混凝土抗冻等级确定方法及生产技术的商榷

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混凝土抗冻等级是衡量混凝土耐久性的一个重要指标。目前，GBJ 82-85中规定混凝土抗冻等级的确定方法，是采用慢冻法和快冻法2种。这2 种方法的共同特点是按规定使混凝土试块在冷冻前后处于水中浸泡和融化，并且要求水面至少分别高出试件顶面20mm和5mm（快冻法试件盒内）以上。也就是说试块必须完全浸入水中融化并吸饱水分。用这种方法测试并评定混凝土的抗冻等级存在一个很重要的问题，即试块吸饱水分后的含水率高低，完全取决于混凝土试块的吸水性，而不是取决于混凝土试块的吸湿性，这与大多数混凝土工程在应用环境中的实际含水率无相关性。因为比越小，混凝土的强度越高。
　　大多数混凝土工程是暴露于大气中，而不是浸于水中。这些工程中混凝土的实际含水率主要取决于混凝土在空气中的吸湿性，而不取决于混凝土的吸水性。
　　1、抗冻等级确定方法的商榷
　　混凝土的吸水性和吸湿性是2个完全不同的概念。吸水性是指混凝土在水中吸收水分的性质通常取决于混凝土中毛细孔数量多少和毛细孔半径的大小。当混凝土浸入水中，其内部孔隙只要是开孔毛细孔就能被水充满。因此，在毛细孔半径范围以内，毛细孔越多、半径越大，混凝土的吸水率越高。其吸水性受大毛细孔数量的影响较大，而受微毛细孔影响相对较小。吸湿性是指混凝土在潮湿空气中吸收水分的性质，与吸水性相反，吸湿性受大毛细孔影响较小，受微毛细孔数量影响相对较大。已有研究表明，只有在半径小于0.1um 的微毛细孔中才能产生毛细孔凝结现象[1]，它可以吸附周围介质的蒸汽而被充填，在孔壁上生成液膜，故这样的孔具有吸湿性。所以，混凝土中微毛细孔数量越多，混凝土孔隙的吸湿性越强，排湿性越弱。此时，混凝土的孔隙率和吸水性都可能较低，但因具有吸湿性的微毛细孔数量较多，混凝土在大气环境中仍然有相对较高的含水率（称含湿率更为贴切）。
　　半径大于0.1-1um的大毛细孔，只有直接与液体接触时才能被液体充满。在大气中，大毛细孔不仅不吸收潮湿空气中的水分，其中原有的水分反而会被排入空气中[1].这样的孔隙不具有吸湿性。因此，混凝土中微毛细孔数量越少，大毛细孔数量越多，混凝土孔隙的吸湿性越弱；虽然，由于大毛细孔数量较多，混凝土的孔隙率和吸水性都可能较高，但处于大气中混凝土的含湿率仍然可以较低。即吸水性低的混凝土仍可以有较高的吸湿性和含湿率；吸湿性和含湿率较低的混凝土也可以有较高的吸水性。作者试验中，分别采用含细颗粒（小于5um）较少的水泥和细颗粒含量较多的水泥制备成的水泥石试样，在潮湿空气中放置3d，含细颗粒较少的试样，吸湿率比后者降低17%-37%；而在水中浸泡1d，前者吸水率比后者提高13%-29%[2].
　　在此应特别强调一下，混凝土的吸湿性或含湿率与混凝土孔隙体积的吸湿性或含湿率也是完全不同的2个概念。前者是相对混凝土的总体积（包括实体体积和孔隙体积）而言，主要取决于混凝土中微毛细孔的绝对数量多少；后者仅是针对混凝土中孔隙的体积而言，主要取决于混凝土中微毛细孔与其它较粗孔隙的相对数量。随着混凝土孔隙率的降低和微毛细孔绝对数量的减少，处于大气中混凝土的吸湿性或含湿率也会相应减少；但此时只要混凝土内部的微毛细孔数量相对较多，大毛细孔数量相对较少，即2者的数量之比较大，相对于混凝土孔隙体积的吸湿性和含湿率比较而言必增无疑。当孔隙中水分结冰产生膨胀应力时，对孔壁造成的破坏和原有裂缝的扩展必然会更加严重。相反，随着混凝土孔隙率和微毛细孔绝对数量的增加，混凝土的吸湿性或含湿率也会相应增加；但此时只要混凝土内部的微毛细孔数量相对较少，大毛细孔数量相对较多，即二者的数量之比较小，处于大气中混凝土孔隙体积的吸湿性和含湿率无疑会减少。因此，混凝土内部孔隙和原有裂缝遭受冰冻破坏的影响自然也小。然而实际工程应用当中，人们通常忽略了混凝土的吸水性和吸湿性以及混凝土孔隙体积吸湿性之间的这种区别。甚至认为它们之间始终存在着一致性。因此，在确定混凝土的抗冻等级和进行抗冻性试验时，只考虑了混凝土的吸水性对混凝土抗冻性的影响，而没有考虑混凝土的吸湿性和混凝土孔隙体积的吸湿性对混凝土抗冻性的影响。
　　根据抗冻试验确定的抗冻等级也只能反映在规定饱水状态下混凝土的抗冻性，并不能反映混凝土在大气中的真实抗冻性。其结果是吸水性低的混凝土冻融循环次数多，抗冻等级高；但混凝土的吸湿性及混凝土中微毛细孔内的吸湿性却都可能较大，在处于实际应用的大气环境当中，混凝土的含湿率特别是相对于混凝土孔隙体积的含湿率反而更高，导致混凝土的实际抗冻性并不一定好，甚至比抗冻等级低的混凝土还差。
　　2、混凝土生产技术的商榷
