氣孔結(jié)構(gòu)與抗凍性的關(guān)系

1、氣孔結(jié)構(gòu)與抗凍性的關(guān)系摘要硬化混凝土含氣量對于建筑在高寒高鹽度等地區(qū)的強(qiáng)度與壽命 具有重要意義。混凝土中的孔與抗凍性有著密切的聯(lián)系，這可以從凍 融破壞機(jī)理的角度來說明。有兩種假說來說明凍融破壞的機(jī)制:靜水 壓假說和滲透壓假說。靜水壓假說混凝土中除了有凝膠孔和孔徑大小不等的毛細(xì)孔外，還有在攪拌 和成型過程中引入的空氣，以及摻加引氣劑或引氣型減水劑人為引入 的空氣泡。前者約占混凝土體積的1%，后者則根據(jù)外加劑摻量而不 等(2%-7%)。由于毛細(xì)孔力的作用，細(xì)的毛細(xì)孔先吸水，孔徑較大的 空氣泡由于空氣的壓力，常壓條件下不易吸滿水。粗孔中的水先結(jié)冰， 在降溫過程中，在水凍結(jié)成冰膨脹的推動下，細(xì)孔中未凍

2、結(jié)水向粗孔 滲透，形成靜水壓力，這是凍融破壞的動力。當(dāng)由凍結(jié)產(chǎn)生的水壓力 超過混凝土強(qiáng)度能承受的程度，混凝土即破壞。這是靜水壓假說。采用VISION208混凝土含氣量檢測儀來測定硬化混凝土的氣孔 體系參數(shù)，所測定參數(shù)主要有氣泡總個數(shù)、硬化后混凝土含氣量、氣 泡比表面積、氣泡平均半徑、氣泡間距系數(shù)和氣泡孔徑分布。通過VISION208硬化混凝土含氣量檢測儀獲得的圖片示例二值化后的氣孔圜像G . Fagerlundr為了更形象地說明靜水壓力的影響因素，假定了一個模型，圖1-2所示。圖1-2帶水壓力的檳型假設(shè)混凝土中某兩個空氣泡之間的距離為d，兩空氣泡之間的毛 細(xì)孔吸水飽和并部分結(jié)冰。在空氣泡之間的

3、某點A ,距空氣泡為x , 由于結(jié)冰生成的水壓力為P。由DArcy定律知，水的流量與水壓力梯 度成正比，見式(1-1)式中 片冰水混合物的流量mV (ms):芝水壓力梯度(N/杼)；.k冰水混合物通過結(jié)冰材料的滲透系數(shù)Cms)/kg 冰水混合物的流量即厚度為乂薄片混凝土中單位時間內(nèi)由于結(jié)冰產(chǎn)生的體積增量，見式(1-2):式中 令一單位時間內(nèi)單位體稅的結(jié)冰量LmV (m): 牛務(wù)一溫度每降低凍結(jié)水的增量 務(wù)降溫速度CC/s).將(1-2)式代入(1-1 )式，積分得到A點的水壓力，見式(1-3)(13)p些蟲L亞 ik M 山在厚度d的范圍內(nèi)，最大水壓力在x=d該處的水壓力計算式為2式(1-4)

4、(1-4；Jp一山也牛杼 就 如山從式(1-4)可知:毛細(xì)孔水飽和時，結(jié)冰產(chǎn)生的最大靜水壓力與 材料滲透系數(shù)成反比，又與結(jié)冰量的增加速率和空氣泡的平均間距的 平方成正比，而結(jié)冰量的增加速率又與毛細(xì)孔水的含量(與水灰比、 混凝土的水化程度有關(guān))和降溫速度成正比。滲透壓假說滲透壓假說是指由于孔內(nèi)冰與未凍水兩相的自由能之差造成滲 透壓使冰附近尚未凍結(jié)的水向凍結(jié)區(qū)遷移，并在該凍結(jié)區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)楸?此外，混凝土中的水含有各種鹽類（環(huán)境中的鹽、水泥水化產(chǎn)生的可 溶鹽和外加劑帶入的鹽），凍結(jié)區(qū)水結(jié)冰后，未凍溶液中鹽的濃度增 大，與周圍液相中鹽的濃度的差別也產(chǎn)生一個滲透壓。因此作為施于 混凝土的破壞力的滲透壓是冰

