提高混凝土抗凍耐久性技術(shù)的研究綜述

　　1 前言
　　混凝土的耐久性是混凝土抵抗氣候變化、化學(xué)侵蝕、磨損或任何其它破壞過程的能力，當(dāng)在暴露的環(huán)境中，能耐久的混凝土應(yīng)保持其形態(tài)、質(zhì)量和使用功能?；炷恋哪途眯匝芯績?nèi)容包括:鋼筋銹蝕、化學(xué)腐蝕、凍融破壞、堿集料破壞?；炷恋目箖鲂宰鳛榛炷聊途眯缘囊粋€重要內(nèi)容，在北方寒冷地區(qū)工程中是急待解決的重要問題之一。

　　我國地域遼闊，有相當(dāng)大的部分處于嚴(yán)寒地帶，致使不少水工建筑物發(fā)生了凍融破壞現(xiàn)象。根據(jù)全國水工建筑物耐久性調(diào)查資料，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(qū)。尤其在東北嚴(yán)寒地區(qū)，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(qū)普遍發(fā)現(xiàn)混凝土的凍融破壞現(xiàn)象外，地處較為溫和的華東地區(qū)的混凝土建筑物也發(fā)現(xiàn)有凍融現(xiàn)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(yán)重影響了建筑物的長期使用和安全運(yùn)行，為使這些工程繼續(xù)發(fā)揮作用和效益，各部門每年都耗費(fèi)巨額的維修費(fèi)用，而這些維修費(fèi)用為建設(shè)費(fèi)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(jù)估計(jì)今后每年用于混凝土工程維修和重建的費(fèi)用估計(jì)達(dá)3000億美元。

　　2 外加劑改善抗凍耐久性技術(shù)研究動態(tài)
　　2.1 引氣劑
　　長期的工程實(shí)踐與室內(nèi)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(zhì)，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(nèi)部產(chǎn)生大量的微小穩(wěn)定的封閉氣泡。這些氣泡切斷了部分毛細(xì)管通路能使混凝土結(jié)冰時產(chǎn)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(nèi)部毛細(xì)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(nèi)部具有足夠的含氣量，改善了混凝土內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)，大大提高混凝土的抗凍耐久性。國內(nèi)外的大量研究成果與工程實(shí)踐均表明引氣后混凝土的抗凍性可成倍提高。

　　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(fā)現(xiàn)引氣混凝土，至今已有半個多世紀(jì)。挪威1974 年首次在大壩中使用引氣劑，經(jīng)過20 年運(yùn)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(yán)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(xué)科創(chuàng)始人吳中偉教授，在50年代初期就強(qiáng)調(diào)了混凝土抗凍的重要性，并創(chuàng)先研制了松香熱聚物加氣劑(引氣劑) ，應(yīng)用于治淮水利混凝土工程，開創(chuàng)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(qiáng)度和抗凍耐久性，得出與上述同樣結(jié)論：摻用引氣劑，使混凝土達(dá)到足夠的含氣量要求，可改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)性質(zhì)，并明顯改善混凝土的抗凍耐久性。

　　國內(nèi)外許多學(xué)者研究了影響混凝土抗耐久性的因素，Seibel ，Sellebold ，Malhotra ， Pigen 等人研究表明：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：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(zhì)量及引氣的方法對混凝土抗凍融耐久性影響，得出：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(huán)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(guān)英俊，范沈撫(1990) 討論了提高水工混凝土抗凍耐久性的技術(shù)措施，提出耐凍混凝土必須正確進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，摻優(yōu)質(zhì)引氣劑，減小水灰比，合理選用原材料，還要嚴(yán)格按施工規(guī)范技術(shù)要求施工，加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)。

　　范沈撫(1993) 進(jìn)一步研究得出：混凝土孔結(jié)構(gòu)性質(zhì)是影響混凝土抗凍耐久性的根本所在?；炷恋目箖瞿途眯噪S孔結(jié)構(gòu)性質(zhì)變化而變化，當(dāng)孔間距系數(shù)小于250μm時，混凝土抗凍耐久性指數(shù)基本能達(dá)到60 %以上，即可經(jīng)受300 次快速凍融循環(huán)試驗(yàn)。這一點(diǎn)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(jié)構(gòu)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(shù)的重要概念：即當(dāng)孔間距小于臨界孔間距( < 250μm) 時混凝土是抗凍的。宋擁軍(1999) 認(rèn)為，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(yīng)加大，從而導(dǎo)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(xué)禮，黃土元(1999) 認(rèn)為：合理的氣泡結(jié)構(gòu)是混凝土抗凍耐久性得以真正改善的關(guān)鍵，然而，氣泡體系形成、穩(wěn)定與氣泡結(jié)構(gòu)的建立密不可分，因此高度重視氣泡體系穩(wěn)定性的問題就顯得更加重要。他們根據(jù)國外的研究成果和部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出結(jié)論:影響混凝土中氣泡體系形成與穩(wěn)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(huán)境溫度、攪拌、運(yùn)輸和澆灌技術(shù)等。針對不同環(huán)境條件、不同工程要求的混凝土，必須進(jìn)行適應(yīng)性試驗(yàn)，才能使得硬化混凝土具有設(shè)計(jì)所要求的含氣量和合理的氣泡結(jié)構(gòu)，增進(jìn)了混凝土工程界對引氣劑應(yīng)用技術(shù)的認(rèn)識。由以上眾多學(xué)者的研究表明：混凝土孔結(jié)構(gòu)性質(zhì)是影響混凝土抗凍耐久性及其它性質(zhì)的根本所在。摻引氣劑可以改善混凝土孔結(jié)構(gòu)性質(zhì)，因此，測試硬化混凝土孔結(jié)構(gòu)性質(zhì)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(qiáng)度、耐磨蝕能力等。

