混凝土抗冻性概念的细化及其测评方法

混凝土抗冻性概念的细化

及其测评方法

陈立军1，王德君2，张丹1，孔令炜1，韩莹1，关国英1，荣华1

（1.吉林建筑工程学院，吉林长春

130021；2.长春工程学院，吉林长春

130021）

摘要：强调了不同环境条件下混凝土抗冻性概念的区别，并探讨了它们之间的相互关系及其测试方法。指出不同环境条件下

混凝土抗冻性会随着混凝土孔结构的变化而发生变化。评价混凝土的抗冻性时，应针对不同的环境条件，采取不同的模拟试验和评价方法。

混凝土；抗冻性概念细化；环境条件；测评方法关键词：

中图分类号：TU528文献标识码：A文章编号：1001-702X（2009）09-0008-03

ThedifferentconceptsandthecorrespondingtestingmethodsofconcretefreezeresistanceCHENLijun1，WANGDejun2，ZHANGDan1，KONGLingwei1，HANYing1，GUANGuoying1，RONGHua1

（1.JilinArchitecturalandCivilEngineeringInstitute，Changchun130021，Jilin，China；

2.ChangchunInstituteofTechnology，Changchun130021，Jilin，China）

目前，混凝土抗冻性测试和评价方法中存在的一个较大缺陷，就是试验的环境与实际环境往往不一致[1]，并常用混凝土在试验环境下的抗冻性去判断在实际环境下的抗冻性。这里反映出对不同环境下混凝土抗冻性的概念还不够明确，对它们之间的区别和复杂变化的关系还需要给予进一步的重视和更深入的研究。混凝土的抗冻性根据其所处的环境，一般可分为3种情况：一是完全处于水中的抗冻性；二是暴露于大气中的抗冻三者之间的性；三是暴露于大气中同时又接触水面的抗冻性。相关性随着混凝土自身孔结构状态的变化而改变。如果忽略了这一点，认为混凝土的3种抗冻性之间始终具有固定不变的相关性，并用处于其中一种情况下的相对抗冻性（如：试验通常采用的水融水冻或水融气冻）代替或表示处于其它情况下的相对抗冻性，当混凝土处于不同孔结构状态下，就会出现错误的判断。因此，应该将笼统的抗冻性概念细化为具体环境条件下的抗冻性，明确各种抗冻性概念之间的区别和联系，并完善相应的测试和评价方法。影响混凝土抗冻性的主要因素是混凝土的饱和度，当混凝土的实际饱和度低于混凝土的临界饱和度时，混凝土就具有较高的抗冻融循环能力[2-3]。其中，临界饱和度（使混凝土达到一定冻害程度的饱和度）只与混凝土的孔结构有关，与外界的环境条件无关。对于孔结构一定的混凝土，无论环境条件如何变化，临界饱和度是固定不变的。而决定混凝土实际饱和度的主要因素有2个：一是混凝土内部的孔结构；二是外界的环境条件。具有同样孔结构的混凝土，处于不同的外界环境条件，会有不同的实际饱和度。具有不同孔结构的混凝土，处于相同的外界环境条件，也会有不同的实际饱和度。2个影响因素单独或同时发生变化，都会影响混凝土的实际饱和度。因此，对处于不同环境条件且具有不同孔结构的混凝土，实际饱和度与临界饱和度之差的大小，即抗冻性的高低，同时受孔结构和环境条件的双重影响。这一点就决定了具有不同孔结构的混凝土在不同环境条件下，其抗冻性变化规律的复杂性。由于孔结构的不同，有些混凝土在不同环境条件下的抗冻性可能呈正比关系，也有些混凝土在不同环境条件下的抗冻性可能呈反比关系。在没有完善的实验数据确切地表明这种比例关系的情况下，对于不同孔结构的混凝土，我们不能也无法都用某一种环境条件下抗冻性的相对高低，去判断处于其它环境条件下抗冻性的相对高低。因此，将混凝土的抗冻性概念细化区分为不同环境条件下的抗冻性，并区别对待具有不同孔结构的混凝土就显得十分必要。1

