混凝土材料技術(shù)講義

(09材料班使用3*17=51學(xué)時(shí))王漢立

2010~2011學(xué)年第2學(xué)期混凝土材料技術(shù)講義

(09材料班使用3*17=51學(xué)時(shí))05混凝土抗凍理論一、緒言抗凍性不單純?nèi)Q于材性的混凝土內(nèi)在性質(zhì)，還應(yīng)把氣候條件及材料使用方式（即環(huán)境）也列為其不可分割的內(nèi)容?；炷量箖鲂匝芯繉?duì)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)具有重大意義。對(duì)于我國(guó)北方地區(qū)具有現(xiàn)實(shí)意義。5混凝土抗凍理論一、緒言1二、可凍水1可凍水與不凍水：在某一固定負(fù)溫下，水泥石中的水分只有一部分是可凍水，即與該溫度對(duì)應(yīng)孔徑及更粗大空隙中所有水分。凝膠另一部分是不凍水。分布在空隙中的水在降溫過程中將要按順序逐步凍結(jié)，不可能同時(shí)凍結(jié)。二、可凍水12在材料內(nèi)部在某指定溫度下不凍水?dāng)?shù)量為一常數(shù)，可以看作材料總空隙率的函數(shù)?？蓛鏊话闶菧囟鹊哪婧瘮?shù)，溫度越低，可凍水越多?？蓛鏊a(chǎn)生多余體積，直接衡量?jī)鼋Y(jié)破壞威力，在混凝土抗凍性上具有重大意義。可凍水（冰）主要集中在水泥石及骨料顆粒的毛細(xì)孔中；凝膠水由于表面力的強(qiáng)大作用不大可能就地凍結(jié)；氣泡中水分易凍結(jié)。在材料內(nèi)部在某指定溫度下不凍水?dāng)?shù)量為一常數(shù)，可以看作材料總空3二、可凍水2如果原始水灰比足夠低并經(jīng)過充分水化，就有可能做出實(shí)際上不包括可凍水的飽和水泥石。不包括毛細(xì)水（或數(shù)量很少）的水泥石，由于凝膠中空間極細(xì)微，結(jié)晶的始發(fā)十分困難，可能并不發(fā)生凍結(jié)；在通常溫度下形成冰量很少，實(shí)際上可以認(rèn)為等于零。人們力圖確定水灰比要低到什么數(shù)值才不需要采取特別措施（如引氣），而仍能保證其抵抗凍融循環(huán)的能力。二、可凍水24二、可凍水3細(xì)孔尺寸對(duì)冰形成的限制：冰晶的形成和傳播要受到毛細(xì)孔尺寸各種限制，任何微小毛細(xì)孔中的冰晶不僅應(yīng)小于孔徑，并且還應(yīng)小于孔徑扣除兩側(cè)吸附水膜后的尺寸。其半徑就是在生長(zhǎng)盡端冰晶中內(nèi)接圓球的半徑，這個(gè)盡端必須鉆入孔結(jié)構(gòu)中各部位。二、可凍水35初始凍結(jié)時(shí)的可凍水只占毛細(xì)水一個(gè)很小比例，只是百分?jǐn)?shù)的個(gè)位數(shù)。在脹縮試驗(yàn)中，初始冰形成導(dǎo)致的膨脹有時(shí)未必很大，但后續(xù)發(fā)生巨大的進(jìn)展性膨脹。這是枝晶后續(xù)生長(zhǎng)的結(jié)果。初始凍結(jié)時(shí)的可凍水只占毛細(xì)水一個(gè)很小比例，只是百分?jǐn)?shù)的個(gè)位數(shù)6二、可凍水4形成冰量實(shí)測(cè)：混凝土在凍結(jié)過程中的始發(fā)凍結(jié)溫度及所形成冰量是決定它抵抗凍結(jié)損壞的主要因素,如能準(zhǔn)確掌握形成冰量就可以推斷預(yù)言冰害嚴(yán)重程度。二、可凍水47顯微量熱法測(cè)定水泥漿的冰形成是個(gè)合理方法，其結(jié)論有：凈漿的可凍水量及其始發(fā)冰凍溫度隨著齡期增加，及水灰比（W/C）的降低而降低。對(duì)某一凈漿而言，隨著每一凍融循環(huán)進(jìn)展，可凍水略有增加。干燥及再飽和處理將增加可凍水量，但隨著W/C降低及反復(fù)干燥，一再飽和，效應(yīng)減弱。顯微量熱法測(cè)定水泥漿的冰形成是個(gè)合理方法，其結(jié)論有：8《混凝土材料技術(shù)》講義第五章混凝土抗凍理論課件9二、可凍水5導(dǎo)電率法：我國(guó)學(xué)者用導(dǎo)電率法對(duì)混凝土試件進(jìn)行冰形成的試驗(yàn)。試驗(yàn)方法是測(cè)試、跟蹤混凝土受凍融循環(huán)時(shí)，其試件中孔隙溶液冰凍時(shí)混凝土導(dǎo)電率隨冰凍溫度的變化。混凝土的導(dǎo)電是通過孔隙溶液中的金屬離子而實(shí)現(xiàn)的，冰可看作非導(dǎo)體；當(dāng)部分孔隙溶液凍結(jié)時(shí)由于導(dǎo)電的溶液減少，導(dǎo)電率必將下降。因此研究導(dǎo)電率下降，可以推算各溫度下已凍結(jié)孔隙水?dāng)?shù)量，即形成冰量。二、可凍水510上述立論是針對(duì)普通混凝土而言，高性能混凝土質(zhì)地較致密，其出現(xiàn)概率最大的孔徑要更小些，對(duì)應(yīng)的冰凍溫度也下降，凍害嚴(yán)重程度還需進(jìn)一步研究。上述立論是針對(duì)普通混凝土而言，高性能混凝土質(zhì)地較致密，其出現(xiàn)11二、可凍水6凍融過程中的脹縮表現(xiàn)：作為實(shí)驗(yàn)手段檢測(cè)水泥及混凝土在冷卻過程中冰凍情形，最常使用脹縮方法，測(cè)定試件在冰凍及融解過程中體積的變化。只要試件包含足夠水分，首先是初始快速冰凍帶來的瞬息膨脹，隨后是大量的進(jìn)展性膨脹，這是原始冰晶（枝晶）后續(xù)生長(zhǎng)的結(jié)果。二、可凍水612圖6-2顯示飽和水泥石典型試驗(yàn)結(jié)果,溫度自A點(diǎn)(-0.2℃)開始逐步下降,整個(gè)體系體積均勻收縮(AB直線)：這是正常的溫度收縮。在B點(diǎn)(-7.5℃)體積突然膨脹（陡直直線BC）說明經(jīng)過或多或少過冷之后，在此點(diǎn)水泥石的內(nèi)部開始迅速凍結(jié)，表現(xiàn)為較集中的膨脹。C點(diǎn)以后繼續(xù)降溫（CD曲線），但坡度不如AB陡削。這一階段體積絕對(duì)值雖是收縮，但如在C點(diǎn)引一線CD’和AB平行，做為比較基準(zhǔn)（即扣除了收縮部分）可以看出：實(shí)際發(fā)生了進(jìn)一步膨脹，即冰凍過程。圖6-2顯示飽和水泥石典型試驗(yàn)結(jié)果,溫度自A點(diǎn)(-0.2℃)13自D點(diǎn)(-25℃)起溫度逐步提升（DH曲線），溫度每一增長(zhǎng)都產(chǎn)生膨脹，直到E點(diǎn)為止。如將AB坡度和曲線比較可知：所產(chǎn)生膨脹低于正常的溫度膨脹，說明在此價(jià)段發(fā)生了冰的逐步融解，導(dǎo)致體積減縮。EF線呈現(xiàn)絕對(duì)收縮，說明融解產(chǎn)生的收縮超過了溫度膨脹。