摘要:在北方地區(qū),低溫受凍引起的混凝土早期結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重,混凝土強(qiáng)度降低,無法達(dá)到設(shè)計(jì)的強(qiáng)度要求. 筆者對(duì)混凝土受凍模式和機(jī)制,以及防凍劑的作用機(jī)理進(jìn)行了分析和論述.
關(guān)鍵詞:混凝土;受凍模式;防凍劑
中圖分類號(hào): TU 528
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào):100921288 (2006) 0320075204
0 前言
在北方地區(qū),由于常溫施工季節(jié)較短,所以一般在初冬時(shí)期對(duì)未完成的工程,在簡單防護(hù)的情況下仍繼續(xù)施工,由于施工條件和氣候的多變,使混凝土出現(xiàn)凍害,有時(shí)不易及早發(fā)現(xiàn). 通常混凝土出現(xiàn)凍害的情況有以下幾種: ①冬季施工時(shí),未摻任何外加劑的混凝土由于氣溫下降較快而受凍. 不摻任何外加劑的混凝土,當(dāng)氣溫在0～2 ℃時(shí)即受凍,強(qiáng)度損失在50 %以上,而且,氣溫達(dá)到正溫后強(qiáng)度不再恢復(fù). 所以,規(guī)范規(guī)定不摻外加劑的混凝土,室外日平均氣溫連續(xù)5 天穩(wěn)定低于5 ℃時(shí),混凝土結(jié)構(gòu)工程應(yīng)采取冬期施工措施[1 ] ; ②摻有防凍劑的混凝土在負(fù)溫下受凍. 下面,以某工程承臺(tái)梁為例,研究混凝土的受凍機(jī)制和防凍劑的作用機(jī)理.
1 工程事故簡述
該工程位于吉林省松原市,為6 層磚混住宅. 2002 年11 月2 日開始施工,澆筑混凝土總量約為100m3 .全部為現(xiàn)澆混凝土,采用普通硅酸鹽水泥,骨料為水洗沙、卵石,施工使用木模板. 11 月2 日澆筑混凝土?xí)r,按冬期混凝土施工要求加入抗凍劑,到11 月5 日,因寒流引起大幅度降溫,夜間溫度為- 9 ℃左右,已澆筑完的混凝土亦未來得及采取保溫措施,僅用基土掩埋. 11 月6 日混凝土全部澆筑完畢,溫度略有回升.
2 受凍混凝土的鑒別及混凝土強(qiáng)度等級(jí)測(cè)定
受凍混凝土表面有冰紋、螺旋紋、顏色發(fā)白、不均勻等現(xiàn)象,混凝土看上去較濕,邊、角顏色較深,很容易碎裂,用肉眼即可看見骨料窩坑的邊緣和底面有化石似的冰晶體,易碎,與鋼筋幾乎沒有粘結(jié)力,混凝土內(nèi)部有較多大孔隙.用回彈法進(jìn)行混凝土強(qiáng)度等級(jí)的普遍檢測(cè),混凝土強(qiáng)度等級(jí)大都在C 10～C 13 之間,個(gè)別較差部位低于C 6. 對(duì)強(qiáng)度等級(jí)低于C 8 部位鑿取塊體試壓,強(qiáng)度等級(jí)低于C 6 ,其他部位鑿取塊體試壓,強(qiáng)度等級(jí)均為C10. 表面混凝土強(qiáng)度普遍低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C20. 取芯樣檢查混凝土取樣后的斷面疏松,粗骨料或砂漿脫落,顏色略發(fā)白.回彈法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度見表1.
