摘要: 混凝土的強(qiáng)度關(guān)系到混凝土結(jié)構(gòu)的可靠性,而混凝土的可靠性又直接關(guān)系到工程的壽命。因此,做好混凝土的冬季防凍具有重要意義。根據(jù)工程實(shí)踐, 從多方面分析了混凝土受凍害損傷的有關(guān)原因,論述了在施工實(shí)踐中應(yīng)當(dāng)采取的抗凍施工措施,并詳細(xì)介紹了混凝土冬季施工的基本要求。
關(guān)鍵詞: 混凝土防凍; 冬季施工; 實(shí)踐措施
中圖分類號(hào): TV521 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: C 文章編號(hào): 1004- 7328( 2008) 01- 0048- 02
混凝土受凍害損傷可以分為2種情況: 一是由于凍融循環(huán)引起的混凝土表面材料的損傷———?jiǎng)兟涿撈? 二是表面沒(méi)有可見(jiàn)效應(yīng)而在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的損害———內(nèi)部損傷, 這種內(nèi)部損傷可導(dǎo)致混凝土性質(zhì)改變( 如動(dòng)彈性模量降低) 。而新拌混凝土受凍害損傷后則會(huì)導(dǎo)致混凝土凍脹破壞。
1 混凝土受凍害損傷有關(guān)原因
1.1 新拌混凝土受凍害損傷的原因
新拌混凝土的強(qiáng)度低、空隙率高、含水多, 極易發(fā)生凍脹破壞。凍脹破壞的外觀特征是材料體內(nèi)出現(xiàn)若干的冰夾層, 彼此平行而垂直于熱流方向。其過(guò)程為: 結(jié)構(gòu)物表面降溫冷卻時(shí), 冷流向材料體內(nèi)延伸, 在深處某水平位置開(kāi)始凍結(jié), 一般從較粗大孔穴中開(kāi)始, 冰晶形成后從間隙吸水, 發(fā)育增長(zhǎng), 且是不可逆轉(zhuǎn)的過(guò)程, 水分從材料未凍水或從外部水源補(bǔ)給, 并進(jìn)行宏觀規(guī)模的移動(dòng)。第一層孔穴中冰凍后,在冰晶生長(zhǎng)的過(guò)程中, 材料質(zhì)體受到拉應(yīng)力, 如果超過(guò)抗拉強(qiáng)度即破壞。
1.2 成熟混凝土受凍害損傷的原因
混凝土構(gòu)件中的孔徑分為3個(gè)范疇, 即凝膠孔、毛細(xì)孔及氣泡。在某一固定負(fù)溫下混凝土構(gòu)件中水分只有一部分是可凍水, 可凍水產(chǎn)生多余體積直接衡量冰凍破壞威力。
可凍水( 即冰) 主要集中在水泥石及骨料顆粒的毛細(xì)孔中, 凝膠水由于表面的強(qiáng)大作用不可能就地凍結(jié), 氣泡水易凍結(jié)?；炷翗?gòu)件中各種孔徑的空隙可認(rèn)為連續(xù)分布, 分布在這些空隙中的水在降溫過(guò)程中將按順序逐步凍結(jié)。凍水一般是溫度的逆函數(shù),溫度愈低, 可凍水愈多。
隨著水化進(jìn)展凝膠體生成, 網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)系被破壞、分成個(gè)別孤立的毛細(xì)孔( 水在其中凍結(jié)的容器) , 而凝膠連同其特征性凝膠孔和少數(shù)細(xì)小毛孔就構(gòu)成透水器壁。隨著水化深入、材料質(zhì)地致密及溫度的下降, 將有更多細(xì)小空間的水參與冰凍, 作為器壁的凝膠的滲水性也不斷減小。
當(dāng)冰凍多余水受水壓力推動(dòng)向附近氣泡( 逃逸邊界) 排除時(shí), 材料本身將受到推移水分前進(jìn)的后應(yīng)反作用力導(dǎo)致受拉破壞。材料組織愈致密水流宣泄不及, 疏導(dǎo)不暢引起的動(dòng)水壓力增大。