FG的大量收縮對(duì)應(yīng)集中的冰的融解。G點(diǎn)以上的體積增長(zhǎng)單純來自溫度膨脹，GH和AB線平行可說明此點(diǎn)。圖中升溫（融解）曲線DE和降溫（冰凍）的CD不重合說明滯后現(xiàn)象。自D點(diǎn)(-25℃)起溫度逐步提升（DH曲線），溫度每一增長(zhǎng)都14《混凝土材料技術(shù)》講義第五章混凝土抗凍理論課件15三、飽和系數(shù)概念及其發(fā)展飽和系數(shù)評(píng)述：一般把它用作評(píng)定磚、石、混凝土材料抗凍性的一個(gè)間接指標(biāo)。在實(shí)驗(yàn)時(shí)一般根據(jù)下式測(cè)定飽和系數(shù)S=24h冷水浸泡的吸水率/5h煮沸后的吸水率式中分子代表水分容易達(dá)到的空隙,分母代表容易達(dá)到和難達(dá)到空隙兩部分之和,即全部空隙或開口空隙。三、飽和系數(shù)概念及其發(fā)展16上述公式在實(shí)際應(yīng)用中很便利，但為了說明冰凍作用，可利用下式對(duì)飽和系數(shù)進(jìn)行定義：0≤S≤1式中：wf為全部水分（或可凍水）體積；

α為無水自由空間體積；p=wf+α為容器全部空間。上述公式在實(shí)際應(yīng)用中很便利，但為了說明冰凍作用，可利用下式對(duì)17因?yàn)樗?℃凍結(jié)時(shí)體積膨脹9.07%，所以如有1.09wf≤p,則體積膨脹ΔV=0,或這就是說，如果飽和度在此值以下，容器將遺留足夠的空間用以消納冰凍產(chǎn)生的多余體積，不至產(chǎn)生破壞壓力，材料將是抗凍的。因?yàn)樗?℃凍結(jié)時(shí)體積膨脹9.07%，所以如有1.09wf18這個(gè)0.917理論上稱為“臨界飽和系數(shù)”（Scr）。此處假設(shè)容器為脆性，沒有膨脹可能。如果容器具有一定韌性能夠適當(dāng)膨脹，臨界飽和系數(shù)可以超過0.917。根據(jù)上述理論，臨界飽和系數(shù)似乎標(biāo)志著材料抗凍與不抗凍的分野。下圖正是這一理論的典型體現(xiàn)。這個(gè)0.917理論上稱為“臨界飽和系數(shù)”（Scr）。19《混凝土材料技術(shù)》講義第五章混凝土抗凍理論課件20過去常有這樣的規(guī)定，認(rèn)為臨界飽和系數(shù)如在某值，比如說0.80以下，材料將抗凍；數(shù)值在0.80~0.90之間意味著有一定風(fēng)險(xiǎn)；系數(shù)大于0.90則永遠(yuǎn)是不抗凍的同義詞。以上就是密閉容器立論，但是混凝土的情況并非如此簡(jiǎn)單。在普通混凝土中即使假設(shè)最大可能的可凍水，其所產(chǎn)生的多余體積不過混凝土體積的0.9%?？梢哉J(rèn)為：飽和系數(shù)不是抗凍性的可靠指標(biāo)。過去常有這樣的規(guī)定，認(rèn)為臨界飽和系數(shù)如在某值，比如說0.8021飽和系數(shù)學(xué)說把材料看作密閉不透水器壁包圍的容器,冰凍時(shí)含水量不可能發(fā)生變動(dòng),水分出不去將產(chǎn)生巨大內(nèi)壓。問題在于：硬化水泥石和混凝土并不是密閉容器，作為多孔材料在冰凍過程中多少總有一部分水被擠出，跑到邊界以外；多余水不需要全部在本身內(nèi)部消納，這就大大減輕了破壞作用。飽和系數(shù)考慮空間只從總體、平均的意義理解問題；而冰凍破壞可能導(dǎo)源于局部地點(diǎn)水流引起的壓力。飽和系數(shù)學(xué)說把材料看作密閉不透水器壁包圍的容器,冰凍時(shí)含水量22由于飽和系數(shù)不能成為有效的抗凍判據(jù)，有人提出了“抗凍度”概念。材料的抗凍性是三方面變數(shù)的函數(shù)，即：材料性質(zhì)（強(qiáng)度、變形、空隙情況）；氣候條件（凍融循環(huán)次數(shù)、最低溫度、降溫速度、降水量、空氣相對(duì)濕度等）；材料使用方式（暴露給土壤水分的方式及嚴(yán)重程度、自由水及跨越材料的蒸氣壓梯度與溫度梯度等)。由于飽和系數(shù)不能成為有效的抗凍判據(jù)，有人提出了“抗凍度”概念23區(qū)分這幾方面的變數(shù)將構(gòu)成研究這一復(fù)雜問題的一個(gè)根本方式轉(zhuǎn)變，這樣我們就有可能正確預(yù)言材料在指定環(huán)境中的抗凍能力。作為判據(jù)的抗凍度：抗凍性的材料組分（即材料影響因素）由一種簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)確定，它對(duì)于所有類型及品質(zhì)的材料都是同樣的。其環(huán)境組分（即環(huán)境影響因素）由完全不同的方法確定（比如通過特定實(shí)驗(yàn)）。區(qū)分這幾方面的變數(shù)將構(gòu)成研究這一復(fù)雜問題的一個(gè)根本方式轉(zhuǎn)變，24這里可以借助于傳統(tǒng)的飽和系數(shù)概念，材料組分用臨界飽和度（Scr）表示，這是試件在冰凍過程中不出現(xiàn)損害而能達(dá)到的最大飽水程度。對(duì)應(yīng)某一臨界冰凍效應(yīng)必然存在一個(gè)臨界飽和度；吸水超過此值必然在材料內(nèi)部某處出現(xiàn)裂隙。這種對(duì)應(yīng)關(guān)系單純有材料特性決定，即韌性、滲水性、空隙率、孔徑分布及形態(tài)等。由此可見，臨界飽和度是個(gè)材料常數(shù)。這里可以借助于傳統(tǒng)的飽和系數(shù)概念，材料組分用臨界飽和度（Sc25環(huán)境組分用試件在各種冰凍條件下的實(shí)際飽和度（Sact）表示，即材料在壽命全過程中將處于其中的冰凍情形。困難不在于確定臨界飽和度方面，問題在于如何確定使用一段時(shí)間后的混凝土的實(shí)際飽和水平。環(huán)境組分用試件在各種冰凍條件下的實(shí)際飽和度（Sact）表示，26兩者密切相關(guān)，如果材料在現(xiàn)實(shí)條件下的實(shí)際飽和度不知道，僅僅知道臨界飽和度是毫無意義的。作為判據(jù)，當(dāng)某材料的臨界飽和度很低時(shí),并不足以判斷其抗凍性必然惡劣，因?yàn)樵诂F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際達(dá)到的飽和度可能更低。兩者密切相關(guān)，如果材料在現(xiàn)實(shí)條件下的實(shí)際飽和度不知道，僅僅知27幾種冰凍機(jī)制及其應(yīng)用水壓力學(xué)說：做一通俗比喻可以設(shè)想，在集會(huì)散會(huì)時(shí)，圍繞會(huì)場(chǎng)出口必然呈現(xiàn)暫時(shí)的擁擠。