摘要: 混凝土的強度關系到混凝土結構的可靠性,而混凝土的可靠性又直接關系到工程的壽命。因此,做好混凝土的冬季防凍具有重要意義。根據工程實踐, 從多方面分析了混凝土受凍害損傷的有關原因,論述了在施工實踐中應當采取的抗凍施工措施,并詳細介紹了混凝土冬季施工的基本要求。
關鍵詞: 混凝土防凍; 冬季施工; 實踐措施
中圖分類號: TV521 文獻標識碼: C 文章編號: 1004- 7328( 2008) 01- 0048- 02
混凝土受凍害損傷可以分為2種情況: 一是由于凍融循環引起的混凝土表面材料的損傷———剝落脫皮; 二是表面沒有可見效應而在混凝土內部產生的損害———內部損傷, 這種內部損傷可導致混凝土性質改變( 如動彈性模量降低) 。而新拌混凝土受凍害損傷后則會導致混凝土凍脹破壞。
1 混凝土受凍害損傷有關原因
1.1 新拌混凝土受凍害損傷的原因
新拌混凝土的強度低、空隙率高、含水多, 極易發生凍脹破壞。凍脹破壞的外觀特征是材料體內出現若干的冰夾層, 彼此平行而垂直于熱流方向。其過程為: 結構物表面降溫冷卻時, 冷流向材料體內延伸, 在深處某水平位置開始凍結, 一般從較粗大孔穴中開始, 冰晶形成后從間隙吸水, 發育增長, 且是不可逆轉的過程, 水分從材料未凍水或從外部水源補給, 并進行宏觀規模的移動。第一層孔穴中冰凍后,在冰晶生長的過程中, 材料質體受到拉應力, 如果超過抗拉強度即破壞。
1.2 成熟混凝土受凍害損傷的原因
混凝土構件中的孔徑分為3個范疇, 即凝膠孔、毛細孔及氣泡。在某一固定負溫下混凝土構件中水分只有一部分是可凍水, 可凍水產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孔中, 凝膠水由于表面的強大作用不可能就地凍結, 氣泡水易凍結。混凝土構件中各種孔徑的空隙可認為連續分布, 分布在這些空隙中的水在降溫過程中將按順序逐步凍結。凍水一般是溫度的逆函數,溫度愈低, 可凍水愈多。
隨著水化進展凝膠體生成, 網絡的聯系被破壞、分成個別孤立的毛細孔( 水在其中凍結的容器) , 而凝膠連同其特征性凝膠孔和少數細小毛孔就構成透水器壁。隨著水化深入、材料質地致密及溫度的下降, 將有更多細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。
當冰凍多余水受水壓力推動向附近氣泡( 逃逸邊界) 排除時, 材料本身將受到推移水分前進的后應反作用力導致受拉破壞。材料組織愈致密水流宣泄不及, 疏導不暢引起的動水壓力增大。
水泥漿中包含的一般是鹽類稀溶液, 一旦冰凍后變為純冰和濃度更高的溶液, 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, 于是在毛細孔溶液和凝膠水之間出現濃度差。濃度差使得溶劑向溶液中自發擴散滲透, 即溶質向凝膠水中擴散, 而凝膠水向毛細孔中濃溶液轉移。其結果毛細孔中水分增加, 和冰接觸的溶液稀釋, 冰晶逐漸生長。當毛細孔穴充滿冰和溶液時, 冰晶進一步生長必將產生膨脹壓力, 導致破壞。
另一方面, 在水壓的情況下, 水分凍結膨脹, 多余水在壓力推動下外流, 流向可能消納水分的未凍地點, 作為水流的結果壓力消失。析冰情況正好相反: 水分不是從冰凍地點外流, 而是從未凍地點( 凝膠) 流向已凍冰地點( 毛細孔) , 方向恰好相反。未凍地點的水移動一定距離后, 最后以冰凍結束, 作為水流運動的結果產生壓力。
以上2點可以綜合為: 第一階段毛細孔中始發的冰凍, 向所有方向產生的水壓力引起內應力; 第二階段較大毛細孔中水分首先生成冰晶, 可從小孔中吸引未凍結水使自身增長, 產生靜應力。
骨料作為一個組分, 如果冰凍膨脹同樣會成為導致混凝土破裂的應力來源。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。從這個意義上來說, 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域, 此時將因超過骨料破裂強度的內部水壓力而破裂, 這就是臨界儲存效應。凡屬中等吸水、細孔結構、滲透較低的巖石, 這種危險較突出; 空隙多、滲透性強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。根據施工經驗應避免使用高度吸水骨料, 小顆粒石粒可以得到較大抗凍保證。