水泥漿中包含的一般是鹽類稀溶液, 一旦冰凍后變?yōu)榧儽蜐舛雀叩娜芤? 隨著溫度下降, 濃度不斷提高。然而鄰近凝膠中水分始終保持不凍,其溶液濃度保持原有的水平, 于是在毛細(xì)孔溶液和凝膠水之間出現(xiàn)濃度差。濃度差使得溶劑向溶液中自發(fā)擴(kuò)散滲透, 即溶質(zhì)向凝膠水中擴(kuò)散, 而凝膠水向毛細(xì)孔中濃溶液轉(zhuǎn)移。其結(jié)果毛細(xì)孔中水分增加, 和冰接觸的溶液稀釋, 冰晶逐漸生長(zhǎng)。當(dāng)毛細(xì)孔穴充滿冰和溶液時(shí), 冰晶進(jìn)一步生長(zhǎng)必將產(chǎn)生膨脹壓力, 導(dǎo)致破壞。
另一方面, 在水壓的情況下, 水分凍結(jié)膨脹, 多余水在壓力推動(dòng)下外流, 流向可能消納水分的未凍地點(diǎn), 作為水流的結(jié)果壓力消失。析冰情況正好相反: 水分不是從冰凍地點(diǎn)外流, 而是從未凍地點(diǎn)( 凝膠) 流向已凍冰地點(diǎn)( 毛細(xì)孔) , 方向恰好相反。未凍地點(diǎn)的水移動(dòng)一定距離后, 最后以冰凍結(jié)束, 作為水流運(yùn)動(dòng)的結(jié)果產(chǎn)生壓力。
以上2點(diǎn)可以綜合為: 第一階段毛細(xì)孔中始發(fā)的冰凍, 向所有方向產(chǎn)生的水壓力引起內(nèi)應(yīng)力; 第二階段較大毛細(xì)孔中水分首先生成冰晶, 可從小孔中吸引未凍結(jié)水使自身增長(zhǎng), 產(chǎn)生靜應(yīng)力。
骨料作為一個(gè)組分, 如果冰凍膨脹同樣會(huì)成為導(dǎo)致混凝土破裂的應(yīng)力來(lái)源。為了保證混凝土完好,必須要求骨料和水泥凈漿兩者都不破壞。由于引氣混凝土的廣泛使用, 水泥凈漿的抗凍性較易保證。從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō), 骨料抗凍性更具有突出意義。如顆粒大到一定限度以上, 核心存在的距離任何逃逸邊界均在臨界尺寸以上的保水區(qū)域, 此時(shí)將因超過(guò)骨料破裂強(qiáng)度的內(nèi)部水壓力而破裂, 這就是臨界儲(chǔ)存效應(yīng)。凡屬中等吸水、細(xì)孔結(jié)構(gòu)、滲透較低的巖石, 這種危險(xiǎn)較突出; 空隙多、滲透性強(qiáng)的骨料臨界尺寸也很大。在特殊情況下, 巖石吸水率極低( 如重量吸水在0.5%以下的石英巖) , 可凍水極少。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)應(yīng)避免使用高度吸水骨料, 小顆粒石?？梢缘玫捷^大抗凍保證。
綜上所述, 混凝土材料的抗凍性是以下三方面的變函數(shù),即: ①材料的性質(zhì)( 強(qiáng)度、變形、空隙情況) 。②氣候條件( 凍融循環(huán)次數(shù)、最低溫度、降溫速度、降水量、空氣相對(duì)濕度等) 。③材料使用方式( 降水量、自由水及跨越材料的蒸氣壓梯度與溫度梯度) 。區(qū)分這幾方面變數(shù), 我們就有可能正確預(yù)言材料在指定環(huán)境中的抗凍能力。
2 抗凍理論在工程上的應(yīng)用
2.1 根據(jù)材料的抗凍性, 施工中采取的抗凍措施
( 1) 摻用防凍劑, 以降低新拌混凝土的內(nèi)部水溶液冰點(diǎn)以及干擾冰晶生長(zhǎng), 有效保護(hù)未成熟混凝土不受凍脹破壞, 在負(fù)溫條件下能夠繼續(xù)水化。
( 2) 摻用引氣劑, 引氣不僅在表面無(wú)冰時(shí)減輕大體積冰凍的出現(xiàn), 并且在過(guò)程中也減輕了冰擠出的損害, 消納更多的毛細(xì)孔中冰凍所產(chǎn)生的多余體積,有助于保護(hù)成熟混凝土免于傷害。