3 混凝土在負(fù)溫下受凍模式及受凍機(jī)理
(1) 混凝土在負(fù)溫下硬化并受凍有4 種模式: ①受凍模式稱為混凝土初齡受凍. 新拌混凝土在澆筑后,初凝前或剛剛初凝立即受凍屬于這種情況. 這種模式的典型情況,是水泥尚未水化就受凍,沒有水化熱或極微,凍前強(qiáng)度等于零. 這種受凍特別對(duì)于C 10～C 15 混凝土,由于水泥用量少,水化熱量少,因而可以迅速受凍. 水泥受凍后,處于“休眠”狀態(tài),恢復(fù)正溫養(yǎng)護(hù)后,強(qiáng)度可以重新發(fā)展,直到與未受凍基本相同,沒有什么強(qiáng)度損失. C 10～C 15 混凝土立即受凍,凍前強(qiáng)度為0 ,受凍28 天后恢復(fù)正常養(yǎng)護(hù),強(qiáng)度仍能達(dá)到未受凍前的水平; ②受凍模式為混凝土幼齡受凍. 新拌混凝土中水泥初凝后,在水化的膠凝期間受凍,屬于此種類型,這種受凍可使后期強(qiáng)度損失20 %～40 %. 與第一種類型受凍的主要區(qū)別在于前者的凍結(jié)溫度低,凍結(jié)迅速,混凝土中的水分在受凍期間基本上沒有轉(zhuǎn)移現(xiàn)象,而本類型的受凍特點(diǎn)是凍結(jié)溫度較高(0～5 ℃) ,凍結(jié)緩慢,混凝土中的水分逐漸轉(zhuǎn)移. 強(qiáng)度損失的大小,主要取決于水分移動(dòng)程度; ③受凍模式可以看作水泥水化產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)形成作用,已經(jīng)等于或大于由于冰凍作用產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)破壞作用. 水泥與水化合時(shí)所產(chǎn)生的水化生成物的體積減小,基本上可以與水結(jié)冰體積增大相補(bǔ)償. 在這種情況下,混凝土受凍是可以允許的,其強(qiáng)度可以損失或損失最多不超過5 % ,耐久性降低; ④受凍模式是已硬化達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的混凝土受凍,即混凝土的抗凍性. 這一階段,受凍相當(dāng)于水泥水化的結(jié)晶,其中,受凍破壞機(jī)理與第①, ②截然不同.
(2) 混凝土受凍機(jī)理. 對(duì)于4 種受凍模式,不同的受凍模式有不同的受凍機(jī)制.第一種模式是由于水化熱很小,氣溫迅速下降到- 20 ℃或更低,凍結(jié)過程迅速,新拌混凝土的凍結(jié)特點(diǎn)是沒有水分轉(zhuǎn)移或基本上沒有水分轉(zhuǎn)移,因此,基本上沒有強(qiáng)度損失或損失最小.第二種受凍模式的破壞機(jī)制與土的凍脹相似. 造成破壞的主要原因并不完全是由于水轉(zhuǎn)變?yōu)楸?在轉(zhuǎn)變過程體積增大產(chǎn)生的所謂膨脹壓力,而是由于在整個(gè)混凝土硬化期間受負(fù)溫的影響所造成的水分的移動(dòng). 這種移動(dòng)的結(jié)果,引起水分在混凝土中重新分布,并在混凝土內(nèi)部生成大的冰聚體,造成極為嚴(yán)重的物理損害.新成型后的混凝土中間的水分移動(dòng). 最初是由于混凝土內(nèi)部及表面的溫度差引起的. 混凝土構(gòu)件的冷卻是從混凝土表面開始的,逐漸擴(kuò)展至混凝土的芯部,低溫區(qū)的蒸汽分壓力是較低的,因經(jīng)水分向表面移動(dòng). 介質(zhì)的溫差為零時(shí),水分轉(zhuǎn)變?yōu)楸?冰晶從水泥顆粒移開,并以冰聚體形式,破壞水泥的水化作用所形成的結(jié)晶骨架,除此以外,它逐漸減弱混凝土各組分間的粘結(jié)力,先使各組分間的粘結(jié)力減弱,然后移動(dòng)水分以冰膜的形式包圍粗骨料及鋼筋的表面,由于毛細(xì)管現(xiàn)象,使冰膜逐漸加厚. 當(dāng)混凝土為密實(shí)級(jí)配時(shí),冰膜的形成更為加速,最終則完全破壞了各組分間,特別是水泥砂漿與粗骨料、鋼筋的粘結(jié)力. 當(dāng)混凝土融化時(shí),冰聚體及冰膜也消失,但在其位置上,形成了空間隙,同樣也影響了混凝土的密實(shí)性及耐久性. 因此,這種受凍破壞是水分轉(zhuǎn)移引起的,緩慢受凍是造成水分轉(zhuǎn)移的良好條件,這就是為什么在- 5 ℃下凍結(jié)比在- 20 ℃下凍結(jié)強(qiáng)度損失還大的原因.第三種模式的機(jī)制是當(dāng)混凝土達(dá)到的臨界強(qiáng)度,此時(shí)混凝土中還有小部分拌和水存在,受一次凍結(jié)后對(duì)抗壓強(qiáng)度沒有什么重大影響,對(duì)混凝土的耐久性,特別是抗凍性也不致有破壞作用,多次凍融,其破壞機(jī)制同第四種受凍模式.第四種受凍機(jī)制是混凝土在飽和水狀態(tài)下經(jīng)多次凍融降低強(qiáng)度或重量. 這種受凍模式,其破壞機(jī)制是冰晶的膨脹壓力起主要作用. 假如混凝土全部孔隙都充滿了水,則在一次凍融循環(huán)后應(yīng)立即破壞. 在飽和水狀態(tài)下,混凝土經(jīng)多次凍融循環(huán)之所以未破壞,主要是由于混凝土孔隙容積中沒有全被水充滿,在凍結(jié)過程中,在冰晶生長的壓力作用下,水的一部分受到壓縮的緣故,即混凝土的抗凍性,它主要取決于其孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)和水在這些結(jié)構(gòu)中的飽和程度以及冰在孔隙中生成的動(dòng)力學(xué)性質(zhì).
