1934 年在美國堪薩斯州與紐約州道路工程施工中發現引氣混凝土，至今已有半個多世紀。挪威[6 ]1974 年首次在大壩中使用引氣劑，經過20 年運行后，摻引氣劑的混凝土表面完好無損，而未摻引氣劑的混凝土則已遭受較嚴重的凍融破壞。我國這方面的工作始于50 年代。我國混凝土學科創始人吳中偉教授，在50年代初期就強調了混凝土抗凍的重要性，并創先研制了松香熱聚物加氣劑(引氣劑) ，應用于治淮水利混凝土工程，開創了我國采用引氣劑而提高混凝土抗凍耐久性的先河。范沈撫(1991年) 分析了摻引氣劑混凝土的抗壓強度和抗凍耐久性，得出與上述同樣結論[7 ]：摻用引氣劑，使混凝土達到足夠的含氣量要求，可改善混凝土的孔結構性質，并明顯改善混凝土的抗凍耐久性。
國內外許多學者研究了影響混凝土抗耐久性的因素，Seibel ，Sellebold ，Malhotra ， Pigen 等人[8 ] [9 ] [10 ]研究表明：混凝土的含氣量、臨界氣泡間距、水灰比、骨料、臨界飽水度和降溫速度等因素綜合決定了混凝土的抗凍耐久性能。Stark and Ludwig ( 1993 ) 提出[11 ]：水泥熟料中C3A 的含量的增加會提高其混凝土的抗凍耐久性，但會降低混凝土抵抗鹽凍能力。Osama A.Mohamed(1998) 研究了水泥品種，引氣劑質量及引氣的方法對混凝土抗凍融耐久性影響，得出[12 ]：引氣能顯著提高混凝土的抗凍融性，然而，長期處于凍融循環的混凝土的抗凍能力則取決于天氣的惡劣程度及凍融周期的頻率。關英俊，范沈撫[13 ](1990) 討論了提高水工混凝土抗凍耐久性的技術措施，提出耐凍混凝土必須正確進行配合比設計，摻優質引氣劑，減小水灰比，合理選用原材料，還要嚴格按施工規范技術要求施工，加強養護。
范沈撫[14 ] (1993) 進一步研究得出：混凝土孔結構性質是影響混凝土抗凍耐久性的根本所在。混凝土的抗凍耐久性隨孔結構性質變化而變化，當孔間距系數小于250μm 時，混凝土抗凍耐久性指數基本能達到60 %以上，即可經受300 次快速凍融循環試驗。這一點與Powers 的臨界孔間距概念相符：早在50 年代，鮑爾斯(T. C. Powers) 等人首先開展了摻引氣劑硬化混凝土孔結構的測試分析研究，并提出了滿足混凝土抗凍耐久性要求的孔間距系數的重要概念：即當孔間距小于臨界孔間距( < 250μm) 時混凝土是抗凍的。宋擁軍(1999) 認為[15 ] ，只要引氣量合適，普通混凝土均能獲得較高的抗凍耐久性。引氣混凝土中氣泡平均尺寸及其間距隨水灰比的增大而加大，同時水泥漿中可凍水的百分率也相應加大，從而導致混凝土抗凍耐久性的顯著下降，因此，不能忽視對水灰比的限制。
朱蓓蓉，吳學禮，黃土元(1999) 認為[16 ]：合理的氣泡結構是混凝土抗凍耐久性得以真正改善的關鍵，然而，氣泡體系形成、穩定與氣泡結構的建立密不可分，因此高度重視氣泡體系穩定性的問題就顯得更加重要。他們根據國外的研究成果和部分實驗結果得出結論:影響混凝土中氣泡體系形成與穩定性的因素有混凝土各組成材料、混凝土配合比、拌合物特性以及外界條件，如環境溫度、攪拌、運輸和澆灌技術等。針對不同環境條件、不同工程要求的混凝土，必須進行適應性試驗，才能使得硬化混凝土具有設計所要求的含氣量和合理的氣泡結構，增進了混凝土工程界對引氣劑應用技術的認識。
由以上眾多學者的研究表明：混凝土孔結構性質是影響混凝土抗凍耐久性及其它性質的根本所在。摻引氣劑可以改善混凝土孔結構性質，因此，測試硬化混凝土孔結構性質是研究混凝土抗凍耐久性能的有效途徑和方法之一。
引氣劑的摻入雖然是提高混凝土抗凍耐久性最有效的手段，但引氣劑的摻入同時會引起混凝土其它性能降低，如強度、耐磨蝕能力等。
2. 2 減水劑
目前，減水劑的應用也成為混凝土不可缺少的組份，使用減水劑可以大幅度降低混凝土的水灰比(水膠比) ，提高混凝土的強度和致密性，使混凝土抵抗凍融破壞的能力提高，從而提高混凝土的抗凍耐久性。遲培云，李金波，揚旭等(2000) 研究了在混凝土中摻入高效減水劑可取得的技術經濟效果如下[17 ]：(1) 保持和易性不變，可減水25 % ，R28 %提高90 % ，抗滲性提高4～5 倍；(2) 保持和易性不變，節約水泥25 % ，R28提高26 % ，抗滲性提高2 倍；(3) 保持用水量和水泥用量不變，R28提高27 % ，抗滲性提高3 倍。
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