　　为了提高混凝土的抗冻等级等耐久性指标，目前混凝土施工和生产中除了采用引气剂以外， 通常采用掺入高效减水剂、降低水胶比，并采用细度较细的早强水泥和细粒掺合料等方法。其初衷是通过减少混凝土内部粗大的毛细孔数量或孔半径来提高混凝土的强度和抗冻、抗渗等耐久性能。但在混凝土生产中采用普通水泥和一般的施工方法，目前这一目的较难达到，实际生产出的混凝土大多数仍为多孔体系。
　　一般水胶比降低，只能使混凝土内部的大毛细孔变成微毛细孔，造成大毛细孔数量减少，微毛细孔数量增多。如原苏联莫斯科门捷列夫化工学院的研究表明：水胶比由0.4 降低为0.22-0.25（硬化温度200C），水泥石中半径0.004-0.01um的微毛细孔（包括少0.004-0.005um 的超微孔）数量由20.8%-39.7%增加到28.5%-41.4%、半径0.01%-0.1%um的微毛细孔数量由26.4%-33.2%增加到26.7%-49.8%；而半径不小于0.1-1um的大毛细孔与半径大于1um的非毛细孔数量之和由27.1%-52.8%减少至21.7%-28.3%[3].特别是其中0.01-0.1um的微毛细孔数量的中间值（变化前后分别为29.8%和38.25%）与半径不小于0.1-1um的大毛细孔和半径大于1um的非毛细孔数量的中间值（变化前后分别为39.95%和25.0%）之比，由0.75增加到1.53，接近原来的2.1倍。
　　胶凝材料中细颗粒含量的增加与水胶比的降低有类似的作用效果。如原苏联的研究表明，提高水泥的细颗粒（<5um）含量，由于分散度很高，水化物充填了大部分毛细孔空间，必然生成微毛细孔，并使大毛细孔数量明显减少[1].
　　目前为提高混凝土抗冻等级、抗渗等级和强度等级而采取的一些措施，在很多情况下使混凝土内部的微毛细孔数量增加，而使具有排湿性的大毛细孔数量减少。特别是微毛细孔和大毛细孔数量之比的显著增大，使混凝土孔隙体积的吸湿性大幅提高。这一作法不但不能提高大多数混凝土（暴露于大气中的混凝土）的抗冻性，反而会不同程度地降低混凝土的真实抗冻性和耐久性。
　　根据鲍维斯的研究发现，在-40C时约60%的毛细孔水变成冰，在-120C有80% （以上的毛细孔水变成冰[4-5].针对我国的气候分区情况，温区最冷月份的平均气温为0~-100C，寒区最冷月份的平均气温为-100C以下。故对我国大多数地区而言，在最冷月份足以使混凝土毛细孔内的部分或大部分水结冰。由于大毛细孔的存在具有良好的排湿性，当结冰时，将有足够的空间满足结冰所引起的体积变化，所以处于大气中的混凝土内部可冻结水的数量主要取决于混凝土内微毛细孔中的水量。当微毛细孔隙内的水分一旦结冰时，微毛细孔中没有足够的空间缓冲结冰所造成的体积膨胀，此时，结冰产生的膨胀应力对混凝土孔壁的破坏必然更加严重。如原苏联的研究指出，混凝土中储备孔（被蒸汽空气混合气体充填的孔）的相对体积越大，抗冻性越好。并着重指出，影响混凝土抗冻性的，与其说是储备孔的绝对体积，不如说是储备孔体与充满水的孔体积之比[1].其抗冻机理类似于引气剂提高混凝土抗冻性的作用机理。此外，孔隙内部含湿率高的混凝土，还会加剧空气中腐蚀性介质对混凝土的侵蚀及混凝土内部钢筋锈蚀等，导致混凝土的强度、抗冻性、抗裂性和抗渗等耐久性能的下降[6].当前，我国正处于基础建设高速发展的重要时期，对此影响因素应引起重视。
　　3、几点建议
　　（1）对于暴露在大气中的大多数混凝土工程，应当重点考虑混凝土在大气中的抗冻性。抗冻融试验方法应将水融法改为气融法（如在200C或更高温度、湿度95%的环境中融化），尽管试验时间会相对延长，但可以通过适当提高融化温度的方法来解决。混凝土抗冻等级的确定也应以气融法为依据，才能更好地反映其混凝土工程在实际应用环境中的抗冻性。
　　（2）对于大多数混凝土工程，除了推广采用引气剂以外，必须在水胶比的控制方面彻底纠正混凝土内毛细孔半径越大、害处越多的传统观念[6].控制适当的水胶比，以避免混凝土内部形成过多的微毛细孔和过少的大毛细孔。
　　（3）对于大多数以通用水泥为胶凝材料的混凝土工程，应合理控制和选择胶凝材料的粉磨细度，适当控制其中小于5um的细颗粒含量，同样可以避免混凝土内部形成的微毛细孔数量过多。
　　（4）对于水工混凝土和抗渗性要求高的混凝土，建议进一步推广和加强碱矿渣水泥及土壤聚合物水泥等胶凝材料的应用和研究。如：碱矿渣水泥能够大幅度提高混凝土中的超微孔数量。
　　（5）对于已经竣工并采用低水胶比等技术措施的混凝土（尤其是高强混凝土和高性能混凝土）工程，建议在气候干燥季节及时采用表面密封和表面改性等技术措施进行保护。如采用防水涂料涂刷或有机硅防水剂浸渍混凝土表面，以降低混凝土孔隙内部的吸湿性和含湿率，提高混凝土的抗冻性和大气稳定性等耐久性能。