摘要:在北方地區,低溫受凍引起的混凝土早期結構破壞嚴重,混凝土強度降低,無法達到設計的強度要求. 筆者對混凝土受凍模式和機制,以及防凍劑的作用機理進行了分析和論述.
關鍵詞:混凝土;受凍模式;防凍劑
中圖分類號: TU 528
文獻標識碼: A
文章編號:100921288 (2006) 0320075204
0 前言
在北方地區,由于常溫施工季節較短,所以一般在初冬時期對未完成的工程,在簡單防護的情況下仍繼續施工,由于施工條件和氣候的多變,使混凝土出現凍害,有時不易及早發現. 通常混凝土出現凍害的情況有以下幾種: ①冬季施工時,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,當氣溫在0～2 ℃時即受凍,強度損失在50 %以上,而且,氣溫達到正溫后強度不再恢復. 所以,規范規定不摻外加劑的混凝土,室外日平均氣溫連續5 天穩定低于5 ℃時,混凝土結構工程應采取冬期施工措施[1 ] ; ②摻有防凍劑的混凝土在負溫下受凍. 下面,以某工程承臺梁為例,研究混凝土的受凍機制和防凍劑的作用機理.
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 日澆筑混凝土時,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度等級測定
受凍混凝土表面有冰紋、螺旋紋、顏色發白、不均勻等現象,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力,混凝土內部有較多大孔隙.用回彈法進行混凝土強度等級的普遍檢測,混凝土強度等級大都在C 10～C 13 之間,個別較差部位低于C 6. 對強度等級低于C 8 部位鑿取塊體試壓,強度等級低于C 6 ,其他部位鑿取塊體試壓,強度等級均為C10. 表面混凝土強度普遍低于設計強度等級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,顏色略發白.回彈法檢測混凝土強度見表1.
3 混凝土在負溫下受凍模式及受凍機理
(1) 混凝土在負溫下硬化并受凍有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,凍前強度等于零. 這種受凍特別對于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,恢復正溫養護后,強度可以重新發展,直到與未受凍基本相同,沒有什么強度損失. C 10～C 15 混凝土立即受凍,凍前強度為0 ,受凍28 天后恢復正常養護,強度仍能達到未受凍前的水平; 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度損失20 %～40 %. 與第一種類型受凍的主要區別在于前者的凍結溫度低,凍結迅速,混凝土中的水分在受凍期間基本上沒有轉移現象,而本類型的受凍特點是凍結溫度較高(0～5 ℃) ,凍結緩慢,混凝土中的水分逐漸轉移. 強度損失的大小,主要取決于水分移動程度; ③受凍模式可以看作水泥水化產生的結構形成作用,已經等于或大于由于冰凍作用產生的結構破壞作用. 水泥與水化合時所產生的水化生成物的體積減小,基本上可以與水結冰體積增大相補償. 在這種情況下,混凝土受凍是可以允許的,其強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到設計強度的混凝土受凍,即混凝土的抗凍性. 這一階段,受凍相當于水泥水化的結晶,其中,受凍破壞機理與第①, ②截然不同.
(2) 混凝土受凍機理. 對于4 種受凍模式,不同的受凍模式有不同的受凍機制.第一種模式是由于水化熱很小,氣溫迅速下降到- 20 ℃或更低,凍結過程迅速,新拌混凝土的凍結特點是沒有水分轉移或基本上沒有水分轉移,因此,基本上沒有強度損失或損失最小.第二種受凍模式的破壞機制與土的凍脹相似. 造成破壞的主要原因并不完全是由于水轉變為冰,在轉變過程體積增大產生的所謂膨脹壓力,而是由于在整個混凝土硬化期間受負溫的影響所造成的水分的移動. 這種移動的結果,引起水分在混凝土中重新分布,并在混凝土內部生成大的冰聚體,造成極為嚴重的物理損害.新成型后的混凝土中間的水分移動. 最初是由于混凝土內部及表面的溫度差引起的. 混凝土構件的冷卻是從混凝土表面開始的,逐漸擴展至混凝土的芯部,低溫區的蒸汽分壓力是較低的,因經水分向表面移動. 介質的溫差為零時,水分轉變為冰,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晶骨架,除此以外,它逐漸減弱混凝土各組分間的粘結力,先使各組分間的粘結力減弱,然后移動水分以冰膜的形式包圍粗骨料及鋼筋的表面,由于毛細管現象,使冰膜逐漸加厚. 當混凝土為密實級配時,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、鋼筋的粘結力. 當混凝土融化時,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性及耐久性. 因此,這種受凍破壞是水分轉移引起的,緩慢受凍是造成水分轉移的良好條件,這就是為什么在- 5 ℃下凍結比在- 20 ℃下凍結強度損失還大的原因.第三種模式的機制是當混凝土達到的臨界強度,此時混凝土中還有小部分拌和水存在,受一次凍結后對抗壓強度沒有什么重大影響,對混凝土的耐久性,特別是抗凍性也不致有破壞作用,多次凍融,其破壞機制同第四種受凍模式.第四種受凍機制是混凝土在飽和水狀態下經多次凍融降低強度或重量. 這種受凍模式,其破壞機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,則在一次凍融循環后應立即破壞. 在飽和水狀態下,混凝土經多次凍融循環之所以未破壞,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構參數和水在這些結構中的飽和程度以及冰在孔隙中生成的動力學性質.