雖然從總體平均意義著眼，會(huì)場(chǎng)確實(shí)有空間。按照飽和系數(shù)學(xué)說觀點(diǎn)，單純考慮整體平均情形是不夠的，必須細(xì)致分析局部實(shí)際，有無水流壅塞、壓力暫時(shí)增長(zhǎng)導(dǎo)致破壞的危險(xiǎn)。幾種冰凍機(jī)制及其應(yīng)用水壓力學(xué)說：做一通俗比喻可以設(shè)想，在集會(huì)28當(dāng)冰凍時(shí)多余水受水壓力推動(dòng)向附近氣泡（逃逸邊界）排除時(shí)，材料本身將受到推移水分前進(jìn)的反作用力（后坐力），可能導(dǎo)致材料（孔隙器壁）受拉破壞。材料組織愈致密，對(duì)水流阻力愈大：這是由于水流宣泄不及，疏導(dǎo)不暢引起的動(dòng)水壓力。對(duì)于冰凍破壞具有決定意義的是其相鄰氣泡的距離，即材料體內(nèi)孔隙大小及其位置分布，這樣我們就進(jìn)入了作為水壓力學(xué)說精義的臨界尺寸的概念。當(dāng)冰凍時(shí)多余水受水壓力推動(dòng)向附近氣泡（逃逸邊界）排除時(shí)，材料29《混凝土材料技術(shù)》講義第五章混凝土抗凍理論課件30在其它因素相同的情況下，器壁越厚冰凍產(chǎn)生的最大壓力也越大。在給定的冰凍速率下，臨界壁厚是器壁材料滲水性、冰凍速率和容器強(qiáng)度的函數(shù)。臨界厚度是水壓力學(xué)說中最重要的概念，水泥漿層只有厚度在某一臨界尺寸以內(nèi)才是安全的。這意味著：在硬化水泥漿中只有距冰凍地點(diǎn)在臨界尺寸以內(nèi)的空間，才是實(shí)際有意義能起消納作用的。臨界尺寸越大意味著水泥在抗凍方面越安全。在其它因素相同的情況下，器壁越厚冰凍產(chǎn)生的最大壓力也越大。在31間距因數(shù)：水壓力學(xué)說和臨界尺寸成為指導(dǎo)引氣混凝土生產(chǎn)的理論基礎(chǔ)。引氣的目的在于增多內(nèi)部逃逸邊界，減少漿層厚度，保證氣泡間距小于臨界尺寸。同樣的引氣量如果分散成更多的小氣泡，更密集些，抗凍效果遠(yuǎn)比大氣泡優(yōu)良。如間距較大，混凝土?xí)l(fā)生膨脹；間距越大，膨脹也越大。間距因數(shù)：水壓力學(xué)說和臨界尺寸成為指導(dǎo)引氣混凝土生產(chǎn)的理論基32ACI（美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)）的“耐久混凝土指南”中說：如果間距因數(shù)為0.20mm(所需含氣量約為混凝土體積4%~6%之間)，或更低一些，混凝土中的水泥凈漿在正常情況是會(huì)受到保護(hù)，免于凍融影響（經(jīng)過多次凍融循環(huán)后耐久性指數(shù)達(dá)到60%）。這只是推薦意見，不是規(guī)范的要求。ACI（美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)）的“耐久混凝土指南”中說：如果間距因33推導(dǎo)間距因素，本意是要從氣孔體系實(shí)測(cè)的參數(shù)估算多余水必須移動(dòng)到達(dá)氣孔的最大距離，用以和水壓力所制約的理論上許可的最大距離比較：這個(gè)距離才是我們真正感興趣的。有人研究提出：典型的混凝土其凈漿含量在0.25~0.40之間的，最小含氣量必須在4%~6%之間，這樣體內(nèi)每一點(diǎn)才能十分靠近一個(gè)氣孔。推導(dǎo)間距因素，本意是要從氣孔體系實(shí)測(cè)的參數(shù)估算多余水必須移動(dòng)34顯微規(guī)模析冰（滲透壓或結(jié)晶壓力學(xué)說）顯微規(guī)模析冰：水泥漿中包含的一般是鹽類稀溶液，一旦冰凍后變?yōu)榧儽蜐舛雀叩娜芤?；隨著溫度下降，冰點(diǎn)逐步降低，濃度不斷提高。另方面鄰近凝膠中水分始終保持不凍，其溶液濃度保持原來水平，于是在毛細(xì)孔溶液和凝膠水之間出現(xiàn)濃度差。顯微規(guī)模析冰（滲透壓或結(jié)晶壓力學(xué)說）35濃度差使得溶劑向溶液中自發(fā)擴(kuò)散、滲透，即溶質(zhì)向凝膠水中擴(kuò)散，而凝膠水向毛細(xì)孔中濃溶液轉(zhuǎn)移。其結(jié)果毛細(xì)孔中水分增加，和冰接觸的溶液稀釋，冰晶逐漸生長(zhǎng)、長(zhǎng)大。當(dāng)毛細(xì)孔穴充滿冰和溶液時(shí)，冰晶進(jìn)一步長(zhǎng)大必將產(chǎn)生膨脹壓力，導(dǎo)致破壞。這種導(dǎo)源于濃度差的壓力顯然是滲透壓。這是一個(gè)自發(fā)的不可抗拒過程。濃度差使得溶劑向溶液中自發(fā)擴(kuò)散、滲透，即溶質(zhì)向凝膠水中擴(kuò)散，36毛細(xì)孔具有從附近凝膠中吸引未凍水的能力，基本原因在于它的自由能低于凝膠水中的自由能?；炷良坝不酀{在冰凍過程中不但呈現(xiàn)膨脹，有時(shí)還表現(xiàn)收縮（指超出溫度收縮以外的純收縮）；在恒溫時(shí)有時(shí)表現(xiàn)膨脹逐步減小、而收縮持續(xù)增加的時(shí)間效應(yīng)，這些可通過滲透壓都得到解釋。毛細(xì)孔具有從附近凝膠中吸引未凍水的能力，基本原因在于它的自由37質(zhì)量良好的成熟混凝土滲透系數(shù)很低，冰凍時(shí)很少能有水分進(jìn)入試件，發(fā)展?jié)B透壓所需水分全靠混凝土內(nèi)部已有的供給。事實(shí)上顯微析冰依靠的恰恰是在某溫度未能結(jié)冰那部分水分。所以凈漿每單位體積中凝膠越多，可供使用的水也就越多。質(zhì)量良好的成熟混凝土滲透系數(shù)很低，冰凍時(shí)很少能有水分進(jìn)入試件38顯微析冰現(xiàn)象以在水泥用量較高的成熟靜漿中最易出現(xiàn)，但是作為析冰的開始還需要毛細(xì)孔中水已開始冰凍這一條件。重量水灰比約0.55~0.80這一范圍內(nèi)，就地凍結(jié)的水分對(duì)比凝膠所能提供那部分來說，比例很大；此時(shí)滲透壓不顯著：這一類混凝土的冰凍效應(yīng)主要應(yīng)歸之于水壓力機(jī)制。至于新拌混凝土或低強(qiáng)度、高滲透性的硬化混凝土，其冰凍現(xiàn)象用凍脹學(xué)說解釋最妥。顯微析冰現(xiàn)象以在水泥用量較高的成熟靜漿中最易出現(xiàn)，但是作為析39宏觀規(guī)模析冰（凍脹現(xiàn)象）：凍脹學(xué)說認(rèn)為，冰凍破壞的基本原因不是由于簡(jiǎn)單的冰凍膨脹，而主要來自水分的遷移，使得冰晶長(zhǎng)大，產(chǎn)生壓力。這里說的不是顯微規(guī)模毛細(xì)冰晶，而是肉眼可以看到的巨大冰晶。冰晶的龐大壓力促使混凝土路面隆起、破壞。