凍融對混凝土結(jié)構(gòu)的劣化破壞

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1、混凝土結(jié)構(gòu)凍融破壞研究橋梁與隧道工程1210摘要：本文主要介紹了混凝土宏觀和微觀凍融的機理、混凝土構(gòu)件凍融影響因素，通過對凍融破壞機理和影響因素分析，提出提高混凝土的抗凍性的對策緒論混凝土凍融破壞是由于混凝土中的游離水受凍結(jié)冰后體積膨脹，在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，由于反復(fù)作用或內(nèi)應(yīng)力超過混凝土抵抗強度致使混凝土破壞。建筑材料的凍融行為，貫穿于人類社會的整個時代。也就是說，有了人類社會，就有了材料與結(jié)構(gòu)的凍融行為。這對結(jié)構(gòu)的維護和管理，無疑是一個很大的問題。在工業(yè)發(fā)展的過程中，對建筑材料的抗凍融抗除冰鹽凍融的性能，進行了大量的摸索，

2、建立了快速評價的經(jīng)濟方法。在此基礎(chǔ)上又開展了混凝土凍融劣化、除冰鹽凍融劣化機理研究?；炷羶鋈诘臋C理發(fā)生了宏觀的應(yīng)力熱膨脹系數(shù)不同構(gòu)成混凝土的水泥石和集料的熱膨脹系數(shù)aT是很不同的,其在潮濕狀態(tài)，水泥石和集料可能有不同點表1-1水泥石和集料的熱膨脹系數(shù)水泥石礦渣水泥硅酸鹽水泥干燥，相對濕度30%9~10.69.4~10.5氣干，相對濕度65%15.8~17.320.7~24.4飽水，相對濕度100%9.3~1010.2~11集料石灰石3.5~6.5石英10~12.5水泥石和冰的熱膨脹不同而產(chǎn)生應(yīng)力，在微小范圍內(nèi)，多次凍融循環(huán)進

3、行過程中有可能適應(yīng)力進一步增長。水泥石和冰的不同熱膨脹系數(shù)，清楚的顯示出凍害劣化作用。通過掃描電鏡檢驗，也證明了產(chǎn)生的應(yīng)力使組織結(jié)構(gòu)劣化。層狀的凍結(jié)混凝土結(jié)構(gòu)處于低溫下，毛細管中的水分由熱端向冷端遷移，也就是由內(nèi)部向表面遷移。在受凍時混凝土表層先受凍，形成結(jié)冰層。在經(jīng)過多次凍融循環(huán)下，混凝土表面發(fā)生剝離，又露出新的表面層，進一步剝離。這種部分的很大很深的剝落，是過去海水作用海岸鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物特有的一種凍融裂化形式。溫度急降的結(jié)果除冰鹽把雪和冰溶解時必須要有一定的熱量。在混凝土道路上，在無風(fēng)干燥的空氣下也會有1000倍的蓄熱量

4、。故冰雪溶解時所需要的熱量，混凝土表層溫度急劇下降，從混凝土表面奪取熱量，造成混凝土內(nèi)部發(fā)生壓應(yīng)力和拉應(yīng)力。微觀劣化機理水壓水的密度對溫度來說，顯示出一種特異的行為，水變成冰時，體積膨脹9%，也就是說，這時就必須排除相同體積的水。但是，在冰生成的周圍都是飽和狀態(tài)，沒有適當(dāng)緩和空間。按照powers的觀點，發(fā)生了以水壓力表征的內(nèi)部壓力。當(dāng)水壓力超過了混凝土抗拉強度時就發(fā)生凍害。，水的壓力大小，首先，被排除在周圍沒有膨脹的空間。因此，powers為了附加膨脹空間而摻入引氣劑，而且氣泡之間要有一定的距離，也就是氣泡間隔系數(shù)。水的壓力

5、還與受凍結(jié)水的量和凍融時冷卻速度有關(guān)。在混凝土中有廣泛深長的毛細管孔隙率與高的飽和度，冰形成速度高時，認為具有大的壓力。但是試件中含水率91%以下時，也會導(dǎo)致劣化。對此powers認為，這是由于孔隙溶液最初在很大的孔隙中受凍的原因。然后凍結(jié)進一步進行，在比較小的孔隙中的溶液也開始受凍時，水的排除受到已有大孔隙中冰的阻礙。如果排除的水完全受到阻礙時，理論上認為發(fā)生的水壓力是200N每平方毫米。實際上發(fā)生的水壓力非常小，因為冰的生成不是突然發(fā)生的，還有水泥石孔隙的水，并不是一次就完全凍結(jié)，而是處于不同溫度下不同層次的凍結(jié)。即使如此

6、，還必須考慮到特細毛細管受到前面已凍結(jié)冰的封堵，孔隙內(nèi)還有液相存在，會再短的內(nèi)壓力可能達到峰值。毛細管效應(yīng)混凝土的整個凍害完全歸咎于不能受凍結(jié)范圍水的排放。水泥石受冷卻的時候，不只是發(fā)生伸長，在某一定凍結(jié)下，還會發(fā)生收縮。因此在某一負溫下，觀察到連續(xù)伸長也不能說明是完全由于水壓的作用。這些現(xiàn)象的原因，歸咎于毛細管的效果。因為水泥石口洗液的冰點和毛細管的粗細有關(guān)。在混凝土受凍時，最初是粗的毛細管的水先受凍，另一方面，液相進入了凝膠孔。由于水的蒸汽壓力比冰大，因此小孔徑中的水為大孔徑的冰所覆蓋的混凝土表面，發(fā)生熱力學(xué)不平衡。擴散與

7、滲透水泥石中的孔隙水，由于水泥是基體和環(huán)境條件，融冰鹽的侵入，含有溶解物質(zhì)。在凍融時，這種稀薄溶液到達共融點時就開始析出冰結(jié)晶，殘余溶液濃度同時上升，產(chǎn)生濃度差。比較小的孔隙中的孔隙溶液，在初始濃度是沒有凍結(jié)，而另一方面，大孔隙溶液開始凍結(jié)了，這樣就引起了小孔隙溶液想大孔隙流動。小孔隙中未結(jié)冰的水向大孔隙滲透擴散時會產(chǎn)生壓力，稱為滲透壓。在滲透壓的作用下，如果大于混凝土抗拉強度，混凝土就發(fā)生劣化破壞。沖水系數(shù)一些學(xué)者認為，混凝土能否發(fā)生凍融破壞，關(guān)鍵決定與混凝土充水系數(shù)。沖水系數(shù)是指混凝土中毛細孔水的體積占孔的體積之比。當(dāng)充水

8、系數(shù)大0.92時，混凝土就可能發(fā)生凍融。臨界飽和度實際上混凝土中，一般是部分飽和的，達到臨界飽和度以后，才開始達到臨界應(yīng)力。微小裂縫的形成，導(dǎo)致混凝土組織結(jié)構(gòu)中應(yīng)力消除。循環(huán)負荷作用下，會進一步把裂縫擴大擴寬，最終導(dǎo)致混凝土組織結(jié)構(gòu)劣化。在反復(fù)凍融過程中，無滯水的自然條件下，