冻融对混凝土结构的劣化破坏

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1、混凝土结构冻融破坏研究桥梁与隧道工程1210摘要：本文主要介绍了混凝土宏观和微观冻融的机理、混凝土构件冻融影响因素，通过对冻融破坏机理和影响因素分析，提出提高混凝土的抗冻性的对策绪论混凝土冻融破坏是由于混凝土中的游离水受冻结冰后体积膨胀，在混凝土内部产生应力，由于反复作用或内应力超过混凝土抵抗强度致使混凝土破坏。建筑材料的冻融行为，贯穿于人类社会的整个时代。也就是说，有了人类社会，就有了材料与结构的冻融行为。这对结构的维护和管理，无疑是一个很大的问题。在工业发展的过程中，对建筑材料的抗冻融抗除冰盐冻融的性能，进行了大量的摸索，

2、建立了快速评价的经济方法。在此基础上又开展了混凝土冻融劣化、除冰盐冻融劣化机理研究。混凝土冻融的机理发生了宏观的应力热膨胀系数不同构成混凝土的水泥石和集料的热膨胀系数aT是很不同的,其在潮湿状态，水泥石和集料可能有不同点表1-1水泥石和集料的热膨胀系数水泥石矿渣水泥硅酸盐水泥干燥，相对湿度30%9~10.69.4~10.5气干，相对湿度65%15.8~17.320.7~24.4饱水，相对湿度100%9.3~1010.2~11集料石灰石3.5~6.5石英10~12.5水泥石和冰的热膨胀不同而产生应力，在微小范围内，多次冻融循环进

3、行过程中有可能适应力进一步增长。水泥石和冰的不同热膨胀系数，清楚的显示出冻害劣化作用。通过扫描电镜检验，也证明了产生的应力使组织结构劣化。层状的冻结混凝土结构处于低温下，毛细管中的水分由热端向冷端迁移，也就是由内部向表面迁移。在受冻时混凝土表层先受冻，形成结冰层。在经过多次冻融循环下，混凝土表面发生剥离，又露出新的表面层，进一步剥离。这种部分的很大很深的剥落，是过去海水作用海岸钢筋混凝土结构物特有的一种冻融裂化形式。温度急降的结果除冰盐把雪和冰溶解时必须要有一定的热量。在混凝土道路上，在无风干燥的空气下也会有1000倍的蓄热量

4、。故冰雪溶解时所需要的热量，混凝土表层温度急剧下降，从混凝土表面夺取热量，造成混凝土内部发生压应力和拉应力。微观劣化机理水压水的密度对温度来说，显示出一种特异的行为，水变成冰时，体积膨胀9%，也就是说，这时就必须排除相同体积的水。但是，在冰生成的周围都是饱和状态，没有适当缓和空间。按照powers的观点，发生了以水压力表征的内部压力。当水压力超过了混凝土抗拉强度时就发生冻害。，水的压力大小，首先，被排除在周围没有膨胀的空间。因此，powers为了附加膨胀空间而掺入引气剂，而且气泡之间要有一定的距离，也就是气泡间隔系数。水的压力

5、还与受冻结水的量和冻融时冷却速度有关。在混凝土中有广泛深长的毛细管孔隙率与高的饱和度，冰形成速度高时，认为具有大的压力。但是试件中含水率91%以下时，也会导致劣化。对此powers认为，这是由于孔隙溶液最初在很大的孔隙中受冻的原因。然后冻结进一步进行，在比较小的孔隙中的溶液也开始受冻时，水的排除受到已有大孔隙中冰的阻碍。如果排除的水完全受到阻碍时，理论上认为发生的水压力是200N每平方毫米。实际上发生的水压力非常小，因为冰的生成不是突然发生的，还有水泥石孔隙的水，并不是一次就完全冻结，而是处于不同温度下不同层次的冻结。即使如此

6、，还必须考虑到特细毛细管受到前面已冻结冰的封堵，孔隙内还有液相存在，会再短的内压力可能达到峰值。毛细管效应混凝土的整个冻害完全归咎于不能受冻结范围水的排放。水泥石受冷却的时候，不只是发生伸长，在某一定冻结下，还会发生收缩。因此在某一负温下，观察到连续伸长也不能说明是完全由于水压的作用。这些现象的原因，归咎于毛细管的效果。因为水泥石口洗液的冰点和毛细管的粗细有关。在混凝土受冻时，最初是粗的毛细管的水先受冻，另一方面，液相进入了凝胶孔。由于水的蒸汽压力比冰大，因此小孔径中的水为大孔径的冰所覆盖的混凝土表面，发生热力学不平衡。扩散与

7、渗透水泥石中的孔隙水，由于水泥是基体和环境条件，融冰盐的侵入，含有溶解物质。在冻融时，这种稀薄溶液到达共融点时就开始析出冰结晶，残余溶液浓度同时上升，产生浓度差。比较小的孔隙中的孔隙溶液，在初始浓度是没有冻结，而另一方面，大孔隙溶液开始冻结了，这样就引起了小孔隙溶液想大孔隙流动。小孔隙中未结冰的水向大孔隙渗透扩散时会产生压力，称为渗透压。在渗透压的作用下，如果大于混凝土抗拉强度，混凝土就发生劣化破坏。冲水系数一些学者认为，混凝土能否发生冻融破坏，关键决定与混凝土充水系数。冲水系数是指混凝土中毛细孔水的体积占孔的体积之比。当充水

8、系数大0.92时，混凝土就可能发生冻融。临界饱和度实际上混凝土中，一般是部分饱和的，达到临界饱和度以后，才开始达到临界应力。微小裂缝的形成，导致混凝土组织结构中应力消除。循环负荷作用下，会进一步把裂缝扩大扩宽，最终导致混凝土组织结构劣化。在反复冻融过程中，无滞水的自然条件下，