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1、提高混凝土抗冻耐久性技术的研究综述摘要：本文针对北方寒冷地区混凝土冻融破坏 问题， 扼要综述了国内外混凝土抗冻耐久性技术的 研究 动态，叙 述了利用矿物掺合料和复合掺入混合料是改善混凝土抗冻耐 久性的有效措施。关键词：混凝土耐久性 冻融破坏 矿物掺合料1 前言混凝土的耐久性是混凝土抵抗气候变化、化学侵蚀、磨损或任何其它破坏过程的能力，当在暴露的环境中， 能耐久的混凝土应保持其形态、质量和使用功能。混凝土的 耐久性研究内容包括：钢筋锈蚀、化学腐蚀、冻融破坏、 碱集料破坏。混凝土的抗冻性作为混凝土耐久性的一个重要 内容，在北方寒冷地区工程中是急待解决的重要问题之一。我国地域辽阔，有相当大的部分处于
2、严寒地带，致使不少水 工建筑物发生了冻融破坏现象。根据全国水工建筑物耐久性 调查资料1 1 ，在32座大型混凝土坝工程、40余座 中小型工程中，22 %的大坝和21 %的中小型水工建筑物存在 冻融破坏问题，大坝混凝土的冻融破坏主要集中在东北、华 北、西北地区。尤其在东北严寒地区，兴建的水工混凝土建 筑物，几乎100 %工程局部或大面积地遭受不同程度的冻融破 坏。除三北地区普遍发现混凝土的冻融破坏现象外，地处较 为温和的华东地区的混凝土建筑物也发现有冻融现象。因此，混凝土的冻融破坏是我国建筑物老化病害的主要问题 之一，严重影响了建筑物的长期使用和安全运行，为使这 些工程继续发挥作用和效益，各部门
3、每年都耗费巨额的维修 费用，而这些维修费用为建设费用的13倍。美国投入混 凝土基建工程的总造价为16万亿美元,据估计今后每年用于 混凝土工程维修和重建的费用估计达3000亿美元2 。2 外加剂改善抗冻耐久性技术研究动态 2. 1 引气 剂 长期的工程实践与室内研究资料表明：提高混凝土抗 冻耐久性的一个十分重要而有效的措施是在混凝土拌合物中 掺入一定量的引气剂。引气剂是具有增水作用的表面活性物质，它可以明显的降低混凝土拌合水的表面张力和表面能， 使混凝土内部产生大量的微小稳定的封闭气泡。这些气泡切 断了部分毛细管通路能使混凝土结冰时产生的膨胀压力得到 缓解，不使混凝土遭到破坏，起到缓冲减压的作用
4、。这些气 泡可以阻断混凝土内部毛细管与外界的通路，使外界水份不 易浸入，减少了混凝土的渗透性。同时大量的气泡还能起到 润滑作用，改善混凝土和易性。因此，掺用引气剂，使混凝 土内部具有足够的含气量，改善了混凝土内部的孔结构，大 大提高混凝土的抗冻耐久性。国内外的大量研究成果与工程 实践均表明引气后混凝土的抗冻性可成倍提高3 4 5。美国是最早开始研究引气剂的国家，自1934年在美国堪萨斯州与纽约州道路工程施工中发现引气混凝土， 至今已有半个多世纪。挪威6 1974年首次在大坝中使用 引气剂，经过20年运行后,掺引气剂的混凝土表面完好无损, 而未掺引气剂的混凝土则已遭受较严重的冻融破坏。我国这 方
5、面的工作始于50年代。我国混凝土学科创始人吴中伟教 授，在50年代初期就强调了混凝土抗冻的重要性，并创先研 制了松香热聚物加气剂（引气剂），应用于治淮水利混凝土工程，开创了我国采用引气剂而提高混凝土抗冻耐久性的先 河。范沈抚(1991年)分析了掺引气剂混凝土的抗压强度和 抗冻耐久性，得出与上述同样结论7 ：掺用引气剂，使 混凝土达到足够的含气量要求，可改善混凝土的孔结构性质, 并明显改善混凝土的抗冻耐久性。国内外许多学者研究了影响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 土的含气量、临界气泡间距、水灰比、