　　2.2 減水劑
　　目前，減水劑的應(yīng)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(qiáng)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(yáng)旭等(2000) 研究了在混凝土中摻入高效減水劑可取得的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果如下：(1) 保持和易性不變，可減水25 % ，R28 %提高90 % ，抗?jié)B性提高4～5 倍；(2) 保持和易性不變，節(jié)約水泥25 % ，R28提高26 % ，抗?jié)B性提高2 倍；(3) 保持用水量和水泥用量不變，R28提高27 % ，抗?jié)B性提高3 倍。

　　3 活性的礦物摻合料改善混凝土抗凍耐久性技術(shù)研究動態(tài)
　　混凝土是各種建筑工程上應(yīng)用最廣泛、用量最多的人造建筑材料，目前，我國正處在大規(guī)模的基礎(chǔ)建設(shè)時期，對混凝土的需求量也就更大。因此，有效地降低混凝土的成本，提高混凝土的各項(xiàng)技術(shù)性能，對于充分利用有限的投資，延長混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命，減少自然資源的消耗，保護(hù)生態(tài)平衡，有著非常巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

　　在混凝土的基本組成材料中，水泥的價格最貴，因此，在滿足對混凝土質(zhì)量要求的前提下，單位體積混凝土的水泥用量愈少愈經(jīng)濟(jì)。因此，用一些具有活性的摻和料(硅粉、礦渣、粉煤灰) 來替代一部分水泥正在被廣泛的應(yīng)用。

　　3.1 硅粉的摻入
　　近年來，硅粉混凝土也已應(yīng)用于混凝土工程各個領(lǐng)域，其抗凍耐久性問題已引起人們的普遍重視，在丹麥、美國、挪威等國家，硅粉作為混凝土混合材已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。但關(guān)于硅粉混凝土的抗凍耐久性，各國學(xué)者結(jié)論各異。

　　日本的Yamato 等人通過試驗(yàn)得出結(jié)果：非引氣混凝土當(dāng)水/ (水泥+ 硅粉)=0.25，不管硅粉的摻量如何，皆具有良好的抗凍耐久性。加拿大的Malhotra 等人通過試驗(yàn)得出:引氣硅粉混凝土不管水灰比多少，硅粉摻量15%以下時都具有較高的抗凍耐久性。我國學(xué)者丁雁飛，孫景進(jìn)(1991) 通過實(shí)驗(yàn)探討了硅粉對混凝土抗凍耐久性的影響，得出結(jié)論：非引氣硅粉混凝土的抗凍耐久性與基準(zhǔn)混凝土比較，在膠結(jié)材總量相同，塌落度不變的條件下，非引氣硅粉混凝土的抗凍能力高。范沈撫(1990) 得出：在相同含氣量的情況下，摻15 %的硅粉混凝土比不摻硅粉的基準(zhǔn)混凝土，氣孔結(jié)構(gòu)有很大的改善。硅粉對抗凍耐久性有顯著的效果，但硅粉的產(chǎn)量有限而且成本較高。

　　3.2 礦渣的摻入
　　磨細(xì)礦渣與混凝土內(nèi)水泥水化生成的Ca(OH)₂結(jié)合具有潛在的活性，但磨細(xì)礦渣對提高混凝土的抗凍融性目前也不少研究。張德思，成秀珍(1999)通過試驗(yàn)得出結(jié)論：隨著礦渣摻量的增加，其混凝土的抗凍融性能愈差，但摻合比例合適時，抗凍性能與普通混凝土相比有較大改善。

　　3.3 粉煤灰的摻入
　　國內(nèi)外粉煤灰應(yīng)用已有幾十年的歷史。最早研究粉煤灰在混凝土中應(yīng)用的是美國加洲理工學(xué)院的R. E.Davis：1993 年他首次發(fā)表了關(guān)于粉煤灰用于混凝土的研究報(bào)告。到本世紀(jì)五、六十年代，粉煤灰作為一種工業(yè)廢料，其活性性能被進(jìn)一步研究和推廣，不僅僅是為了節(jié)約水泥，更主要是為了改善和提高混凝土的性能。美國加洲大學(xué)Mehta 教授指出，應(yīng)用大摻量粉煤灰(或磨細(xì)礦渣) ，是今后混凝土技術(shù)進(jìn)展最有效、也是最經(jīng)濟(jì)的途徑。