浅谈混凝土防冻剂的作用

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我国地域辽阔，在长江中下游、东北、华北、及内蒙、青海、新疆等地，冬季气温都在- 5 ℃以下。低温对混 凝土十分不利，在这些地区的混凝土的破坏多数与冻融作用有关，混凝土在冻融循环作用下破坏是关系到建筑物使用寿命、工程质量、安全等方面 的重大问题。冻 融破坏是混凝土水工建筑物损坏的主要形式之一，冻融破坏严重影响水工建筑的正常运行，必须充分认识它的严重性，了解其破坏原因，采取正确的 设计、施工和 管理措施以减轻冻融破坏对建筑物的影响，就此问题国内外混凝土专家对混凝土抗冻问题的研究日益重视，各自理论不断提出，各种方法不断采用，都 力图通过对 混凝土受冻机理研究而找到提高混凝土抗冻性能的更有效、更经济、更实用的方法。

1 国内外关于混凝土受冻机理的研究状况如下

1.1 水转化为冰的相变过程

常温下硬化混凝土是由未水化的水泥、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，当混凝土处于负温下时，其内部孔隙中的水分将 发生从液相到固相的转变。对混凝土受冻破坏的现象，人们最初仅仅是以水结冰时体积膨胀9 %这一自然现象来解释，认为这种现象和盛满水的密闭容器受冻后胀 裂的破坏情况类似。当孔溶液体积超过91 %时，溶液结冰后产生膨胀压力使混凝土结构破坏。但这种过于简单的观点无法解释复杂的混凝土受冻破坏的动力学过 程。而且试验表明水饱和度低于91 %时，混凝土也可能受冻破坏。这说明混凝土受冻破坏的机理远远不止这么简单。大量的研究表明影响混凝土受冻破坏的原因 很多，其机理相当复杂。但从本质上 说，混凝土受冻破坏主要取决于混凝土中水的存在形式。

1.2 混凝土中水的存在形式及空隙中饱水程度

在混凝土硬化初期混凝土中水存在形式：

(1) 结晶水。如钙矾石等晶体中所含的水称结晶水，这部分水是不可能结冰的。

(2) 吸附水。也称凝胶水，存在于各种水化物，如钙矾石的胶凝孔中，因凝胶孔尺寸很小，一般为15 ! ～20 ! 之间仅比水分子大一个数量级，可认为在自然条件下这部分水是不可能结冰的。

(3) 毛细孔水。存在于毛细孔中，这部分水是可冻的。由开文公式：rtln( pr/ po) = m/ d(2σ/ r)式中r 为气体常 数； t 为绝对温度； pr 为曲率半径为γ的毛细管中液体的蒸汽压；po 为大体积液体的蒸汽压；d 为水的密度；σ为表面张力；r 为毛细管中的液 体曲率半径。得知随毛细孔半径的减小，水蒸气的冰点也随之下降。例如：半径为5 ! 的孔中纯水冰点为- 5 ℃，而半径为115 ! 孔中水要到 - 70 ℃才结冰。

(4) 游离水。也称自由水，存在于各种固体颗粒之间，是可冻水。由此可见混凝土冻害是由于游离水和孔径较大的毛细水结冰造成的。水转化为冰体积约增大9 % ，若硬化混凝土孔隙中的游离水达到饱和，则会在混凝土内部产生内应力，使混凝土结构发生破坏。

另一种类似的说法这样表述，混凝土是一种水泥石，粗细骨料和各种气孔组成的多相复合材料，其中孔径在一定尺寸以上的毛细孔和混凝土拌合物拌和时裹入的大 气 孔在含水时受冻，是造成混凝土受冻破坏的主要原因。当温度降低到0 ℃以下的某一温度时，由于混凝土孔隙内的水受冻而结冰对水泥石产生了膨胀压力，当 这种膨胀压力过大而超过了水泥石的抗拉强度时，水泥石就会受到损害(如产 生微裂缝) 甚至于破坏。在一定负温下混凝土受冻程度除了与水泥石本身强度有关 外，还与混凝土孔隙、及孔隙中饱水程度有关，尤其是孔结构对混凝土抗冻性影响最大。混凝 土中的孔隙一般分为水泥石中的凝胶孔、毛细孔和大气孔等三种，因 此凝胶孔不受冻害；孔径较小的毛细孔(约320 ! 以下) ，由于其中水冰点极低，一般不也不受冻害；而1000 ! 以上的毛细孔则受冻融作用影响； 大气孔中的水结冰是混凝土受冻破坏的最主要危害因素 。此理论基本上同于上一理论，混凝土中水的存在形式是由混凝土的孔隙结构决定的，混凝土中 的毛细孔水和游离水也就是指存在于大气孔中的水分。而混凝土受冻 害程度与孔隙中饱水程度有关也就是肯定了水转化成冰相变过程的说法。

1.3 静水压和渗透压假说

静水压理论：混凝土在潮湿条件下，首先毛细孔吸满水，混凝土在搅拌成型时都会带一些大的空气泡，这些空气泡内壁也能吸附水，但在常压下很难吸满水，总还 能 留有没有水的空间。在低温下毛细孔中水结成冰，体积膨胀，趋向于把未冻水推向大的空气泡方向流动，这就形成静水压力。

渗透压：是由孔内冰与未冻水两相的自由能之差引起的。冰的饱和蒸汽压小于水的。这个蒸汽压的差别推动未冻水向冻结区迁移，这就是渗透压。