眾所周知,在水泥漿硬化的最初階段生成互相連接的毛細孔隙,其總的容積等于拌和水的容積,當其它條件相同情況下,毛細孔橫截面的平均直徑正比于水灰比.
當混凝土配合比選擇正確,混凝土拌和方法標準時,這些毛細孔的分布是無秩序的,但卻均布于整個混凝土容積內. 水灰比與水泥硬化齡期的關系見表2.當水泥的水化達到一定程度時,互相連接的毛細孔隙,由于被新生成的水化凝膠的占據而遭到破壞,可使毛細孔隙由連續變為間斷的.
當生成上面所述的孔結構時,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
通過對以上混凝土受凍模式及受凍機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呢? 那就是采用抗凍外加劑來實現,這種混凝土稱為負溫混凝土.
根據混凝土在負溫下硬化的基本理論,要保證混凝土在負溫下能夠硬化并獲得強度,首要條件必須有液相存在. 加入抗凍外加劑,使水的冰點下降,是促使混凝土在負溫下硬化的方法.
防凍劑有防凍組分、早強組分、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較低的物質. 所謂最低共熔點是指那些物質與水混合在一起變成該物質的水溶液以后,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冰而溶質晶體也一起析出時的溫度. 例如,亞硝酸鈉其析出固相共熔體即最低共熔點為- 19. 6 ℃,而亞硝酸鈉的最大使用為- 15 ℃,如果繼續加大濃度,則由于水分子數量的減少,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呢? 一般情況下,水在負溫下,其冰晶為堅硬的塊狀晶體,氣泡均勻分布,并有明顯的膨脹紋. 但當加入氯化鈉,亞硝酸鈉等防凍組分時,其冰晶就會有很大的改變,大部分呈枝形層狀和羽狀晶體,每個枝晶(主軸線) 是一個小的單晶體,它向液體中推進,并長出側枝或雙側枝. 這樣無數晶胞構成了枝形層狀晶體,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,液體的濃度就相應的提高一些,這樣又可以保持一定的液態水,這種液態水與冰構成平衡狀態,可繼續促成水泥水化,提高混凝土的后期強度. 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構,呈鱗片狀、樹枝狀、羽狀等結構,層間填充液相體,質地疏松、強度很低,這種結構對混凝土的結構不構成威脅. 當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性,對混凝土質量不利. 如果防凍劑含量過大,水泥的化學活性降低,使水泥顆粒不能充分水化而導致混凝土強度降低;另外,外加劑溶液會在混凝土中發生遷移現象,并可能在構件中的某些部位集中,這些部位多為表面、截面變動處、構件內有缺陷處,然后有結晶析出,并可能使體積增大,在構件內造成局部危害.
另外,我國現行《建筑工程冬期施工規程》(J GJ 104 —97) [2 ]中對于摻防凍劑冬期澆注的混凝土受凍前抗壓強度規定為:當室外最低氣溫為- 15 ℃以內時,不低于4. 0 N/ mm2 ,當室外最低氣溫為- 30 ℃以內時,不低于5. 0 N/ mm2 .
5 結論
通過以上對混凝土受凍模式及受凍機理的分析,以及混凝土冬季施工方法的討論和對防凍劑作用機理的闡述,我們就可以對上述所提及的承臺梁的受凍有了一個更深刻的認識,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,以及施工中忽略了沉淀工序,對水劑樣品沒能檢驗其負溫下的物理性能.
(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.
所以在冬期施工混凝土中應注意以下問題: ①對進入現場的外加劑要抽樣檢驗,合格后方準使用; ②測量混凝土入模、拆模溫度; ③對各種方法養護期間測量混凝土溫度有詳細規定. 除留置試塊外,還必須檢查現場混凝土表面是否受凍、粘結、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,不用堿鹽; ②選用防凍劑的材料應具有綜合功能,即一種材料兼有數種功能,以利于降低摻量; ③防凍劑各組分復合后,具有疊加效應或相互促進作用; ④摻量低,價格合理.
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,又會給企業帶來巨大的經濟效益.
參 考 文 獻
[ 1 ] 項玉璞,曹繼文1 冬期施工手冊〔S〕1 北京:中國建筑工業出版社,2005 :91
[ 2 ] 建筑工程冬期施工規程(J GJ104 - 97)〔S〕1 北京:中國建筑工業出版社,19981
