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1、混凝土材料技术讲义 (09材料班使用 3*17=51学时),王汉立 20102011学年第2学期,5 混凝土抗冻理论,一、绪言 抗冻性不单纯取决于材性的混凝土内在性质，还应把气候条件及材料使用方式（即环境）也列为其不可分割的内容。 混凝土抗冻性研究对于国民经济具有重大意义。对于我国北方地区具有现实意义。,二、可冻水1 可冻水与不冻水： 在某一固定负温下，水泥石中的水分只有一部分是可冻水，即与该温度对应孔径及更粗大空隙中所有水分。 凝胶另一部分是不冻水。 分布在空隙中的水在降温过程中将要按顺序逐步冻结，不可能同时冻结。,在材料内部在某指定温度下不冻水数量为一常数，可以看作材料总空隙率的函数。可冻
2、水一般是温度的逆函数，温度越低，可冻水越多。 可冻水产生多余体积，直接衡量冻结破坏威力，在混凝土抗冻性上具有重大意义。可冻水（冰）主要集中在水泥石及骨料颗粒的毛细孔中；凝胶水由于表面力的强大作用不大可能就地冻结；气泡中水分易冻结。,二、可冻水2 如果原始水灰比足够低并经过充分水化，就有可能做出实际上不包括可冻水的饱和水泥石。不包括毛细水（或数量很少）的水泥石，由于凝胶中空间极细微，结晶的始发十分困难，可能并不发生冻结；在通常温度下形成冰量很少，实际上可以认为等于零。人们力图确定水灰比要低到什么数值才不需要采取特别措施（如引气），而仍能保证其抵抗冻融循环的能力。,二、可冻水3 细孔尺寸对冰形成的
3、限制：冰晶的形成和传播要受到毛细孔尺寸各种限制，任何微小毛细孔中的冰晶不仅应小于孔径，并且还应小于孔径扣除两侧吸附水膜后的尺寸。其半径就是在生长尽端冰晶中内接圆球的半径，这个尽端必须钻入孔结构中各部位。,初始冻结时的可冻水只占毛细水一个很小比例，只是百分数的个位数。 在胀缩试验中，初始冰形成导致的膨胀有时未必很大，但后续发生巨大的进展性膨胀。这是枝晶后续生长的结果。,二、可冻水4 形成冰量实测：混凝土在冻结过程中的始发冻结温度及所形成冰量是决定它抵抗冻结损坏的主要因素,如能准确掌握形成冰量就可以推断预言冰害严重程度。,显微量热法测定水泥浆的冰形成是个合理方法，其结论有： 净浆的可冻水量及其始发
4、冰冻温度随着龄期增加，及水灰比（W/C）的降低而降低。对某一净浆而言，随着每一冻融循环进展，可冻水略有增加。 干燥及再饱和处理将增加可冻水量，但随着W/C降低及反复干燥，一再饱和，效应减弱。,二、可冻水5 导电率法：我国学者用导电率法对混凝土试件进行冰形成的试验。试验方法是测试、跟踪混凝土受冻融循环时，其试件中孔隙溶液冰冻时混凝土导电率随冰冻温度的变化。 混凝土的导电是通过孔隙溶液中的金属离子而实现的，冰可看作非导体；当部分孔隙溶液冻结时由于导电的溶液减少，导电率必将下降。因此研究导电率下降，可以推算各温度下已冻结孔隙水数量，即形成冰量。,上述立论是针对普通混凝土而言，高性能混凝土质地较致密，
5、其出现概率最大的孔径要更小些，对应的冰冻温度也下降，冻害严重程度还需进一步研究。,二、可冻水6 冻融过程中的胀缩表现：作为实验手段检测水泥及混凝土在冷却过程中冰冻情形，最常使用胀缩方法，测定试件在冰冻及融解过程中体积的变化。只要试件包含足够水分，首先是初始快速冰冻带来的瞬息膨胀，随后是大量的进展性膨胀，这是原始冰晶（枝晶）后续生长的结果。,图6-2显示饱和水泥石典型试验结果,温度自A点(-0.2)开始逐步下降,整个体系体积均匀收缩(AB直线)：这是正常的温度收缩。在B点(-7.5)体积突然膨胀（陡直直线BC）说明经过或多或少过冷之后，在此点水泥石的内部开始迅速冻结，表现为较集中的膨胀。C点以后