凍脹破壞在外觀上突出的特點(diǎn)是，材料體內(nèi)將出現(xiàn)若干平行的冰夾層，彼此平行而垂直于熱流方向。宏觀規(guī)模析冰（凍脹現(xiàn)象）：凍脹學(xué)說認(rèn)為，冰凍破壞的基本原因不40《混凝土材料技術(shù)》講義第五章混凝土抗凍理論課件41在冰晶生長(zhǎng)過程中，材料質(zhì)體受到拉應(yīng)力，如果超過抗拉強(qiáng)度即破壞。如果水流適宜，冰點(diǎn)等溫線將恒定不動(dòng)，冰晶陸續(xù)析出發(fā)育。如水流不夠有效，水源枯竭，或熱量不能保持平衡，冰晶將停止增長(zhǎng)。冰點(diǎn)等溫線向熱源移動(dòng)，原來冰層處溫度下降，冷流向內(nèi)延伸，直到另一處適宜地點(diǎn)深層另一水平重新開始發(fā)育冰晶。這樣就形成了垂直熱流方向的平行冰夾層。在冰晶生長(zhǎng)過程中，材料質(zhì)體受到拉應(yīng)力，如果超過抗拉強(qiáng)度即破壞42混凝土路面凍脹破壞的條件如下：混凝土空隙率很高、強(qiáng)度很低、內(nèi)部水多或外部和水源接觸、溫度在冰點(diǎn)以下幾度保持時(shí)間長(zhǎng)久。以上幾點(diǎn)都是水灰比過大帶來的情況。混凝土路面凍脹破壞的條件如下：混凝土空隙率很高、強(qiáng)度很低、內(nèi)43骨料對(duì)混凝土抗凍性的影響為了保證混凝土完好，必須要求骨料和水泥凈漿兩者都不被破壞。構(gòu)成骨料顆粒的巖石屬于礦物結(jié)晶構(gòu)造，不是水泥那樣的凝膠體構(gòu)造，其內(nèi)部孔隙較粗大，所含水分的大部分可在接近正常冰點(diǎn)附近凍結(jié)，這就決定了它的冰凍破壞從屬于水壓力機(jī)制。骨料對(duì)混凝土抗凍性的影響為了保證混凝土完好，必須要求骨料和水44取孤立的骨料顆粒在不被砂漿殼層包裹的條件下，浸水飽和然后快速冷卻冰凍，如顆粒大到一定限度以上，核心存在距離任何逃逸邊界均在臨界尺寸以上的飽水區(qū)域，此時(shí)必將因超過骨料破裂強(qiáng)度的內(nèi)部水壓力而破裂，這就是臨界尺寸效應(yīng)。臨界尺寸的數(shù)量級(jí)為2.5mm。取孤立的骨料顆粒在不被砂漿殼層包裹的條件下，浸水飽和然后快速45凡屬中等吸水、細(xì)孔結(jié)構(gòu)、滲透性較低的巖石，這種危險(xiǎn)較突出；孔隙多、滲透性很強(qiáng)的骨料臨界尺寸可以很大。若巖石吸水率極低（0.5%以下），可凍水極少，冰凍時(shí)無甚應(yīng)力出現(xiàn)，此時(shí)骨料表現(xiàn)安全，不受冰凍損害，自然也就無所謂臨界尺寸的限制。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)應(yīng)避免高度吸水骨料，小顆粒石?？梢缘玫捷^大的抗凍保證。凡屬中等吸水、細(xì)孔結(jié)構(gòu)、滲透性較低的巖石，這種危險(xiǎn)較突出；孔46骨料吸入水分飽和快慢速率對(duì)于抗凍性能關(guān)系重大,而吸水速率除了外在因素砂漿保護(hù)層厚度及滲透性之外,首先取決于巖石孔徑和孔隙率。細(xì)孔結(jié)構(gòu)對(duì)比粗細(xì)孔結(jié)構(gòu)石料，在任何一個(gè)相對(duì)濕度之下都更易吸收大量水分，達(dá)到和保持較高的飽和度，更易遭受冰凍傷害。骨料吸入水分飽和快慢速率對(duì)于抗凍性能關(guān)系重大,而吸水速率除了47骨料因總孔隙率或吸水率的不同也將有不同表現(xiàn)。在孔徑相近的條件下，孔隙率大的石料需要較長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到同一指定飽和度，比孔隙率小的要慢得多，這一點(diǎn)有很大實(shí)用意義?？紫堵蕿橹械鹊墓橇显诨炷林锌赡鼙憩F(xiàn)最差。骨料因總孔隙率或吸水率的不同也將有不同表現(xiàn)。在孔徑相近的條件48無約束孤立骨料顆粒和實(shí)際使用時(shí)埋置在混凝土深處的情況有所不同。無約束情況如顆粒小于臨界尺寸，在飽和狀態(tài)冰凍不致破裂。但如果埋置在混凝土中，骨料被硬化水泥石環(huán)繞包裹，多余水即使已經(jīng)順利排泄到石粒邊界以外，如果不能及時(shí)穿透水泥石宣泄出去，仍然要導(dǎo)致破壞，這就是外部的水壓力作用，結(jié)果常在骨料交界面上留下破壞痕跡。無約束孤立骨料顆粒和實(shí)際使用時(shí)埋置在混凝土深處的情況有所不同49埋置在混凝土中的石粒在混凝土浸水時(shí),飽和度極緩慢地、但是穩(wěn)步地上升；但在干燥期它也得到一個(gè)復(fù)蘇機(jī)會(huì)。石粒確實(shí)達(dá)到臨界飽和之日顯然就是混凝土破壞之時(shí)；但在這一刻到來之前混凝土實(shí)際上是不怕凍害的。石粒飽和度將經(jīng)常在一定幅度以內(nèi)波動(dòng)，而永遠(yuǎn)不會(huì)達(dá)到危險(xiǎn)飽和程度，這就是混凝土的安全無虞期。埋置在混凝土中的石粒在混凝土浸水時(shí),飽和度極緩慢地、但是穩(wěn)步50骨料吸水達(dá)到臨界飽和的時(shí)間取決于下列因素：骨料原始含水狀態(tài)。可由施工方面創(chuàng)造風(fēng)干機(jī)會(huì)，設(shè)法降低。由巖石質(zhì)地、孔徑分布及空隙率決定的吸水速率快慢。由砂漿保護(hù)層厚度及其滲透性決定的密封作用。由結(jié)構(gòu)實(shí)際使用條件所決定的間歇風(fēng)干機(jī)會(huì)。骨料吸水達(dá)到臨界飽和的時(shí)間取決于下列因素：51不同的說法：例如吸附水說法，此說認(rèn)為巖石破壞的主要原因不是冰凍，而是來自吸附水的膨脹。巖石冰凍破壞的主要原因不是冰，而是某些空隙中所含吸附水的一種溫度依賴性體積變化（例如含粘土石灰石）。這種效應(yīng)確實(shí)存在，一般只起次要作用。不同的說法：52現(xiàn)行試驗(yàn)方法和應(yīng)有的認(rèn)識(shí)凍融循環(huán)試驗(yàn)是個(gè)古老事物，經(jīng)過各國(guó)多年廣泛實(shí)踐，人們發(fā)現(xiàn)此法操作繁難，耗費(fèi)大量人力工時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果不穩(wěn)定，重現(xiàn)性很差。其原因是：試驗(yàn)細(xì)節(jié)規(guī)定的不一致或無規(guī)定。冷卻速率的巨大差異。不同的暴露（浸泡）條件。