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[摘要]本文主要探讨了使用外加剂和活性矿物掺合料两种方法在提高混凝土抗冻能力上的效果。
[关键词]混凝土 抗冻性 研究
混凝土耐久性是混凝土在设计使用寿命下保持其所有功能的能力。在可利用资源增长缓慢或者日益枯竭时，我们应合理利用。对建筑业来说，建筑物必须经久耐用，而且能满
足其在服务期内的各项性能要求。混凝土是最大宗的建筑材料，提高混凝土耐久性具有非常重要的理论意义和经济价值。使用高耐久性的混凝土，必然会减少混凝土结构维护费用。混凝土构件巾各类化学物质的迁移率越低，其耐久性越好。这就意味着混凝土只有极少的裂纹，而且密度大、密实性好、渗透性低。在严寒季节，混凝土建筑结构遭受冻融破坏，每年需花费巨资加以修复。我国有相当大的部分地区处于严寒地带，致使不少建筑物发生了冻融破坏现象。尤其在东北严寒地区，兴建的水工混凝土建筑物，几乎100％工程局部或大面积地遭受不同程度的冻融破坏。除东北地区普遍发现混凝土的冻融破坏现象外，地处较为温和的华东地区的混凝土建筑物也发现有冻融破坏现象。因此，混凝土的冻融破坏是我国建筑物老化病害的主要问题之一，严重影响了建筑物的长期使用和安全运行，为使这些工程继续发挥作用和效益，需要很大的代价来维修和修建，这已成为混凝土耐久性方面的主要问题之一。
一、混凝土冻融机理
混凝土的冻融破坏，是国内外研究较早、较深入的课题，但大部分是从纯物理的模型出发，经假设和推导而出的，有些是以水泥净浆或砂浆试件通过部分实验得来的，因此迄今为止，对混凝土的冻融破坏机理，国内外尚未得到统一的认识和结论。混凝土中水泥石内孔隙自由水的存在是混凝土产生冻害的原因，空隙中的自由水反复冻融，对空隙壁不断产生胀压力，最终使混凝土胀裂。要提高混凝土的抗冻融能力，须使混凝土内部尽可能密实，这就要求混凝土水灰比尽可能小，一般认为，非引气混凝土要达到较高的抗冻能力，水灰比应小于0.30。采用这种方式抗冻，不仅不经济，高水泥用量引起的水化升温更不能令人接受。引气混凝土是通过混凝当中产生的气泡抵抗冻融破坏。这些微小封闭气泡互不连通、均匀稳定分布在混凝土中，减轻冰冻给孔隙带来的胀压力。只要引气量合适，普通混凝土也可以获得非常好的抗冻性能。一般认为，吸水饱和的混凝土在冻融的过程中，遭受的破坏应力主要由两部分组成：其一是当混凝土中的毛细孔水在其负温下发生物态变化，由水转变成冰，体积膨胀9％，因受毛细孔壁约束形成膨胀压力，从而在孔周围的微观结构中产生拉应力；其二是当毛细孔水结成冰时，由凝胶孔中过冷水在混凝土微观结构中的迁移和重分布引起的渗管压。由于表面张力的作用，混凝土毛细孔隙中水的冰点随着孔径的减小而降低。凝胶孔水形成冰核的温度在-78。以下，因而由冰与过冷水的饱和蒸汽压差和过冷水之间的盐分浓度差引起水分迁移而形成渗透压力。当混凝土受冻时，这两种压力会损伤混凝土内部微观结构，只有当经过反复多次的冻融循环以后，损伤逐步积累不断扩大，发展成互相连通的裂缝，使混凝土的强度逐步降低，最后甚至完全丧失。从实际中不难看出，处在干燥条件的混凝土显然不存在冻融破坏的问题，所以饱水状态是混凝土发生冻融破坏的必要条件之一，另一必要条件是外界气温正负变化，使混凝土孔隙中的水反复发生冻融循环。这两个必要条件，决定了混凝土冻融破坏是从混凝土表面开始的层层剥蚀破坏。
二、改普混凝土抗冻耐久性的主要措施
1、外加剂的使用
(1)引气剂
长期的工程实践与室内研究资料表明：