6、骨料、临界饱水度和 降温速度等因素综合决定了混凝土的抗冻耐久性能。Stark and Ludwig ( 1993 )提出11 ：水泥熟料中C 3 A的含 量的增加会提高其混凝土的抗冻耐久性，但会降低混凝土抵 抗盐冻能力。Osama A. Mohamed(1998)研究了水泥品种，引 气剂质量及引气的方法对混凝土抗冻融耐久性影响，得出 12 :引气能显著提高混凝土的抗冻融性，然而，长期处 于冻融循环的混凝土的抗冻能力则取决于天气的恶劣程度及 冻融周期的频率。关英俊，范沈抚13 (1990)讨论了提 高水工混凝土抗冻耐久性的技术措施，提出耐冻混凝土必须 正确进行配合比设计，掺优质引气剂，减小水灰比
7、，合理选用原材料，还要严格按施工规范技术要求施工，加强养护。 范沈抚14 (1993)进一步研究得出：混凝土孔结构性质 是影响混凝上抗冻耐久性的根木所在。混凝上的抗冻耐久性 随孔结构性质变化而变化，当孔间距系数小于250 um时，混 凝土抗冻耐久性指数基本能达到60 %以上，即可经受300次 快速冻融循环试验。这一点与Powers的临界孔间距概念相 符：早在50年代，鲍尔斯(T. C. Powers)等人首先开展了 掺引气剂硬化混凝土孔结构的测试分析研究，并提出了满足 混凝土抗冻耐久性要求的孔间距系数的重要概念：即当孔间 距小于临界孔间距(250u m)时混凝土是抗冻的。宋拥军 (1999)认
8、为15,只要引气量合适，普通混凝土均能获 得较高的抗冻耐久性。引气混凝土中气泡平均尺寸及其间距 随水灰比的增大而加大，同时水泥浆中可冻水的百分率也相 应加大，从而导致混凝土抗冻耐久性的显著下降，因此，不 能忽视对水灰比的限制。朱蕾蓉，吴学礼，黄土元(1999)认为16：合理的气泡结构是混凝土抗冻耐久性得以真正 改善的关键，然而，气泡体系形成、稳定与气泡结构的建立 密不可分，因此高度重视气泡体系稳定性的问题就显得更加重要。他们根据国外的研究成果和部分实验结果得出结论:影 响混凝土中气泡体系形成与稳定性的因素有混凝土各组成材料、混凝土配合比、拌合物特性以及外界条件，如环境温度、搅拌、运输和浇灌技术
9、等。针对不同环境条件、不同工程要求的混凝土，必须进行适应性试验，才能使得硬化混凝土具 有设计所要求的含气量和合理的气泡结构，增进了混凝土工 程界对引气剂应用技术的认识。由以上众多学者的研究表 明：混凝土孔结构性质是影响混凝土抗冻耐久性及其它性质的根本所在。掺引气剂可以改善混凝土孔结构性质，因此， 测试硬化混凝土孔结构性质是研究混凝土抗冻耐久性能的有 效途径和方法之一。引气剂的掺入虽然是提高混凝土抗冻 耐久性最有效的手段，但引气剂的掺入同时会引起混凝土其 它性能降低，如强度、耐磨蚀能力等。2. 2 减水剂目前，减水剂的应用也成为混凝土不可缺少的组份，使用减 水剂可以大幅度降低混凝土的水灰比(水胶
10、比)，提高混凝 土的强度和致密性，使混凝土抵抗冻融破坏的能力提高，从 而提高混凝土的抗冻耐久性。迟培云，李金波，扬旭等(2000) 研究了在混凝土中掺入高效减水剂可取得的技术 经济 效果 如下17 ： （1）保持和易性不变，可减水25 % , R28 % 提高90 % ,抗渗性提高45倍；（2）保持和易性不变，节 约水泥25 % ,日28提高26% ,抗渗性提高2倍；（3）保持 用水量和水泥用量不变，R28提高27 % ,抗渗性提高3倍。3 活性的矿物掺合料改善混凝土抗冻耐久性技术研究 动态 混凝土是各种建筑工程上应用最广泛、用量最多 的人造建筑材料，目前，我国正处在大规模的基础建设时 期，对
11、混凝土的需求量也就更大。因此，有效地降低混凝土 的成本，提高混凝土的各项技术性能，对于充分利用有限的 投资，延长混凝土结构的使用寿命，减少自然资源的消耗, 保护生态平衡，有着非常巨大的经济 效益和 社会 效益。在混凝土的基本组成材料中，水泥的价格最贵，因此，在满 足对混凝土质量要求的前提下，单位体积混凝土的水泥用量 愈少愈经济。因此，用一些具有活性的掺和料（硅粉、矿渣、 粉煤灰）来替代一部分水泥正在被广泛的应用。 3. 1 硅粉的掺入 近年来，硅粉混凝土也已应用于混凝土工程 各个领域，其抗冻耐久性问题已引起人们的普遍重视，在 丹麦、美国、挪威等国家，硅粉作为混凝土混合材己经得到 了广泛的应用。