現(xiàn)行試驗(yàn)方法和應(yīng)有的認(rèn)識(shí)凍融循環(huán)試驗(yàn)是個(gè)古老事物，經(jīng)過各國(guó)多53決定混凝土在一組特定環(huán)境下表現(xiàn)的各種內(nèi)在性質(zhì)是可以測(cè)定的；如果掌握了這些性質(zhì)的定量知識(shí)，則混凝土在任何一組特定環(huán)境下的表現(xiàn)是可以預(yù)言的。改進(jìn)做法：以抗凍安全無虞期作為主要指標(biāo)，以膨脹開始后的膨脹率作為次要指標(biāo)。進(jìn)而考慮試件殘留膨脹。決定混凝土在一組特定環(huán)境下表現(xiàn)的各種內(nèi)在性質(zhì)是可以測(cè)定的；如54國(guó)際材料實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合會(huì)(RILEM)推薦方案:首先為混凝土抗凍性明確了兩種侵害:1、凍融侵害；2、凍融及去冰劑侵害。前者指混凝土對(duì)以水為介質(zhì)交替冰凍和融化的抵抗力；后者指對(duì)于以去冰劑為溶液的冰凍和融化的抵抗力。國(guó)際材料實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合會(huì)(RILEM)推薦方案:55混凝土受凍害損傷可以區(qū)分兩種情況：剝落脫皮是由于凍融或凍融及去冰劑抵抗而引起的混凝土表面材料的損傷。內(nèi)部損傷是表面沒有可見效應(yīng)而在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的損傷，它導(dǎo)致混凝土性質(zhì)改變。RILEM推薦了兩種試驗(yàn)：毛細(xì)吸水及凍融試驗(yàn)（以水進(jìn)行凍融）。毛細(xì)吸去冰劑溶液及凍融試驗(yàn)（以氯化鈉溶液進(jìn)行凍融）?；炷潦軆龊p傷可以區(qū)分兩種情況：56試件形體區(qū)分兩種情況:平板實(shí)驗(yàn)，截面積15cm×15cm，高度7.5~12cm之間，由骨料最大粒徑而定。試驗(yàn)時(shí)將平板應(yīng)實(shí)驗(yàn)表面朝下，浸在深度5mm的溶液中，毛細(xì)吸液進(jìn)行凍融。立方體實(shí)驗(yàn)，一般邊長(zhǎng)100mm，全部浸泡在液體中受凍融。實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：每次循環(huán)溫度從4.4℃降到-17.8℃，隨后升溫到4.4℃，全部在2～5h內(nèi)完成；周期性目測(cè)判斷損害并測(cè)量動(dòng)彈模量。試件形體區(qū)分兩種情況:57實(shí)驗(yàn)時(shí)度量經(jīng)過若干次明確凍融循環(huán)后，混凝土每單位面積上的剝落重量，從而對(duì)凍融抵抗力或?qū)鋈诩叭ケ鶆┑挚沽ψ鞒龉烙?jì)。實(shí)驗(yàn)時(shí)度量經(jīng)過若干次明確凍融循環(huán)后，混凝土每單位面積上的剝落58RILEM推薦的混凝土凍融實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容是什么？什么是可凍水與不凍水？什么是顯微量熱法？骨料對(duì)混凝土抗凍性的影響有哪些？RILEM推薦的混凝土凍融實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容是什么？59混凝土材料技術(shù)講義

(09材料班使用3*17=51學(xué)時(shí))王漢立

2010~2011學(xué)年第2學(xué)期混凝土材料技術(shù)講義

(09材料班使用3*17=51學(xué)時(shí))605混凝土抗凍理論一、緒言抗凍性不單純?nèi)Q于材性的混凝土內(nèi)在性質(zhì)，還應(yīng)把氣候條件及材料使用方式（即環(huán)境）也列為其不可分割的內(nèi)容?；炷量箖鲂匝芯繉?duì)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)具有重大意義。對(duì)于我國(guó)北方地區(qū)具有現(xiàn)實(shí)意義。5混凝土抗凍理論一、緒言61二、可凍水1可凍水與不凍水：在某一固定負(fù)溫下，水泥石中的水分只有一部分是可凍水，即與該溫度對(duì)應(yīng)孔徑及更粗大空隙中所有水分。凝膠另一部分是不凍水。分布在空隙中的水在降溫過程中將要按順序逐步凍結(jié)，不可能同時(shí)凍結(jié)。二、可凍水162在材料內(nèi)部在某指定溫度下不凍水?dāng)?shù)量為一常數(shù)，可以看作材料總空隙率的函數(shù)?？蓛鏊话闶菧囟鹊哪婧瘮?shù)，溫度越低，可凍水越多?？蓛鏊a(chǎn)生多余體積，直接衡量?jī)鼋Y(jié)破壞威力，在混凝土抗凍性上具有重大意義?？蓛鏊ū┲饕性谒嗍肮橇项w粒的毛細(xì)孔中；凝膠水由于表面力的強(qiáng)大作用不大可能就地凍結(jié)；氣泡中水分易凍結(jié)。在材料內(nèi)部在某指定溫度下不凍水?dāng)?shù)量為一常數(shù)，可以看作材料總空63二、可凍水2如果原始水灰比足夠低并經(jīng)過充分水化，就有可能做出實(shí)際上不包括可凍水的飽和水泥石。不包括毛細(xì)水（或數(shù)量很少）的水泥石，由于凝膠中空間極細(xì)微，結(jié)晶的始發(fā)十分困難，可能并不發(fā)生凍結(jié)；在通常溫度下形成冰量很少，實(shí)際上可以認(rèn)為等于零。人們力圖確定水灰比要低到什么數(shù)值才不需要采取特別措施（如引氣），而仍能保證其抵抗凍融循環(huán)的能力。二、可凍水264二、可凍水3細(xì)孔尺寸對(duì)冰形成的限制：冰晶的形成和傳播要受到毛細(xì)孔尺寸各種限制，任何微小毛細(xì)孔中的冰晶不僅應(yīng)小于孔徑，并且還應(yīng)小于孔徑扣除兩側(cè)吸附水膜后的尺寸。其半徑就是在生長(zhǎng)盡端冰晶中內(nèi)接圓球的半徑，這個(gè)盡端必須鉆入孔結(jié)構(gòu)中各部位。二、可凍水365初始凍結(jié)時(shí)的可凍水只占毛細(xì)水一個(gè)很小比例，只是百分?jǐn)?shù)的個(gè)位數(shù)。在脹縮試驗(yàn)中，初始冰形成導(dǎo)致的膨脹有時(shí)未必很大，但后續(xù)發(fā)生巨大的進(jìn)展性膨脹。這是枝晶后續(xù)生長(zhǎng)的結(jié)果。初始凍結(jié)時(shí)的可凍水只占毛細(xì)水一個(gè)很小比例，只是百分?jǐn)?shù)的個(gè)位數(shù)66二、可凍水4形成冰量實(shí)測(cè)：混凝土在凍結(jié)過程中的始發(fā)凍結(jié)溫度及所形成冰量是決定它抵抗凍結(jié)損壞的主要因素,如能準(zhǔn)確掌握形成冰量就可以推斷預(yù)言冰害嚴(yán)重程度。