三峡工程混凝土抗冻性能分析研究

三峡工程混凝土抗冻性能分析研究程  敏　?摘 要　根据混凝土冻融破坏的机理，并结合国内外的研究成果及三峡工程的施工经验，通过对混凝土抗冻性能的各种影响因素的综合分析，探讨了从混凝土原材料选择，优化配合比和加强混凝土生产、施工过程的控制来合理提高混凝土抗冻能力的途径。

　　关键词　混凝土 抗冻 配合比 混凝土搅拌站 三峡工程

1?前言

　?常温下硬化的混凝土是由未水化水泥、水泥水化产物、集料、水、空气共同组成的气—液—固三相平衡体系，当混凝土处于负温度下时，其内部孔隙中的水分将发生从液相到固相的转变。由于水的固相体积为其液相体积的1.1倍，经过多次冻融循环后，这种体积膨胀应力造成的损伤积累将会导致混凝土的永久性变形，从而破坏混凝土结构。

　?三峡地区年最低气温约-2C，大坝混凝土在负温作用下可能遭受冻融破坏，因此，积极开展混凝土抗冻性能的研究对保证三峡大坝长期、安全的运行具有一定的现实意义。

2　混凝土抵抗冻融破坏的内部机制

　?影响混凝土抗冻性的原因很多。其机理相当复杂。但从本质上说。混凝土抵抗冻融破坏的能力主要取决于混凝土自身的孔隙特征。

　?混凝土内部的孔隙按孔径大小可分为凝胶孔、毛细孔及介于二者之间的过渡孔。其中凝胶孔存在于水化硅酸盐凝胶内部，是在水泥水化反应过程中形成的，孔径较小。一般为l5～30A；毛细孔是水泥—水体系中未被水化产物填充的原来充水的空间。孔径较大，为2000A左右；过渡孔则介于二者之间，孔径波动较大。混凝土内部孔隙特征对抗冻性能的作用主要体现在以下方面：

2.1　对浆体强度的影响

　　混凝土自身的强度使之具有抵抗各种内外应力的能力。只有当混凝土所受到的应力超过了它的极限强度时，混凝土才会发生破坏。其中，水泥浆体的强度对混凝土抗冻性能影响较大。根据美国人T.C鲍维斯的浆体强度理论，浆体强度与胶—空比成函数关系，胶—空比越小，则浆体强度越高，因而抗冻性能越好。

2.2　对孔隙水相变温度的影响

　?不同孔径的孔隙中水分的相变温差较大。随着孔径的减小，孔隙中水分的冰点逐渐降低，毛细孔中的水一般为自由水，冰点为0C左右。凝胶孔中的水分。冰点可达到零下40C左右。因此，混凝土内部凝胶孔所占比例越大，其抵抗冻融破坏的能力越强。

2.3　气泡的作用

　?内部封闭气泡对提高混凝土抗冻性有重要意义。其—：缓解、消洱内部相变应力。混凝土内部各种物化作用产生的封闭气泡通过凝胶孔相互联结，进而形成一个有机的网络体系，当毛细孔中的水分发生液—因转变时，未凝结的液态水受冰晶压迫，产生静水压力，水分子以凝胶孔为通道。被挤入气泡内，从而消除了对混凝土骨架结构的应。在这里，气泡系统的主要作用是为容纳相变产生的体积膨胀提供储备，因此有人称之为“储备孔”。需要指出的是，上述过程是不可逆的，随着冻融循环的不断进行，可发挥储备的气泡数目逐减渐少，混凝土将发生破坏。其二：阻止裂缝生长。根据葛里非斯的材料断裂理论，混凝土的抗断裂能力可表示为：σ＝(2Er/πC)^0.5，其中为σ断裂应力，E为弹性模量，r为单位面积的材料表面能，C为裂缝长度。从公式中可以看出，混凝土内部裂缝越短，则断裂应力越大，抗断裂能力越强。微气泡的存在，使混凝土内部裂缝生长必须绕过气泡进行。从而有效地阻止了裂缝的生长，提高了混凝土的断裂应力，增强了混凝土的抗冻能力。但如果气泡粒径太大会导致气泡周围局部应力集中。反而加速混凝土破坏的进程。因此，在混凝土中引入适量的气泡有利于提高混凝土的抗冻性，但还须重视引气的质量。

　　综上所述，决定混凝土抗冻性能的内因在于混凝土的孔隙率及孔隙结构，其他诸多因素都是通过对以上二者施加影响从而改变混凝土的抗冻性能。

3?影响混凝土抗冻性能的因素

　?混凝土抗冻性能主要受以下因素的影响：

3.1　混凝土拌和物的流变特性

看出，含气量随着混凝土坍落度增大而增加，含气量达到峰值后，坍落度若继续增大，引气效果反而下降。这是因为混凝土流动度太大时分子间范德华力变弱，致使拌和物粘度下降，气泡容易逸出。干硬性混凝土由于流动性差，引气困难，与常规混凝土相比，要获得同样的引气效果，引气剂的掺量要增加几倍。例如为满足含气量要求，三峡二期工程左导墙使用的碾压混凝土引气剂掺量达4×10^-4，而常规混凝土中掺量仅为8×10^-5。影响混凝土流变特性的因素除原材料的物化性能外，配合比参数如砂率、骨料级配、用水量、水灰比等也起着至关重要的作用。