6、继续降温（CD曲线），但坡度不如AB陡削。这一阶段体积绝对值虽是收缩，但如在C点引一线CD和AB平行，做为比较基准（即扣除了收缩部分）可以看出：实际发生了进一步膨胀，即冰冻过程。,自D点(-25)起温度逐步提升（DH曲线），温度每一增长都产生膨胀，直到E点为止。如将AB坡度和曲线比较可知：所产生膨胀低于正常的温度膨胀，说明在此价段发生了冰的逐步融解，导致体积减缩。EF线呈现绝对收缩，说明融解产生的收缩超过了温度膨胀。FG的大量收缩对应集中的冰的融解。G点以上的体积增长单纯来自温度膨胀，GH和AB线平行可说明此点。图中升温（融解）曲线DE和降温（冰冻）的CD不重合说明滞后现象。,三、饱和系数概念
7、及其发展 饱和系数评述：一般把它用作评定砖、石、混凝土材料抗冻性的一个间接指标。在实验时一般根据下式测定饱和系数 S=24h冷水浸泡的吸水率/5h煮沸后的吸水率 式中分子代表水分容易达到的空隙,分母代表容易达到和难达到空隙两部分之和,即全部空隙或开口空隙。,上述公式在实际应用中很便利，但为了说明冰冻作用，可利用下式对饱和系数进行定义： 0S 1 式中：wf为全部水分（或可冻水）体积； 为无水自由空间体积； p= wf+为容器全部空间。,因为水在0冻结时体积膨胀9.07%，所以如有1.09wf p,则体积膨胀V=0,或 这就是说，如果饱和度在此值以下，容器将遗留足够的空间用以消纳冰冻产生的多余体
8、积，不至产生破坏压力，材料将是抗冻的。,这个0.917理论上称为“临界饱和系数”（Scr）。 此处假设容器为脆性，没有膨胀可能。如果容器具有一定韧性能够适当膨胀，临界饱和系数可以超过0.917。 根据上述理论，临界饱和系数似乎标志着材料抗冻与不抗冻的分野。下图正是这一理论的典型体现。,过去常有这样的规定，认为临界饱和系数如在某值，比如说0.80以下，材料将抗冻；数值在0.800.90之间意味着有一定风险；系数大于0.90则永远是不抗冻的同义词。 以上就是密闭容器立论，但是混凝土的情况并非如此简单。在普通混凝土中即使假设最大可能的可冻水，其所产生的多余体积不过混凝土体积的0.9%。可以认为：饱和
9、系数不是抗冻性的可靠指标。,饱和系数学说把材料看作密闭不透水器壁包围的容器,冰冻时含水量不可能发生变动,水分出不去将产生巨大内压。问题在于：硬化水泥石和混凝土并不是密闭容器，作为多孔材料在冰冻过程中多少总有一部分水被挤出，跑到边界以外；多余水不需要全部在本身内部消纳，这就大大减轻了破坏作用。 饱和系数考虑空间只从总体、平均的意义理解问题；而冰冻破坏可能导源于局部地点水流引起的压力。,由于饱和系数不能成为有效的抗冻判据，有人提出了“抗冻度”概念。 材料的抗冻性是三方面变数的函数，即： 材料性质（强度、变形、空隙情况）； 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）； 材料
10、使用方式（暴露给土壤水分的方式及严重程度、自由水及跨越材料的蒸气压梯度与温度梯度等)。,区分这几方面的变数将构成研究这一复杂问题的一个根本方式转变，这样我们就有可能正确预言材料在指定环境中的抗冻能力。 作为判据的抗冻度：抗冻性的材料组分（即材料影响因素）由一种简单实验确定，它对于所有类型及品质的材料都是同样的。其环境组分（即环境影响因素）由完全不同的方法确定（比如通过特定实验）。,这里可以借助于传统的饱和系数概念，材料组分用临界饱和度（Scr）表示，这是试件在冰冻过程中不出现损害而能达到的最大饱水程度。 对应某一临界冰冻效应必然存在一个临界饱和度；吸水超过此值必然在材料内部某处出现裂隙。这种对
11、应关系单纯有材料特性决定，即韧性、渗水性、空隙率、孔径分布及形态等。由此可见，临界饱和度是个材料常数。,环境组分用试件在各种冰冻条件下的实际饱和度（Sact）表示，即材料在寿命全过程中将处于其中的冰冻情形。 困难不在于确定临界饱和度方面，问题在于如何确定使用一段时间后的混凝土的实际饱和水平。,两者密切相关，如果材料在现实条件下的实际饱和度不知道，仅仅知道临界饱和度是毫无意义的。 作为判据，当某材料的临界饱和度很低时,并不足以判断其抗冻性必然恶劣，因为在现场实际达到的饱和度可能更低。,几种冰冻机制及其应用,水压力学说：做一通俗比喻可以设想，在集会散会时，围绕会场出口必然呈现暂时的拥挤。虽然从总体