二、可凍水467顯微量熱法測(cè)定水泥漿的冰形成是個(gè)合理方法，其結(jié)論有：凈漿的可凍水量及其始發(fā)冰凍溫度隨著齡期增加，及水灰比（W/C）的降低而降低。對(duì)某一凈漿而言，隨著每一凍融循環(huán)進(jìn)展，可凍水略有增加。干燥及再飽和處理將增加可凍水量，但隨著W/C降低及反復(fù)干燥，一再飽和，效應(yīng)減弱。顯微量熱法測(cè)定水泥漿的冰形成是個(gè)合理方法，其結(jié)論有：68《混凝土材料技術(shù)》講義第五章混凝土抗凍理論課件69二、可凍水5導(dǎo)電率法：我國(guó)學(xué)者用導(dǎo)電率法對(duì)混凝土試件進(jìn)行冰形成的試驗(yàn)。試驗(yàn)方法是測(cè)試、跟蹤混凝土受凍融循環(huán)時(shí)，其試件中孔隙溶液冰凍時(shí)混凝土導(dǎo)電率隨冰凍溫度的變化?；炷恋膶?dǎo)電是通過孔隙溶液中的金屬離子而實(shí)現(xiàn)的，冰可看作非導(dǎo)體；當(dāng)部分孔隙溶液凍結(jié)時(shí)由于導(dǎo)電的溶液減少，導(dǎo)電率必將下降。因此研究導(dǎo)電率下降，可以推算各溫度下已凍結(jié)孔隙水?dāng)?shù)量，即形成冰量。二、可凍水570上述立論是針對(duì)普通混凝土而言，高性能混凝土質(zhì)地較致密，其出現(xiàn)概率最大的孔徑要更小些，對(duì)應(yīng)的冰凍溫度也下降，凍害嚴(yán)重程度還需進(jìn)一步研究。上述立論是針對(duì)普通混凝土而言，高性能混凝土質(zhì)地較致密，其出現(xiàn)71二、可凍水6凍融過程中的脹縮表現(xiàn)：作為實(shí)驗(yàn)手段檢測(cè)水泥及混凝土在冷卻過程中冰凍情形，最常使用脹縮方法，測(cè)定試件在冰凍及融解過程中體積的變化。只要試件包含足夠水分，首先是初始快速冰凍帶來的瞬息膨脹，隨后是大量的進(jìn)展性膨脹，這是原始冰晶（枝晶）后續(xù)生長(zhǎng)的結(jié)果。二、可凍水672圖6-2顯示飽和水泥石典型試驗(yàn)結(jié)果,溫度自A點(diǎn)(-0.2℃)開始逐步下降,整個(gè)體系體積均勻收縮(AB直線)：這是正常的溫度收縮。在B點(diǎn)(-7.5℃)體積突然膨脹（陡直直線BC）說明經(jīng)過或多或少過冷之后，在此點(diǎn)水泥石的內(nèi)部開始迅速凍結(jié)，表現(xiàn)為較集中的膨脹。C點(diǎn)以后繼續(xù)降溫（CD曲線），但坡度不如AB陡削。這一階段體積絕對(duì)值雖是收縮，但如在C點(diǎn)引一線CD’和AB平行，做為比較基準(zhǔn)（即扣除了收縮部分）可以看出：實(shí)際發(fā)生了進(jìn)一步膨脹，即冰凍過程。圖6-2顯示飽和水泥石典型試驗(yàn)結(jié)果,溫度自A點(diǎn)(-0.2℃)73自D點(diǎn)(-25℃)起溫度逐步提升（DH曲線），溫度每一增長(zhǎng)都產(chǎn)生膨脹，直到E點(diǎn)為止。如將AB坡度和曲線比較可知：所產(chǎn)生膨脹低于正常的溫度膨脹，說明在此價(jià)段發(fā)生了冰的逐步融解，導(dǎo)致體積減縮。EF線呈現(xiàn)絕對(duì)收縮，說明融解產(chǎn)生的收縮超過了溫度膨脹。FG的大量收縮對(duì)應(yīng)集中的冰的融解。G點(diǎn)以上的體積增長(zhǎng)單純來自溫度膨脹，GH和AB線平行可說明此點(diǎn)。圖中升溫（融解）曲線DE和降溫（冰凍）的CD不重合說明滯后現(xiàn)象。自D點(diǎn)(-25℃)起溫度逐步提升（DH曲線），溫度每一增長(zhǎng)都74《混凝土材料技術(shù)》講義第五章混凝土抗凍理論課件75三、飽和系數(shù)概念及其發(fā)展飽和系數(shù)評(píng)述：一般把它用作評(píng)定磚、石、混凝土材料抗凍性的一個(gè)間接指標(biāo)。在實(shí)驗(yàn)時(shí)一般根據(jù)下式測(cè)定飽和系數(shù)S=24h冷水浸泡的吸水率/5h煮沸后的吸水率式中分子代表水分容易達(dá)到的空隙,分母代表容易達(dá)到和難達(dá)到空隙兩部分之和,即全部空隙或開口空隙。三、飽和系數(shù)概念及其發(fā)展76上述公式在實(shí)際應(yīng)用中很便利，但為了說明冰凍作用，可利用下式對(duì)飽和系數(shù)進(jìn)行定義：0≤S≤1式中：wf為全部水分（或可凍水）體積；

α為無水自由空間體積；p=wf+α為容器全部空間。上述公式在實(shí)際應(yīng)用中很便利，但為了說明冰凍作用，可利用下式對(duì)77因?yàn)樗?℃凍結(jié)時(shí)體積膨脹9.07%，所以如有1.09wf≤p,則體積膨脹ΔV=0,或這就是說，如果飽和度在此值以下，容器將遺留足夠的空間用以消納冰凍產(chǎn)生的多余體積，不至產(chǎn)生破壞壓力，材料將是抗凍的。因?yàn)樗?℃凍結(jié)時(shí)體積膨脹9.07%，所以如有1.09wf78這個(gè)0.917理論上稱為“臨界飽和系數(shù)”（Scr）。此處假設(shè)容器為脆性，沒有膨脹可能。如果容器具有一定韌性能夠適當(dāng)膨脹，臨界飽和系數(shù)可以超過0.917。根據(jù)上述理論，臨界飽和系數(shù)似乎標(biāo)志著材料抗凍與不抗凍的分野。下圖正是這一理論的典型體現(xiàn)。這個(gè)0.917理論上稱為“臨界飽和系數(shù)”（Scr）。79《混凝土材料技術(shù)》講義第五章混凝土抗凍理論課件80過去常有這樣的規(guī)定，認(rèn)為臨界飽和系數(shù)如在某值，比如說0.80以下，材料將抗凍；數(shù)值在0.80~0.90之間意味著有一定風(fēng)險(xiǎn)；系數(shù)大于0.90則永遠(yuǎn)是不抗凍的同義詞。以上就是密閉容器立論，但是混凝土的情況并非如此簡(jiǎn)單。在普通混凝土中即使假設(shè)最大可能的可凍水，其所產(chǎn)生的多余體積不過混凝土體積的0.9%?？梢哉J(rèn)為：飽和系數(shù)不是抗凍性的可靠指標(biāo)。過去常有這樣的規(guī)定，認(rèn)為臨界飽和系數(shù)如在某值，比如說0.8081飽和系數(shù)學(xué)說把材料看作密閉不透水器壁包圍的容器,冰凍時(shí)含水量不可能發(fā)生變動(dòng),水分出不去將產(chǎn)生巨大內(nèi)壓。問題在于：硬化水泥石和混凝土并不是密閉容器，作為多孔材料在冰凍過程中多少總有一部分水被擠出，跑到邊界以外；多余水不需要全部在本身內(nèi)部消納，這就大大減輕了破壞作用。