綜上所述, 混凝土材料的抗凍性是以下三方面的變函數,即: ①材料的性質( 強度、變形、空隙情況) 。②氣候條件( 凍融循環次數、最低溫度、降溫速度、降水量、空氣相對濕度等) 。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) 。區分這幾方面變數, 我們就有可能正確預言材料在指定環境中的抗凍能力。
2 抗凍理論在工程上的應用
2.1 根據材料的抗凍性, 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部水溶液冰點以及干擾冰晶生長, 有效保護未成熟混凝土不受凍脹破壞, 在負溫條件下能夠繼續水化。
( 2) 摻用引氣劑, 引氣不僅在表面無冰時減輕大體積冰凍的出現, 并且在過程中也減輕了冰擠出的損害, 消納更多的毛細孔中冰凍所產生的多余體積,有助于保護成熟混凝土免于傷害。
( 3) 配合比設計采用高效減水劑, 盡量降低水灰比并經過充分水化, 就有可能做出實際上不包含可凍水的飽和混凝土構件。不包含毛細水( 或數量很少) 的混凝土構件, 由于凝膠中空間極微細, 結晶的始發十分困難, 并不發生凍結, 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構冬季施工中, 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, 強度達到設計強度后采取棉氈包裹繼續保溫, 以延長混凝土養護周期, 保證成熟混凝土充分水化, 盡量降低構件毛細水含量, 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備保溫: 為避免入冬以后進料困難、砂石料在料場或運輸過程中受凍, 砂石料應在入冬前組織進場。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, 同時防止出現冰雪、凍塊進入攪拌機內, 給混凝土溫度帶來損失; 防止過大的凍塊堵塞砂石料輸送帶; 防止部分凍塊進入攪拌機內會很難被粉碎、溶化, 嚴重影響混凝土質量;水泥、外加劑應在庫房或暖棚內進行保溫, 禁止對其進行直接加溫; 冬季溫度過低, 應提前做好水源儲備并防止污染。
( 2) 混凝土拌和料的加溫: 在對攪拌站搭設溫棚保溫、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混凝土拌和物混合溫度和計算控制。
( 3) 混凝土的拌和: 混凝土拌和料的投料順序為: ①砂石料進拌和機加90%的水進行攪拌1 min。②水泥、外加劑進拌和機進行攪拌1.5 min以上并補充剩余10%的水分。砂石料與水泥、外加劑分開進料斗, 必須以此防止水泥、外加劑接觸熱水發生水泥“假凝”現象。拌和時間適當延長, 以防止出現混凝土外觀質量、和易性和施工性能差的問題。
( 4) 混凝土的運輸: 各種混凝土運輸車、輸送泵以及管道在使用前必須用熱水清洗加溫, 保證運輸過程順暢、運輸速度快速。混凝土泵安裝后要加保溫采暖棚, 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凍結、影響暢通。
( 5) 混凝土的澆筑: 舊混凝土要沖洗干凈并進行加溫, 包括模板、鋼筋均必須采取有效措施如暖棚進行加溫至10℃以上方可進行混凝土澆筑, 盡量減少因施工操作引起的混凝土拌和物溫度損失。
( 6) 混凝土的溫度監控: 要建立溫度檢測制度,建立完整的檢測記錄。在冬季施工中, 要選用具有防凍、引氣、減水等功能的復合性外加劑, 采用5～25mm連續級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, 滿足現場施工的要求。