12、平均意义着眼，会场确实有空间。按照饱和系数学说观点，单纯考虑整体平均情形是不够的，必须细致分析局部实际，有无水流壅塞、压力暂时增长导致破坏的危险。,当冰冻时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反作用力（后坐力），可能导致材料（孔隙器壁）受拉破坏。 材料组织愈致密，对水流阻力愈大：这是由于水流宣泄不及，疏导不畅引起的动水压力。 对于冰冻破坏具有决定意义的是其相邻气泡的距离，即材料体内孔隙大小及其位置分布，这样我们就进入了作为水压力学说精义的临界尺寸的概念。,在其它因素相同的情况下，器壁越厚冰冻产生的最大压力也越大。在给定的冰冻速率下，临界壁厚是器壁材料渗水
13、性、冰冻速率和容器强度的函数。 临界厚度是水压力学说中最重要的概念，水泥浆层只有厚度在某一临界尺寸以内才是安全的。这意味着：在硬化水泥浆中只有距冰冻地点在临界尺寸以内的空间，才是实际有意义能起消纳作用的。临界尺寸越大意味着水泥在抗冻方面越安全。,间距因数：水压力学说和临界尺寸成为指导引气混凝土生产的理论基础。引气的目的在于增多内部逃逸边界，减少浆层厚度，保证气泡间距小于临界尺寸。同样的引气量如果分散成更多的小气泡，更密集些，抗冻效果远比大气泡优良。如间距较大，混凝土会发生膨胀；间距越大，膨胀也越大。,ACI（美国混凝土协会）的“耐久混凝土指南”中说：如果间距因数为0.20mm(所需含气量约为混
14、凝土体积4%6%之间)，或更低一些，混凝土中的水泥净浆在正常情况是会受到保护，免于冻融影响（经过多次冻融循环后耐久性指数达到60%）。 这只是推荐意见，不是规范的要求。,推导间距因素，本意是要从气孔体系实测的参数估算多余水必须移动到达气孔的最大距离，用以和水压力所制约的理论上许可的最大距离比较：这个距离才是我们真正感兴趣的。 有人研究提出：典型的混凝土其净浆含量在0.250.40之间的，最小含气量必须在4%6%之间，这样体内每一点才能十分靠近一个气孔。,显微规模析冰（渗透压或结晶压力学说） 显微规模析冰：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，冰点逐步
15、降低，浓度不断提高。另方面邻近凝胶中水分始终保持不冻，其溶液浓度保持原来水平，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、长大。当毛细孔穴充满冰和溶液时，冰晶进一步长大必将产生膨胀压力，导致破坏。这种导源于浓度差的压力显然是渗透压。 这是一个自发的不可抗拒过程。,毛细孔具有从附近凝胶中吸引未冻水的能力，基本原因在于它的自由能低于凝胶水中的自由能。 混凝土及硬化水泥浆在冰冻过程中不但呈现膨胀，有时还表现收缩（指超出温度收缩以外的纯收缩）；在恒温时有时表
16、现膨胀逐步减小、而收缩持续增加的时间效应，这些可通过渗透压都得到解释。,质量良好的成熟混凝土渗透系数很低，冰冻时很少能有水分进入试件，发展渗透压所需水分全靠混凝土内部已有的供给。事实上显微析冰依靠的恰恰是在某温度未能结冰那部分水分。所以净浆每单位体积中凝胶越多，可供使用的水也就越多。,显微析冰现象以在水泥用量较高的成熟静浆中最易出现，但是作为析冰的开始还需要毛细孔中水已开始冰冻这一条件。 重量水灰比约0.550.80这一范围内，就地冻结的水分对比凝胶所能提供那部分来说，比例很大；此时渗透压不显著：这一类混凝土的冰冻效应主要应归之于水压力机制。 至于新拌混凝土或低强度、高渗透性的硬化混凝土，其冰冻现象用冻胀学说解释最妥。,宏观规模析冰（冻胀现象）：冻胀学说认为，冰冻破坏的基本原因不是由于简单的冰冻膨胀，而主要来自水分的迁移，使得冰晶长大，产生压力。这里说的不是显微规模毛细冰晶，而是肉眼可以看到的巨大冰晶。冰晶的庞大压力促使混凝土路面隆起、破坏。冻胀破坏在外观上突出的特点是，材料体内将出现若干平行的冰夹层，彼此平行而垂直于热流方向。,在冰晶生长过程中，