飽和系數(shù)考慮空間只從總體、平均的意義理解問題；而冰凍破壞可能導(dǎo)源于局部地點(diǎn)水流引起的壓力。飽和系數(shù)學(xué)說把材料看作密閉不透水器壁包圍的容器,冰凍時(shí)含水量82由于飽和系數(shù)不能成為有效的抗凍判據(jù)，有人提出了“抗凍度”概念。材料的抗凍性是三方面變數(shù)的函數(shù)，即：材料性質(zhì)（強(qiáng)度、變形、空隙情況）；氣候條件（凍融循環(huán)次數(shù)、最低溫度、降溫速度、降水量、空氣相對(duì)濕度等）；材料使用方式（暴露給土壤水分的方式及嚴(yán)重程度、自由水及跨越材料的蒸氣壓梯度與溫度梯度等)。由于飽和系數(shù)不能成為有效的抗凍判據(jù)，有人提出了“抗凍度”概念83區(qū)分這幾方面的變數(shù)將構(gòu)成研究這一復(fù)雜問題的一個(gè)根本方式轉(zhuǎn)變，這樣我們就有可能正確預(yù)言材料在指定環(huán)境中的抗凍能力。作為判據(jù)的抗凍度：抗凍性的材料組分（即材料影響因素）由一種簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)確定，它對(duì)于所有類型及品質(zhì)的材料都是同樣的。其環(huán)境組分（即環(huán)境影響因素）由完全不同的方法確定（比如通過特定實(shí)驗(yàn)）。區(qū)分這幾方面的變數(shù)將構(gòu)成研究這一復(fù)雜問題的一個(gè)根本方式轉(zhuǎn)變，84這里可以借助于傳統(tǒng)的飽和系數(shù)概念，材料組分用臨界飽和度（Scr）表示，這是試件在冰凍過程中不出現(xiàn)損害而能達(dá)到的最大飽水程度。對(duì)應(yīng)某一臨界冰凍效應(yīng)必然存在一個(gè)臨界飽和度；吸水超過此值必然在材料內(nèi)部某處出現(xiàn)裂隙。這種對(duì)應(yīng)關(guān)系單純有材料特性決定，即韌性、滲水性、空隙率、孔徑分布及形態(tài)等。由此可見，臨界飽和度是個(gè)材料常數(shù)。這里可以借助于傳統(tǒng)的飽和系數(shù)概念，材料組分用臨界飽和度（Sc85環(huán)境組分用試件在各種冰凍條件下的實(shí)際飽和度（Sact）表示，即材料在壽命全過程中將處于其中的冰凍情形。困難不在于確定臨界飽和度方面，問題在于如何確定使用一段時(shí)間后的混凝土的實(shí)際飽和水平。環(huán)境組分用試件在各種冰凍條件下的實(shí)際飽和度（Sact）表示，86兩者密切相關(guān)，如果材料在現(xiàn)實(shí)條件下的實(shí)際飽和度不知道，僅僅知道臨界飽和度是毫無意義的。作為判據(jù)，當(dāng)某材料的臨界飽和度很低時(shí),并不足以判斷其抗凍性必然惡劣，因?yàn)樵诂F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際達(dá)到的飽和度可能更低。兩者密切相關(guān)，如果材料在現(xiàn)實(shí)條件下的實(shí)際飽和度不知道，僅僅知87幾種冰凍機(jī)制及其應(yīng)用水壓力學(xué)說：做一通俗比喻可以設(shè)想，在集會(huì)散會(huì)時(shí)，圍繞會(huì)場(chǎng)出口必然呈現(xiàn)暫時(shí)的擁擠。雖然從總體平均意義著眼，會(huì)場(chǎng)確實(shí)有空間。按照飽和系數(shù)學(xué)說觀點(diǎn)，單純考慮整體平均情形是不夠的，必須細(xì)致分析局部實(shí)際，有無水流壅塞、壓力暫時(shí)增長(zhǎng)導(dǎo)致破壞的危險(xiǎn)。幾種冰凍機(jī)制及其應(yīng)用水壓力學(xué)說：做一通俗比喻可以設(shè)想，在集會(huì)88當(dāng)冰凍時(shí)多余水受水壓力推動(dòng)向附近氣泡（逃逸邊界）排除時(shí)，材料本身將受到推移水分前進(jìn)的反作用力（后坐力），可能導(dǎo)致材料（孔隙器壁）受拉破壞。材料組織愈致密，對(duì)水流阻力愈大：這是由于水流宣泄不及，疏導(dǎo)不暢引起的動(dòng)水壓力。對(duì)于冰凍破壞具有決定意義的是其相鄰氣泡的距離，即材料體內(nèi)孔隙大小及其位置分布，這樣我們就進(jìn)入了作為水壓力學(xué)說精義的臨界尺寸的概念。當(dāng)冰凍時(shí)多余水受水壓力推動(dòng)向附近氣泡（逃逸邊界）排除時(shí)，材料89《混凝土材料技術(shù)》講義第五章混凝土抗凍理論課件90在其它因素相同的情況下，器壁越厚冰凍產(chǎn)生的最大壓力也越大。在給定的冰凍速率下，臨界壁厚是器壁材料滲水性、冰凍速率和容器強(qiáng)度的函數(shù)。臨界厚度是水壓力學(xué)說中最重要的概念，水泥漿層只有厚度在某一臨界尺寸以內(nèi)才是安全的。這意味著：在硬化水泥漿中只有距冰凍地點(diǎn)在臨界尺寸以內(nèi)的空間，才是實(shí)際有意義能起消納作用的。臨界尺寸越大意味著水泥在抗凍方面越安全。在其它因素相同的情況下，器壁越厚冰凍產(chǎn)生的最大壓力也越大。在91間距因數(shù)：水壓力學(xué)說和臨界尺寸成為指導(dǎo)引氣混凝土生產(chǎn)的理論基礎(chǔ)。引氣的目的在于增多內(nèi)部逃逸邊界，減少漿層厚度，保證氣泡間距小于臨界尺寸。同樣的引氣量如果分散成更多的小氣泡，更密集些，抗凍效果遠(yuǎn)比大氣泡優(yōu)良。如間距較大，混凝土?xí)l(fā)生膨脹；間距越大，膨脹也越大。間距因數(shù)：水壓力學(xué)說和臨界尺寸成為指導(dǎo)引氣混凝土生產(chǎn)的理論基92ACI（美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)）的“耐久混凝土指南”中說：如果間距因數(shù)為0.20mm(所需含氣量約為混凝土體積4%~6%之間)，或更低一些，混凝土中的水泥凈漿在正常情況是會(huì)受到保護(hù)，免于凍融影響（經(jīng)過多次凍融循環(huán)后耐久性指數(shù)達(dá)到60%）。這只是推薦意見，不是規(guī)范的要求。ACI（美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)）的“耐久混凝土指南”中說：如果間距因93推導(dǎo)間距因素，本意是要從氣孔體系實(shí)測(cè)的參數(shù)估算多余水必須移動(dòng)到達(dá)氣孔的最大距離，用以和水壓力所制約的理論上許可的最大距離比較：這個(gè)距離才是我們真正感興趣的。有人研究提出：典型的混凝土其凈漿含量在0.25~0.40之間的，最小含氣量必須在4%~6%之間，這樣體內(nèi)每一點(diǎn)才能十分靠近一個(gè)氣孔。