眾所周知,在水泥漿硬化的最初階段生成互相連接的毛細(xì)孔隙,其總的容積等于拌和水的容積,當(dāng)其它條件相同情況下,毛細(xì)孔橫截面的平均直徑正比于水灰比.
當(dāng)混凝土配合比選擇正確,混凝土拌和方法標(biāo)準(zhǔn)時(shí),這些毛細(xì)孔的分布是無秩序的,但卻均布于整個(gè)混凝土容積內(nèi). 水灰比與水泥硬化齡期的關(guān)系見表2.當(dāng)水泥的水化達(dá)到一定程度時(shí),互相連接的毛細(xì)孔隙,由于被新生成的水化凝膠的占據(jù)而遭到破壞,可使毛細(xì)孔隙由連續(xù)變?yōu)殚g斷的.
當(dāng)生成上面所述的孔結(jié)構(gòu)時(shí),混凝土的滲透性激烈地降低,并可提高抗凍能力.
4 抗凍外加劑的作用原理
通過對(duì)以上混凝土受凍模式及受凍機(jī)理的分析及上述的工程,混凝土受凍是第二種模式. 那么,如何避免這種受凍模式的出現(xiàn)呢? 那就是采用抗凍外加劑來實(shí)現(xiàn),這種混凝土稱為負(fù)溫混凝土.
根據(jù)混凝土在負(fù)溫下硬化的基本理論,要保證混凝土在負(fù)溫下能夠硬化并獲得強(qiáng)度,首要條件必須有液相存在. 加入抗凍外加劑,使水的冰點(diǎn)下降,是促使混凝土在負(fù)溫下硬化的方法.
防凍劑有防凍組分、早強(qiáng)組分、減水組分、引氣組分和活化組分組成,其中,起主要作用是防凍組分. 防凍組分通常選用那些最低共熔點(diǎn)較低的物質(zhì). 所謂最低共熔點(diǎn)是指那些物質(zhì)與水混合在一起變成該物質(zhì)的水溶液以后,隨著溫度降低溶液中不斷有冰析出,直到最后溶液中水全部結(jié)冰而溶質(zhì)晶體也一起析出時(shí)的溫度. 例如,亞硝酸鈉其析出固相共熔體即最低共熔點(diǎn)為- 19. 6 ℃,而亞硝酸鈉的最大使用為- 15 ℃,如果繼續(xù)加大濃度,則由于水分子數(shù)量的減少,而使用硬化的速度極大的減慢.
那么,防凍組分在混凝土中形成的晶體是怎樣形態(tài)呢? 一般情況下,水在負(fù)溫下,其冰晶為堅(jiān)硬的塊狀晶體,氣泡均勻分布,并有明顯的膨脹紋. 但當(dāng)加入氯化鈉,亞硝酸鈉等防凍組分時(shí),其冰晶就會(huì)有很大的改變,大部分呈枝形層狀和羽狀晶體,每個(gè)枝晶(主軸線) 是一個(gè)小的單晶體,它向液體中推進(jìn),并長出側(cè)枝或雙側(cè)枝. 這樣無數(shù)晶胞構(gòu)成了枝形層狀晶體,這種層狀晶體的生長隨著溫度的降低,一層一層疊加上去,每增添一層冰,液體的濃度就相應(yīng)的提高一些,這樣又可以保持一定的液態(tài)水,這種液態(tài)水與冰構(gòu)成平衡狀態(tài),可繼續(xù)促成水泥水化,提高混凝土的后期強(qiáng)度. 因此,摻外加劑的混凝土不是沒有冰的析出,而是析出的冰晶體形狀有所不同,這種冰晶體改變了原有的塊狀冰晶體結(jié)構(gòu),呈鱗片狀、樹枝狀、羽狀等結(jié)構(gòu),層間填充液相體,質(zhì)地疏松、強(qiáng)度很低,這種結(jié)構(gòu)對(duì)混凝土的結(jié)構(gòu)不構(gòu)成威脅. 當(dāng)水泥水化所需要的水隨著水化過程的減少,則水化所需水量,可由融冰來補(bǔ)充,所以含冰量逐漸減少,直到消失.