提高混凝土抗冻耐久性的一个十分重要而有效的措施是拌合物巾掺入一定量的引气剂，引气剂是具有憎水作用的表面活性物质，它可以明显的降低混凝土拌合水的表面张力，使混凝土内部产生大量的微小稳定的封闭气泡。这些气泡由于具有弹性，能使混凝土结冰时产生膨胀压力得到缓解，起到缓冲减压的作用，溶解时这些气泡可恢复原状，因此空隙内自由水反复冻融也不会对孔壁产生太大的压力。另外，这些气泡可以阻塞混凝土内部毛细管与外界的通路，使外界水分不易侵入，减少了混凝土的渗透性。同时大量的气泡还能起到润滑作用，改善混凝土和易性，施工时新拌混凝土易于填充模具，硬化后混凝土密实度提高。因此，掺用引气剂，使混凝土内部具有一定的含气量，可以提高混凝土的抗冻耐久性。国内外的大量研究成果与工程实践均表明掺入引气剂后混凝土的抗冻性可成倍提高。
(2)减水剂
目前，减水剂已成为混凝土不可缺少的组成部分，使用减水剂可以大幅度降低混凝土的水灰比(水胶比)。拌和混凝土时加入适量的减水剂，可使水泥颗粒分散均匀，同时将水泥颗粒包裹的水分释放出來，从而能明显减少混凝土用水量，使混凝土中气泡平均尺寸及其间距减少，水泥浆中可冻水的百分率随之降低。提高混凝土的强度和致密度，使混凝土抵抗冻融破坏的能力提高，从而提高混凝土的抗冻耐久性。
2、活性矿物掺合料的使用
混凝土是各种建筑工程上应用最广泛、用量最多的人造建筑材料，目前，我国正处在大规模的基础建设时期，对混凝土的需求量也就更大。因此，有效地降低混凝土的成本，提高混凝土的各项技术性能，对于充分利用有限的投资，延长混凝土结构的使用寿命，减少自然资源的消耗，保护生态平衡，有着巨大的经济效益和社会效益。
在混凝土的基础组成材料中，水泥的价格最贵，因此，在满足对混凝土质量要求的前提下，单位体积混凝土的水泥用量愈少愈经济。因此，用一些具有活性的掺和料(硅灰、矿渣、粉煤灰)来替代一部分水泥正在被广泛的应用。对于掺加引气剂大大提高混凝土的抗冻性，虽然得到所有工程及研究人员的认可，但在实际工程中，要根据不同的情况来使用不同配比，不同种类的引气剂要有一定的实验研究才能真正用于施工中，否则会适得其反。
另外，掺入活性的矿物掺和料也是解决混凝土抗冻耐久性问题的有效措施之一，也是21世纪混凝土技术的主要发展趋势。目前，单矿物掺和料配制高性能混凝土已经有很多研究，并已取得一定成果，然而对于多种掺和料复掺来提高混凝土抗冻性的研究并不多，希望在以后的研究中能在这些方面取得进展。
[关键词]混凝土 抗冻性 研究
混凝土耐久性是混凝土在设计使用寿命下保持其所有功能的能力。在可利用资源增长缓慢或者日益枯竭时，我们应合理利用。对建筑业来说，建筑物必须经久耐用，而且能满
足其在服务期内的各项性能要求。混凝土是最大宗的建筑材料，提高混凝土耐久性具有非常重要的理论意义和经济价值。使用高耐久性的混凝土，必然会减少混凝土结构维护费用。混凝土构件巾各类化学物质的迁移率越低，其耐久性越好。这就意味着混凝土只有极少的裂纹，而且密度大、密实性好、渗透性低。在严寒季节，混凝土建筑结构遭受冻融破坏，每年需花费巨资加以修复。我国有相当大的部分地区处于严寒地带，致使不少建筑物发生了冻融破坏现象。尤其在东北严寒地区，兴建的水工混凝土建筑物，几乎100％工程局部或大面积地遭受不同程度的冻融破坏。除东北地区普遍发现混凝土的冻融破坏现象外，地处较为温和的华东地区的混凝土建筑物也发现有冻融破坏现象。因此，混凝土的冻融破坏是我国建筑物老化病害的主要问题之一，严重影响了建筑物的长期使用和安全运行，为使这些工程继续发挥作用和效益，需要很大的代价来维修和修建，这已成为混凝土耐久性方面的主要问题之一。
一、混凝土冻融机理
混凝土的冻融破坏，是国内外研究较早、较深入的课题，但大部分是从纯物理的模型出发，经假设和推导而出的，有些是以水泥净浆或砂浆试件通过部分实验得来的，因此迄今为止，对混凝土的冻融破坏机理，国内外尚未得到统一的认识和结论。混凝土中水泥石内孔隙自由水的存在是混凝土产生冻害的原因，空隙中的自由水反复冻融，对空隙壁不断产生胀压力，最终使混凝土胀裂。要提高混凝土的抗冻融能力，须使混凝土内部尽可能密实，这就要求混凝土水灰比尽可能小，一般认为，非引气混凝土要达到较高的抗冻能力，水灰比应小于0.30。采用这种方式抗冻，不仅不经济，高水泥用量引起的水化升温更不能令人接受。