推導(dǎo)間距因素，本意是要從氣孔體系實(shí)測(cè)的參數(shù)估算多余水必須移動(dòng)94顯微規(guī)模析冰（滲透壓或結(jié)晶壓力學(xué)說）顯微規(guī)模析冰：水泥漿中包含的一般是鹽類稀溶液，一旦冰凍后變?yōu)榧儽蜐舛雀叩娜芤?；隨著溫度下降，冰點(diǎn)逐步降低，濃度不斷提高。另方面鄰近凝膠中水分始終保持不凍，其溶液濃度保持原來水平，于是在毛細(xì)孔溶液和凝膠水之間出現(xiàn)濃度差。顯微規(guī)模析冰（滲透壓或結(jié)晶壓力學(xué)說）95濃度差使得溶劑向溶液中自發(fā)擴(kuò)散、滲透，即溶質(zhì)向凝膠水中擴(kuò)散，而凝膠水向毛細(xì)孔中濃溶液轉(zhuǎn)移。其結(jié)果毛細(xì)孔中水分增加，和冰接觸的溶液稀釋，冰晶逐漸生長(zhǎng)、長(zhǎng)大。當(dāng)毛細(xì)孔穴充滿冰和溶液時(shí)，冰晶進(jìn)一步長(zhǎng)大必將產(chǎn)生膨脹壓力，導(dǎo)致破壞。這種導(dǎo)源于濃度差的壓力顯然是滲透壓。這是一個(gè)自發(fā)的不可抗拒過程。濃度差使得溶劑向溶液中自發(fā)擴(kuò)散、滲透，即溶質(zhì)向凝膠水中擴(kuò)散，96毛細(xì)孔具有從附近凝膠中吸引未凍水的能力，基本原因在于它的自由能低于凝膠水中的自由能。混凝土及硬化水泥漿在冰凍過程中不但呈現(xiàn)膨脹，有時(shí)還表現(xiàn)收縮（指超出溫度收縮以外的純收縮）；在恒溫時(shí)有時(shí)表現(xiàn)膨脹逐步減小、而收縮持續(xù)增加的時(shí)間效應(yīng)，這些可通過滲透壓都得到解釋。毛細(xì)孔具有從附近凝膠中吸引未凍水的能力，基本原因在于它的自由97質(zhì)量良好的成熟混凝土滲透系數(shù)很低，冰凍時(shí)很少能有水分進(jìn)入試件，發(fā)展?jié)B透壓所需水分全靠混凝土內(nèi)部已有的供給。事實(shí)上顯微析冰依靠的恰恰是在某溫度未能結(jié)冰那部分水分。所以凈漿每單位體積中凝膠越多，可供使用的水也就越多。質(zhì)量良好的成熟混凝土滲透系數(shù)很低，冰凍時(shí)很少能有水分進(jìn)入試件98顯微析冰現(xiàn)象以在水泥用量較高的成熟靜漿中最易出現(xiàn)，但是作為析冰的開始還需要毛細(xì)孔中水已開始冰凍這一條件。重量水灰比約0.55~0.80這一范圍內(nèi)，就地凍結(jié)的水分對(duì)比凝膠所能提供那部分來說，比例很大；此時(shí)滲透壓不顯著：這一類混凝土的冰凍效應(yīng)主要應(yīng)歸之于水壓力機(jī)制。至于新拌混凝土或低強(qiáng)度、高滲透性的硬化混凝土，其冰凍現(xiàn)象用凍脹學(xué)說解釋最妥。顯微析冰現(xiàn)象以在水泥用量較高的成熟靜漿中最易出現(xiàn)，但是作為析99宏觀規(guī)模析冰（凍脹現(xiàn)象）：凍脹學(xué)說認(rèn)為，冰凍破壞的基本原因不是由于簡(jiǎn)單的冰凍膨脹，而主要來自水分的遷移，使得冰晶長(zhǎng)大，產(chǎn)生壓力。這里說的不是顯微規(guī)模毛細(xì)冰晶，而是肉眼可以看到的巨大冰晶。冰晶的龐大壓力促使混凝土路面隆起、破壞。凍脹破壞在外觀上突出的特點(diǎn)是，材料體內(nèi)將出現(xiàn)若干平行的冰夾層，彼此平行而垂直于熱流方向。宏觀規(guī)模析冰（凍脹現(xiàn)象）：凍脹學(xué)說認(rèn)為，冰凍破壞的基本原因不100《混凝土材料技術(shù)》講義第五章混凝土抗凍理論課件101在冰晶生長(zhǎng)過程中，材料質(zhì)體受到拉應(yīng)力，如果超過抗拉強(qiáng)度即破壞。如果水流適宜，冰點(diǎn)等溫線將恒定不動(dòng)，冰晶陸續(xù)析出發(fā)育。如水流不夠有效，水源枯竭，或熱量不能保持平衡，冰晶將停止增長(zhǎng)。冰點(diǎn)等溫線向熱源移動(dòng)，原來冰層處溫度下降，冷流向內(nèi)延伸，直到另一處適宜地點(diǎn)深層另一水平重新開始發(fā)育冰晶。這樣就形成了垂直熱流方向的平行冰夾層。在冰晶生長(zhǎng)過程中，材料質(zhì)體受到拉應(yīng)力，如果超過抗拉強(qiáng)度即破壞102混凝土路面凍脹破壞的條件如下：混凝土空隙率很高、強(qiáng)度很低、內(nèi)部水多或外部和水源接觸、溫度在冰點(diǎn)以下幾度保持時(shí)間長(zhǎng)久。以上幾點(diǎn)都是水灰比過大帶來的情況?；炷谅访鎯雒浧茐牡臈l件如下：混凝土空隙率很高、強(qiáng)度很低、內(nèi)103骨料對(duì)混凝土抗凍性的影響為了保證混凝土完好，必須要求骨料和水泥凈漿兩者都不被破壞。構(gòu)成骨料顆粒的巖石屬于礦物結(jié)晶構(gòu)造，不是水泥那樣的凝膠體構(gòu)造，其內(nèi)部孔隙較粗大，所含水分的大部分可在接近正常冰點(diǎn)附近凍結(jié)，這就決定了它的冰凍破壞從屬于水壓力機(jī)制。骨料對(duì)混凝土抗凍性的影響為了保證混凝土完好，必須要求骨料和水104取孤立的骨料顆粒在不被砂漿殼層包裹的條件下，浸水飽和然后快速冷卻冰凍，如顆粒大到一定限度以上，核心存在距離任何逃逸邊界均在臨界尺寸以上的飽水區(qū)域，此時(shí)必將因超過骨料破裂強(qiáng)度的內(nèi)部水壓力而破裂，這就是臨界尺寸效應(yīng)。臨界尺寸的數(shù)量級(jí)為2.5mm。取孤立的骨料顆粒在不被砂漿殼層包裹的條件下，浸水飽和然后快速105凡屬中等吸水、細(xì)孔結(jié)構(gòu)、滲透性較低的巖石，這種危險(xiǎn)較突出；孔隙多、滲透性很強(qiáng)的骨料臨界尺寸可以很大。若巖石吸水率極低（0.5%以下），可凍水極少，冰凍時(shí)無甚應(yīng)力出現(xiàn)，此時(shí)骨料表現(xiàn)安全，不受冰凍損害，自然也就無所謂臨界尺寸的限制。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)應(yīng)避免高度吸水骨料，小顆粒石?？梢缘玫捷^大的抗凍保證。凡屬中等吸水、細(xì)孔結(jié)構(gòu)、滲透性較低的巖石，這種危險(xiǎn)較突出；孔106骨料吸入水分飽和快慢速率對(duì)于抗凍性能關(guān)系重大,而吸水速率除了外在因素砂漿保護(hù)層厚度及滲透性之外,首先取決于巖石孔徑和孔隙率。細(xì)孔結(jié)構(gòu)對(duì)比粗細(xì)孔結(jié)構(gòu)石料，在任何一個(gè)相對(duì)濕度之下都更易吸收大量水分，達(dá)到和保持較高的飽和度，更易遭受冰凍傷害。骨料吸入水分飽和快慢速率對(duì)于抗凍性能關(guān)系重