3.2?混凝土组成材料

3.2.1　水泥品种

　?三峡二期工程抗冻混凝土主要使用中热525#水泥，试验结果表明，中热水泥混凝土的抗冻性能特别是早期抗冻性能要优于低热水泥混凝土，其原因在于中热水泥中熟料含量比低热水泥高，早期水化更加充分，水泥水化产物占据空间较多，并且中热水泥需水量—般较小，由于多余水分逸出产生的孔隙数量也相应减少。根据凝胶孔及毛细孔的形成及作用原理可知，中热水泥混凝土硬化产物孔结构中凝胶孔比重较大，提高了混凝土的抗冻性能。

3.2.2　掺合料

形成；此外，由于硅灰的填充作用使得混凝土内部孔径减小，水分子通道变细，水分在负温下转移发生困难，静水压力增大，从而对含气量及气泡间距提出更高的要求；同粉煤灰一样．硅灰中的碳含量对引气剂的功能也有抑制作用。总体来说，硅灰会降低混凝土的抗冻性能。因此，在配制混凝土时必须增加引气剂的掺量并采用超塑化剂以满足抗冻性能的要求。从而发挥硅灰在增强方面的巨大优势。

3.2.3　集料

3.3?水灰比

制了气泡尺寸的增长并有利于保持含气量的稳定。因此，伴随水灰比减小混凝土抗冻能力得到明显提高。图5和图6反应了不同水灰比的混凝土动弹模及重量损失与冻融次数关系的规律。

3.4?拌和及振捣方式

??总的来说，拌和时间越长，拌和机具效率越高，则拌和物中气泡分布越均匀数量越稳定，有利于提高混凝土抗冻性能。三峡二期工程通过试验论证，确定混凝土的适宜拌和时间为120s，夏季加冰期间延长为150s。此外，还必须考虑运输振捣时间的选择，振捣时间过短会导致混凝土不密实，形成蜂窝、麻面等缺陷，时间过长，则气泡逸出，运输时间过长也易造成含气损失，都不利于混凝土抗冻性能的提高。

3.5?养护条件

　?当养护温度适宜、湿度较大时。混凝土中水分蒸发少，水化充分，孔隙率及孔隙平均尺寸减小，同时由于水化产物阻隔了水分子通道，使得开口孔隙数量减少，可发挥“储备”作用的闭合孔数量增加，因此，建立良好的养护制度有利于提高混凝土的抗冻性能。

4?三峡工程中提高混凝土抗冻性能的主要途径

??混凝土抗冻性能是各种因素共同作用的结果，是原材料性能、混凝土配合比设计及施工工艺水平的综合反映。三峡二期工程微硅粉混凝土生产施工过程中，针对影响抗冻性能的各个环节，通过以下各种措施，满足了混凝土抗冻性能方面的要求：

　?(1) 在原材料选样方面，实行原材料进场检验和定期抽检相结合的方式，确保原材料进场质量。

　?(2) 深入技术领域探讨提高砼抗冻性能的途径，不断优化配合比，力争混凝土抗冻性能目标的最优实现。现阶段采取的主要方案有：①采用中热525水泥掺优质的一级粉煤灰以减少拌利用水量，改善混凝土的孔隙结构；②将大坝外部混凝土粉煤灰掺量控制在30％，保证混凝土的早期强度，并避免因混凝土孔隙结构恶化导致的冻融破坏；③将混凝土坍落度限制在3～5cm的范围内，并采用引气剂和高效减水剂复合技术，在满足混凝土可操作性的前提下，降低用水量和水灰比。增加混凝土密实度并提高引气剂的引气效果。

　?(3) 加强对混凝土生产施工过程的控制。混凝土生产施工过程是混凝土质量的形成阶段，是事中控制的重要环节。三峡二期工程混凝土生产施工中通过合理分配混凝土拌和、运输、振捣时间，确保混凝土含气量及气泡的均匀稳定，减少了含气量损失；通过建立良好的养护制度以满足混凝土充分水化所需的温湿度条件，最终为提高混凝土抗冻性能提供了必要的保障。

5　结论

??从以上论述可以看出，混凝土内部孔隙率及孔隙结构对混凝土抗冻性能起着主导作用，而其内部孔隙特征又受到混凝土原材料、配合比参数及生产施工过程等因素的综合影响。因此，必须从研究混凝土内部结构出发，深入剖析各种影响因素的作用机理，才能采取有针对性的措施，为提高混凝土的抗冻性能提供科学、合理的解决途径。

参考文献

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