5、水蒸氣壓以及鹽濃度差兩者引氣的。在滲透壓假說中，毛細(xì)孔的弧形界面即毛細(xì)孔壁受到的壓力可以 抵消一部分滲透壓，此外，毛細(xì)孔水向未吸滿水的空氣泡遷移，失水 的毛細(xì)孔壁受到的壓力也可以抵消一部分滲透壓。這個毛細(xì)孔壓力不 僅不使水泥漿體膨脹，還能使其收縮。這一部分毛細(xì)孔壁所受到的壓 力又與空氣泡間距有關(guān)，間距越小，失水收縮越大，也就是說起到抵 消滲透壓的作用越大。由此可見，氣泡對靜水壓和滲透壓都是一個卸壓因素，特別是靜 水壓力。綜上述，空氣泡間距系數(shù)是混凝土材料抗凍性的一個重要參數(shù)。 而空氣泡間距決定于混凝土中引入的氣泡數(shù)量和氣泡平均直徑。引入 氣泡越多，氣泡越細(xì)，則毛細(xì)孔結(jié)冰有足夠的容許膨脹空間。因

6、此， 采用引氣劑引入足夠量的小空氣泡，己成為提高混凝土抗凍耐久性的 基本措施。例如，我國水工混凝土有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程早己規(guī)定無論南方北 方混凝土都必須引氣。北美、歐洲等發(fā)達(dá)國家的混凝土大部分是引氣 的。而在日本，不論混凝土的使用環(huán)境和部位，包括建筑用混凝土， 都必須引氣，非引氣混凝土在日本屬于特種混凝土。鑒于發(fā)達(dá)國家的 經(jīng)驗，我國的有些混凝土專家也向政府主管部門提出建議將使用優(yōu)質(zhì) 引氣劑的措施納入施工規(guī)范，使該有益混凝土工程耐久性的措施見之 實施。對于氣泡間距系數(shù)與抗凍性的關(guān)系的研究國內(nèi)外學(xué)者己作過很 多的工作。有研究表明61:平均氣泡間距是決定混凝土抗凍性的最主 要的因素。一般認(rèn)為對高耐久性混凝土

7、，平均氣泡間距應(yīng)小于 0.25mm，因為大于0.25mm-0.30mm時，抗凍性急劇下降。但也 有資料表明:對于抗凍耐久性系數(shù)為90%的普通混凝土和粉煤灰混凝 土，對于不同的強(qiáng)度等級，其氣泡間距可在0.35mm-0.55mm（普通 混凝土）、0.33mm-0.55mm（粉煤灰混凝土）之間變化。陳聯(lián)榮研究表明:混凝土抗凍性是平均氣泡間距和水灰比兩個參 數(shù)的函數(shù)，也就是說:平均氣泡間距和水灰比兩者是決定混凝土的最 主要因素。水灰比通過兩個途徑影響抗凍性，水灰比影響可凍結(jié)水的 含量同時水灰比又決定了強(qiáng)度而這兩者又都影響混凝土的抗凍性。 一般情況下，水灰比越低，一方面，水泥石中孔的體積較小，孔中存 留的可凍結(jié)水較少:另一方面，由于水灰比的降低，混凝土的密實度、 強(qiáng)度得以提高，相應(yīng)地提高了混凝土的抗?jié)B透性和抵抗破壞的能力。 一般認(rèn)為，混凝土的碳化速度與水灰比成正比，而與混凝土的抗壓強(qiáng) 度成反比。但對混凝土抗凍性而臺，有資料表明:如果混凝土中引入 足夠的含氣量，則水灰比的影響不大。往往低強(qiáng)度等級的引氣混凝土