( 3) 配合比設(shè)計(jì)采用高效減水劑, 盡量降低水灰比并經(jīng)過(guò)充分水化, 就有可能做出實(shí)際上不包含可凍水的飽和混凝土構(gòu)件。不包含毛細(xì)水( 或數(shù)量很少) 的混凝土構(gòu)件, 由于凝膠中空間極微細(xì), 結(jié)晶的始發(fā)十分困難, 并不發(fā)生凍結(jié), 故施工中盡量不使用粉煤灰作為外摻料加入混凝土。
( 4) 選用吸水率較低巖石( 如重量吸水在0.5%以下的巖石) , 可凍水極少, 骨料安全, 不受冰凍傷害, 同時(shí)使用小顆粒石粒可以得到較大抗凍性保證。
( 5) 改善混凝土的氣候條件以及使用方式, 在地面以上的混凝土結(jié)構(gòu)冬季施工中, 采取棉氈包裹等有效的蓄熱保溫措施, 使新拌混凝土在正溫條件下水化, 強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后采取棉氈包裹繼續(xù)保溫, 以延長(zhǎng)混凝土養(yǎng)護(hù)周期, 保證成熟混凝土充分水化, 盡量降低構(gòu)件毛細(xì)水含量, 防止成熟混凝土的受凍。
2.2 混凝土的冬季施工要求
( 1) 混凝土冬季施工的材料儲(chǔ)備保溫: 為避免入冬以后進(jìn)料困難、砂石料在料場(chǎng)或運(yùn)輸過(guò)程中受凍, 砂石料應(yīng)在入冬前組織進(jìn)場(chǎng)。在入冬前蓋上10cm以上的草袋以及棉氈或采取其他措施, 保證砂石料不受凍、溫度在0℃以上, 同時(shí)防止出現(xiàn)冰雪、凍塊進(jìn)入攪拌機(jī)內(nèi), 給混凝土溫度帶來(lái)?yè)p失; 防止過(guò)大的凍塊堵塞砂石料輸送帶; 防止部分凍塊進(jìn)入攪拌機(jī)內(nèi)會(huì)很難被粉碎、溶化, 嚴(yán)重影響混凝土質(zhì)量;水泥、外加劑應(yīng)在庫(kù)房或暖棚內(nèi)進(jìn)行保溫, 禁止對(duì)其進(jìn)行直接加溫; 冬季溫度過(guò)低, 應(yīng)提前做好水源儲(chǔ)備并防止污染。
( 2) 混凝土拌和料的加溫: 在對(duì)攪拌站搭設(shè)溫棚保溫、保持砂石料正溫的情況下, 混凝土拌和料要加溫, 拌和水加熱溫度根據(jù)混凝土拌和物混合溫度和計(jì)算控制。
( 3) 混凝土的拌和: 混凝土拌和料的投料順序?yàn)? ①砂石料進(jìn)拌和機(jī)加90%的水進(jìn)行攪拌1 min。②水泥、外加劑進(jìn)拌和機(jī)進(jìn)行攪拌1.5 min以上并補(bǔ)充剩余10%的水分。砂石料與水泥、外加劑分開(kāi)進(jìn)料斗, 必須以此防止水泥、外加劑接觸熱水發(fā)生水泥“假凝”現(xiàn)象。拌和時(shí)間適當(dāng)延長(zhǎng), 以防止出現(xiàn)混凝土外觀質(zhì)量、和易性和施工性能差的問(wèn)題。
( 4) 混凝土的運(yùn)輸: 各種混凝土運(yùn)輸車、輸送泵以及管道在使用前必須用熱水清洗加溫, 保證運(yùn)輸過(guò)程順暢、運(yùn)輸速度快速?；炷帘冒惭b后要加保溫采暖棚, 管道用棉氈包裹保溫, 在使用前后用熱水沖洗干凈, 防止混凝土殘料在管道內(nèi)凍結(jié)、影響暢通。
( 5) 混凝土的澆筑: 舊混凝土要沖洗干凈并進(jìn)行加溫, 包括模板、鋼筋均必須采取有效措施如暖棚進(jìn)行加溫至10℃以上方可進(jìn)行混凝土澆筑, 盡量減少因施工操作引起的混凝土拌和物溫度損失。
( 6) 混凝土的溫度監(jiān)控: 要建立溫度檢測(cè)制度,建立完整的檢測(cè)記錄。在冬季施工中, 要選用具有防凍、引氣、減水等功能的復(fù)合性外加劑, 采用5～25mm連續(xù)級(jí)配碎石粗集料與水泥配合, 這樣就能保證混凝土防凍效果良好, 滿足現(xiàn)場(chǎng)施工的要求。