12、但关于硅粉混凝土的抗冻耐久性，各国学者 结论各异。 日本的Yamato等人18 通过试验得出结 果：非引气混凝土当水/ (水泥+硅粉)=0. 25 ,不管硅粉 的掺量如何，皆具有良好的抗冻耐久性。加拿大的Malhotra 等人19 20 通过试验得出：引气硅粉混凝土不管水灰 比多少，硅粉掺量15 %以下时都具有较高的抗冻耐久性。我 国学者丁雁飞，孙景进(1991)通过实验探讨了硅粉对混凝土 抗冻耐久性的 影响，得出结论21 :非引气硅粉混凝 土的抗冻耐久性与基准混凝土比较，在胶结材总量相同，塌 落度不变的条件_下，非引气硅粉混凝土的抗冻能力高。范沈 抚(1990)得出22:在相同含气量的情况下
13、，掺15 %的硅 粉混凝土比不掺硅粉的基准混凝土，气孔结构有很大的改善。 硅粉对抗冻耐久性有显著的效果，但硅粉的产量有限而且成 本较高。 3. 2 矿渣的掺入 磨细矿渣与混凝土内水 泥水化生成的Ca (OH) 2结合具有潜在的活性，但磨细矿渣 对提高混凝土的抗冻融性目前也不少研究。张德思，成秀珍 (1999)通过试验得出结论23 :随着矿渣掺量的增加， 其混凝土的抗冻融性能愈差，但掺合比例合适时，抗冻性能与普通混凝土相比有较大改善O3. 3粉煤灰的掺入国内外粉煤灰应用已有几十年的历史。最早研究粉煤灰在 混凝土中应用的是美国加洲理工学院的R. E. Davis , 1993 年他首次发表了关于粉
14、煤灰用于混凝土的研究报告。到本世 纪五、六十年代，粉煤灰作为一种工业废料，其活性性能 被进一步研究和推广，不仅仅是为了节约水泥，更主要是为 了改善和提高混凝土的性能。美国加洲大学Mehta教授指出 24 ,应用大掺量粉煤灰(或磨细矿渣)，是今后混凝土 技术进展最有效、也是最经济的途径。国内外有关资料表 明25 26 :粉煤灰混凝土的抗冻能力随粉煤灰掺量 的增加而降低，和相同强度等级的普通混凝土相比较，28d龄 期的粉煤混凝土试件抗冻耐久性试验结果偏低，随着粉煤灰 混凝土技术的深入研究和发展，引气粉煤灰混凝土的抗冻 耐久性研究巳越来越多地引起人们的关注。LinhuaJiang等 学者27 (20
15、0 0)通过研究高掺量粉煤灰混凝土水化作用 得出：粉煤灰的掺量和水灰比影响了高掺量粉煤灰混凝土的 孔结构，并且随看掺量和水灰比的增加而孔隙率增加，但随 时间的延长，孔隙率会下降。这是因为粉煤灰的掺入改善了 混凝土的孔尺寸，但最大掺量不得超过70 %。游有弱、缪昌 文、慕儒等28 (2000)对粉煤灰高性能混凝土抗冻耐久 性的研究表明：水胶比在0. 25 - 0. 27范围内，随着粉煤灰 内掺量的提高，不掺引气剂，混凝土抗冻耐久性随粉煤灰增 加而增加。当掺引气剂后，混凝土抗冻耐久性有先升后降的 趋势，既存在最佳的粉煤灰掺量为30%。习志臻(1999)认为 29 :相对于许多混凝土而言，粉煤灰高性
16、能混凝土提高 了混凝土的抗渗、抗冻、抗碳化能力。田倩、孙伟30 (1997) 讨论了掺入硅灰、超细粉煤灰及两者的复合物对抗冻耐久性 能的影响以及钢纤维的阻裂效应对混凝土抗冻耐久性能的作 用。实验证明：当超细粉煤灰与硅灰相掺时，提高抗冻耐久性 的效果尤为显著，其冻融循环300次以后，动弹性模量与重 量基本无变化，而钢纤维的进一步复合有利于混凝土抗冻耐 久性的改善。由此可见，双掺或多掺矿物的复合效应对混凝 土抗冻耐久性的提高是值得研究的课题。 4 高强混凝 土抗冻融技术现状 目前，高强度混凝土已在工程中得到 广泛应用，但是，由于理论上认为高强度混凝土应具有较 高的抗冻能力，所以对高强度混凝土的抗冻性的研究并不多。 由于试验结果限制，高强混凝土本身抗冻融能力仍有争论。 Marchand et al . (1995)