引气混凝土是通过混凝当中产生的气泡抵抗冻融破坏。这些微小封闭气泡互不连通、均匀稳定分布在混凝土中，减轻冰冻给孔隙带来的胀压力。只要引气量合适，普通混凝土也可以获得非常好的抗冻性能。一般认为，吸水饱和的混凝土在冻融的过程中，遭受的破坏应力主要由两部分组成：其一是当混凝土中的毛细孔水在其负温下发生物态变化，由水转变成冰，体积膨胀9％，因受毛细孔壁约束形成膨胀压力，从而在孔周围的微观结构中产生拉应力；其二是当毛细孔水结成冰时，由凝胶孔中过冷水在混凝土微观结构中的迁移和重分布引起的渗管压。由于表面张力的作用，混凝土毛细孔隙中水的冰点随着孔径的减小而降低。凝胶孔水形成冰核的温度在-78。以下，因而由冰与过冷水的饱和蒸汽压差和过冷水之间的盐分浓度差引起水分迁移而形成渗透压力。当混凝土受冻时，这两种压力会损伤混凝土内部微观结构，只有当经过反复多次的冻融循环以后，损伤逐步积累不断扩大，发展成互相连通的裂缝，使混凝土的强度逐步降低，最后甚至完全丧失。从实际中不难看出，处在干燥条件的混凝土显然不存在冻融破坏的问题，所以饱水状态是混凝土发生冻融破坏的必要条件之一，另一必要条件是外界气温正负变化，使混凝土孔隙中的水反复发生冻融循环。这两个必要条件，决定了混凝土冻融破坏是从混凝土表面开始的层层剥蚀破坏。
二、改普混凝土抗冻耐久性的主要措施
1、外加剂的使用
(1)引气剂
长期的工程实践与室内研究资料表明：
提高混凝土抗冻耐久性的一个十分重要而有效的措施是拌合物巾掺入一定量的引气剂，引气剂是具有憎水作用的表面活性物质，它可以明显的降低混凝土拌合水的表面张力，使混凝土内部产生大量的微小稳定的封闭气泡。这些气泡由于具有弹性，能使混凝土结冰时产生膨胀压力得到缓解，起到缓冲减压的作用，溶解时这些气泡可恢复原状，因此空隙内自由水反复冻融也不会对孔壁产生太大的压力。另外，这些气泡可以阻塞混凝土内部毛细管与外界的通路，使外界水分不易侵入，减少了混凝土的渗透性。同时大量的气泡还能起到润滑作用，改善混凝土和易性，施工时新拌混凝土易于填充模具，硬化后混凝土密实度提高。因此，掺用引气剂，使混凝土内部具有一定的含气量，可以提高混凝土的抗冻耐久性。国内外的大量研究成果与工程实践均表明掺入引气剂后混凝土的抗冻性可成倍提高。
(2)减水剂
目前，减水剂已成为混凝土不可缺少的组成部分，使用减水剂可以大幅度降低混凝土的水灰比(水胶比)。拌和混凝土时加入适量的减水剂，可使水泥颗粒分散均匀，同时将水泥颗粒包裹的水分释放出來，从而能明显减少混凝土用水量，使混凝土中气泡平均尺寸及其间距减少，水泥浆中可冻水的百分率随之降低。提高混凝土的强度和致密度，使混凝土抵抗冻融破坏的能力提高，从而提高混凝土的抗冻耐久性。
2、活性矿物掺合料的使用
混凝土是各种建筑工程上应用最广泛、用量最多的人造建筑材料，目前，我国正处在大规模的基础建设时期，对混凝土的需求量也就更大。因此，有效地降低混凝土的成本，提高混凝土的各项技术性能，对于充分利用有限的投资，延长混凝土结构的使用寿命，减少自然资源的消耗，保护生态平衡，有着巨大的经济效益和社会效益。
在混凝土的基础组成材料中，水泥的价格最贵，因此，在满足对混凝土质量要求的前提下，单位体积混凝土的水泥用量愈少愈经济。因此，用一些具有活性的掺和料(硅灰、矿渣、粉煤灰)来替代一部分水泥正在被广泛的应用。对于掺加引气剂大大提高混凝土的抗冻性，虽然得到所有工程及研究人员的认可，但在实际工程中，要根据不同的情况来使用不同配比，不同种类的引气剂要有一定的实验研究才能真正用于施工中，否则会适得其反。
另外，掺入活性的矿物掺和料也是解决混凝土抗冻耐久性问题的有效措施之一，也是21世纪混凝土技术的主要发展趋势。目前，单矿物掺和料配制高性能混凝土已经有很多研究，并已取得一定成果，然而对于多种掺和料复掺来提高混凝土抗冻性的研究并不多，希望在以后的研究中能在这些方面取得进展。