影響混凝土抗凍性的主要因素

1•↟、含氣量
  在混凝土中加入一定量的引氣劑╃•▩·,可使混凝土中形成一些細小的圓形封閉氣孔╃•▩·,進一步提高混凝土的流動性╃•▩·,減少拌合物的離析和泌水╃•▩·,提高混凝土的均勻性╃•▩·,改善混凝土的耐久性(抗滲性•↟、抗凍性)•│↟╃•。在美國•↟、日本•↟、加拿大等國家╃•▩·,引氣劑在混凝土中的使用是很普遍的╃•▩·,甚至也用於高強混凝土中•│↟╃•。摻入引氣劑是提高混凝土含氣量有效途經╃•▩·,以達到提高抗凍耐久性的目的•│↟╃•。因此╃•▩·,含氣量也是影響混凝土抗凍性的主要因素•│↟╃•。為使混凝土具有較好的抗凍性╃•▩·,其最佳含氣量約為5%-6%•│↟╃•。混凝土中加入引氣劑產生了均勻穩定•↟、互不相通的微小氣泡╃•▩·,這些互不連通的微細氣孔不僅部分阻斷了混凝土內的開口連通孔隙╃•▩·,同時在混凝土孔隙中的自由水凍結膨脹時╃•▩·,能使毛細孔中的靜水壓力減小╃•▩·,即起到減壓作用•│↟╃•。在混凝土受凍結冰過程中╃•▩·,這些孔隙可阻止或抑制水泥漿中微小冰體的生成•│↟╃•。在混凝土中必須保證氣孔的均勻分佈╃•▩·,這樣才能使混凝土具有較好的抗凍性•│↟╃•。
  在混凝土中平均孔隙間距隨含氣量增加而減小╃•▩·,在最佳含氣量條件下╃•▩·,孔隙間距將會防止凍融造成的壓力過大•│↟╃•。實驗表明╃•▩·,當混凝土含氣量超過6%後╃•▩·,抗凍性不再提高[2]•│↟╃•。
2•↟、水灰比
  混凝土的抗凍性主要取決於混凝土的水灰比及含氣量╃•▩·,由於含氣量取決於骨料最大粒徑╃•▩·,也可以說╃•▩·,當混凝土的含氣量滿足骨料最大粒徑的要求時╃•▩·,混凝土的抗凍性取決於混凝土的水灰比•│↟╃•。嚴格限制混凝土的水灰比對於保證較高的抗凍性仍然是十分必要的•│↟╃•。水灰比不僅直接影響混凝土的孔隙率及結構╃•▩·,還間接影響混凝土各種效能(強度•↟、耐久性等)•│↟╃•。在同樣良好成型條件下╃•▩·,水灰比不同╃•▩·,混凝土密實程度•↟、孔隙結構也不同╃•▩·,其抗凍效能也不同•│↟╃•。在含氣量基本相同的條件下╃•▩·,水灰比愈大╃•▩·,混凝土中氣泡平均尺寸及其間距均增大╃•▩·,此時在水泥漿中可凍水的含量也相應增大╃•▩·,從而導致混凝土的抗凍性顯著下降•│↟╃•。反之╃•▩·,水灰比愈小╃•▩·,氣泡平均尺寸也隨之減小╃•▩·,氣泡個數增加╃•▩·,可以大大提高混凝土的抗凍性•│↟╃•。因此╃•▩·,為提高混凝土的抗凍性╃•▩·,必須嚴格控制水灰比•│↟╃•。
3•↟、粉煤灰
  隨著混凝土材料科學的發展╃•▩·,粉煤灰在混凝土中應用越來越廣泛•│↟╃•。粉煤灰由於其化學成分•↟、礦物組分及顆粒形態等特徵╃•▩·,在混凝土中主要產生三大效應╃•▩·,即活性效應(火山灰效應)•↟、形態效應及微集料效應[3]•│↟╃•。
  (1)活性效應可以降低混凝土中Ca(OH)2濃度╃•▩·,其不僅減弱了溶析導致的混凝土內部微觀結構的劣化;而且經過二次水化反應消耗了混凝土中薄弱的Ca(OH)2結晶╃•▩·,使混凝土內部孔隙率得到降低╃•▩·,不但改善了混凝土孔結構╃•▩·,還提高了混凝土的密實性•│↟╃•。
  (2)形態效應有利於減少混凝土用水量╃•▩·,這是由於粉煤灰的小球形顆粒形狀在骨料之間起到填充和潤滑作用╃•▩·,提高混凝土的流動性╃•▩·,此外╃•▩·,細小粉煤灰顆粒有助於水充分地散開╃•▩·,提高混凝土的保水性╃•▩·,防止泌水╃•▩·,從而可以減低了水灰比╃•▩·,提高混凝土的密實度•│↟╃•。
  (3)微集料效應使混凝土內部空隙細化╃•▩·,增強混凝土的密實性•│↟╃•。
  由此可見╃•▩·,混凝土中摻入粉煤灰可以有效降低水灰比•↟、細化混凝土內部空隙╃•▩·,提高其密實性╃•▩·,從而減少了有害孔的相對數量╃•▩·,提高混凝土的抗凍效能•│↟╃•。然而╃•▩·,混凝土中的粉煤灰含量應該存在一個最佳含量值╃•▩·,當粉煤灰摻量過大時╃•▩·,由於粉煤灰的容重小於水泥的╃•▩·,大約為水泥的2/3╃•▩·,將使得膠凝材料的體積增大╃•▩·,體積增大必將導致混凝土表面吸附水的增加╃•▩·,使其流動性降低╃•▩·,混凝土不能夠很好的密實╃•▩·,混凝土密實性下降╃•▩·,使得環境中的水容易進入╃•▩·,混凝土的抗凍效能自然會降低•│↟╃•。由於混凝土中摻入適量的粉煤灰╃•▩·,可以提高混凝土的密實度•↟、保水性╃•▩·,降低了水灰比╃•▩·,根據混凝土凍融破壞機理╃•▩·,當混凝土飽水程度較低時╃•▩·,混凝土在凍融迴圈過程中的破壞應當很小•│↟╃•。故摻加了粉煤灰的混凝土抗凍性較好•│↟╃•。