一切事物的變化都講究“度”的原則,混凝土中摻入抗凍劑也不例外. 如果防凍劑含量過低,一定負(fù)溫下溶液中的含冰率就大. 這使混凝土空隙率增加,增大了局部遭受凍害的危險(xiǎn)性,對(duì)混凝土質(zhì)量不利. 如果防凍劑含量過大,水泥的化學(xué)活性降低,使水泥顆粒不能充分水化而導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度降低;另外,外加劑溶液會(huì)在混凝土中發(fā)生遷移現(xiàn)象,并可能在構(gòu)件中的某些部位集中,這些部位多為表面、截面變動(dòng)處、構(gòu)件內(nèi)有缺陷處,然后有結(jié)晶析出,并可能使體積增大,在構(gòu)件內(nèi)造成局部危害.
另外,我國現(xiàn)行《建筑工程冬期施工規(guī)程》(J GJ 104 —97) [2 ]中對(duì)于摻防凍劑冬期澆注的混凝土受凍前抗壓強(qiáng)度規(guī)定為:當(dāng)室外最低氣溫為- 15 ℃以內(nèi)時(shí),不低于4. 0 N/ mm2 ,當(dāng)室外最低氣溫為- 30 ℃以內(nèi)時(shí),不低于5. 0 N/ mm2 .
5 結(jié)論
通過以上對(duì)混凝土受凍模式及受凍機(jī)理的分析,以及混凝土冬季施工方法的討論和對(duì)防凍劑作用機(jī)理的闡述,我們就可以對(duì)上述所提及的承臺(tái)梁的受凍有了一個(gè)更深刻的認(rèn)識(shí),其受凍的主要原因是:
(1) 混凝土中所摻用的防凍劑各組分選用配置不當(dāng),以及施工中忽略了沉淀工序,對(duì)水劑樣品沒能檢驗(yàn)其負(fù)溫下的物理性能.
(2) 遭受寒流襲擊后,氣溫又逐步回升引起.
(3) 摻入外加劑的混凝土沒有嚴(yán)格控制入模溫度,其入模溫度低于最低允許溫度.
(4) 防凍劑品種選用不當(dāng).
所以在冬期施工混凝土中應(yīng)注意以下問題: ①對(duì)進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)的外加劑要抽樣檢驗(yàn),合格后方準(zhǔn)使用; ②測(cè)量混凝土入模、拆模溫度; ③對(duì)各種方法養(yǎng)護(hù)期間測(cè)量混凝土溫度有詳細(xì)規(guī)定. 除留置試塊外,還必須檢查現(xiàn)場(chǎng)混凝土表面是否受凍、粘結(jié)、有無收縮裂縫、邊角脫落、施工縫受凍等. 另外,在外加劑的選用上應(yīng)考慮以下原則: ①為避免鋼筋的材料銹蝕,不用氯鹽,為防止堿骨料反應(yīng),不用堿鹽; ②選用防凍劑的材料應(yīng)具有綜合功能,即一種材料兼有數(shù)種功能,以利于降低摻量; ③防凍劑各組分復(fù)合后,具有疊加效應(yīng)或相互促進(jìn)作用; ④摻量低,價(jià)格合理.
如果掌握了上述冬期施工原則,既可以提前工期,減輕第二年的工程量,又會(huì)給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益.
參 考 文 獻(xiàn)
[ 1 ] 項(xiàng)玉璞,曹繼文1 冬期施工手冊(cè)〔S〕1 北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005 :91
[ 2 ] 建筑工程冬期施工規(guī)程(J GJ104 - 97)〔S〕1 北京:中國建筑工業(yè)出版社,19981