4•↟、矽粉的填充性和火山灰活性
矽粉具有獨特的細度,無定型的SiO2含量高,這使其適於代替一部分膠凝材料,小的球狀矽粉填充於水泥顆粒之間,使膠凝材料具有更好的級配•│↟╃•。矽粉提高混凝土強度的關鍵在於提高了水泥漿體與集料之間的粘結強度•│↟╃•。矽粉的作用為降低泌水•↟、防止水分在集料下表面凝聚,從而提高介面過渡區的密實度和減小介面過渡區的厚度,矽粉與粉煤灰一樣,具有火山灰活性•│↟╃•。矽粉含有大量的非晶質矽和超細粉末,在水泥水化初期與Ca(OH)2反應,生成C―S―H凝膠,使混凝土中的鈣矽比降低,從而提高了混凝土的強度•│↟╃•。
  矽粉摻入水泥石中,填充了水泥漿部分微細空隙,減小了水泥中的孔隙率,使水泥石緻密化,提高了強度,降低了透水性和透氣性•│↟╃•。由壓汞法測定,在摻入矽粉的水泥石中,0.1μm以上的大孔徑數量有所降低•│↟╃•。
5•↟、水飽和度
  混凝土的凍融破壞還與其飽水程度密切相關•│↟╃•。冰凍破壞主要是由於混凝土中水份結冰產生的膨脹應力╃•▩·,一般認為含水量小於孔隙總體積的91.7%就不會產生凍結膨脹壓力╃•▩·,在混凝土完全飽水狀態下╃•▩·,其凍結膨脹壓力最大•│↟╃•。因此溼凍(完全水飽和)要比干凍的破壞作用大得多•│↟╃•。混凝土的飽水狀態主要與混凝土結構的部位及其所處的自然環境有關•│↟╃•。經常處於潮溼環境下的混凝土╃•▩·,其含水量明顯高於處於大氣中的混凝土•│↟╃•。然而╃•▩·,最容易發生凍融破壞是位於水位變化區的混凝土╃•▩·,此處的混凝上經常處於乾溼交替變化的環境中╃•▩·,受凍時極易破壞•│↟╃•。此外╃•▩·,由於處在一定環境下的混凝土╃•▩·,其表面含水率通常大於其內部的含水率╃•▩·,因此凍害往往是由表層開始逐步深入發展的•│↟╃•。

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