混凝土抗冻性概念的细化依据及其相互关系

收稿日期：2009-04-19

作者简介：陈立军，男，1956年生，吉林长春人，教授。

·8·新型建筑材料2009．9根据混凝土孔结构的主要特点———最可几孔径的种类，可以将混凝土划分为以超微孔为主要孔隙的超密实混凝土、以微毛细孔为主要孔隙的高密实混凝土、以大毛细孔为主要孔隙的普通混凝土和以大孔为主要孔隙的大孔混凝土（包括引气混凝土）等4类。在混凝土孔结构种类基本不变的情况下，各种不同环境条件下的混凝土饱和度之间有相互对应的比例关系。也就是说不同环境条件的抗冻性之间有一定的相关性。但是，在混凝土的孔结构发生较大变化的情况下，这种比例关系就会随着孔结构种类的不同而发生变化。（1）对于抗冻性较好的引气混凝土而言，由于引入气泡的直径（20～200μm）远大于毛细孔的直径，使连通的毛细孔变成了间断的毛细孔。它不仅能提高混凝土的抗渗入性和抗渗漏性[4]，降低混凝土在水中的饱和度；而且能同时降低混凝土在大气中的毛细孔凝结现象，即降低混凝土在大气中的饱和度。2种饱和度一般呈正比，它们与临界饱和度差值的大小也会呈正比关系。故引气混凝土在水中的抗冻性与在大气中的抗冻性，一般也应该呈正比关系。（2）对于以大毛细孔为主要孔隙的混凝土而言，其在水中的饱和度与在大气中的饱和度一般呈反比关系。因为，大毛细孔只有直接与液体接触时才能被液体添满[5]。在大气中只有微毛细孔才能产生毛细孔凝结现象，而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到空气中[5]。这种混凝土在水中的饱和度较大，在大气中的饱和度相对较小。两者与临界饱和度的差值呈反比关系。（3）对于以微毛细孔为主要孔隙的高密实混凝土而言，处在水中或大气中，其孔隙内部都可能有水存在。随着毛细孔压力（其大小与孔径尺寸有关，与孔长度无关，但作用方向与混凝土体积有关[6]）、毛细孔阻力（其大小与孔径尺寸及孔长度均有关）、毛细孔凝结现象、浸水时间和大气湿度等因素的变化，混凝土在水中的饱和度与在大气中的饱和度可能呈正比关系，也可能呈反比关系。它们在水中与在大气中的相对抗冻性，也可能如此。（4）对于以超微孔为主要孔隙的超密实混凝土而言，无论在水中还是在大气中，其孔隙内部一般都有水存在。故这种孔隙越多，混凝土在水中的饱和度与在大气中的饱和度都会相应增大。两者的变化又会呈正比关系。它们在水中与在大气中的相对抗冻性，也应该呈正比关系。更重要的是在不同环境条件下抗冻性即使呈正比关系的混凝土，由于环境条件和混凝土孔结构的不同，其临界饱和度与实际饱和度的差值不同，抗冻性的比例关系也不一样。已有研究表明，普通混凝土的抗冻性室内试验与自然状态的比例陈立军，等：混凝土抗冻性概念的细化及其测评方法

为1∶10.6，引气混凝土的抗冻性室内试验与自然状态的比例为1∶13.6[7]。可知，引气混凝土的室外与室内抗冻性比值大于普通混凝土的室外与室内抗冻性比值。也就是说引气混凝土与普通混凝土相比，室内抗冻性相同，室外抗冻性却相对较高；室内抗冻性相对较低，室外抗冻性却可能相同或相对较高。同样，高强混凝土抗冻性与普通混凝土抗冻性的室内外对比关系也不相同。因为，高强混凝土与普通混凝土相比，结构相对密实，具有相对较多的微毛细孔和相对较少的大毛细孔。故高强混凝土在大气环境中具有更严重的毛细孔凝结现象，它可以使混凝土在大气环境中具有更高的孔隙体积吸湿性，从而导致混凝土的饱和度相对较大，造成混凝土抗冻性下降。所以，如果高强混凝土在室内的抗冻性与普通混凝土相同，则在室外的抗冻性要远低于普通混凝土。甚至会存在高强混凝土在室内的抗冻性高于普通混凝土，但在室外的抗冻性却低于或相同于普通混凝土的现象。在没有试验数据表明两者的具体比例关系时，对于这2种现象，我们均无法根据混凝土在室内相对抗冻性的高低，去判断混凝土在室外相对抗冻性的高低。综合上述分析可以得知，处于不同环境条件下，混凝土抗冻性之间的对应关系会随着混凝土孔结构的变化而发生较大、甚至相反的变化。即在某种环境条件下相对抗冻的混凝土，在另外一种环境条件下却可能相对不抗冻。所以，在评价具有不同孔结构混凝土的抗冻性时，应该区分混凝土处于的环境条件即具体的抗冻性概念，不能轻易用一种抗冻性概念代替或表示另一种抗冻性概念。2混凝土抗冻性的测评方法

实际上，进行抗冻试验的目的就是为了确定不同组成结构的混凝土实际抗冻性的高低。通常认为快速试验法得出的抗冻性结果与长期实际环境的抗冻性结果有必然的联系，其前提应该是指试验条件与实际环境相似的情况下。当抗冻试验法的试验条件与实际环境不同，其抗冻性结果之间也会有一定的联系，但问题的关键在于这种联系并不是固定不变的，而且目前没有完善的试验数据表明这种比例关系。因此，只有对于在不同环境条件下抗冻性比例关系已知的某些混凝土，我们可以通过比较一种规定的环境条件下（如：水融水冻或水融气冻）测得的抗冻试验结果，来判断实际环境抗冻性的相对高低。而对于其它一些在不同环境下抗冻关系未知的混凝土），就不能通过比较与实际环境条件不同的抗冻试验结果，来判断这种混凝土实际环境抗冻性的相对高低。也不能通过这种抗冻试验结果，来判断这种混凝土与其它种类混凝土实际环境抗冻性的相对高低。NEWBUILDINGMATERIALS·9·（如非引气型高强混凝土陈立军，等：混凝土抗冻性概念的细化及其测评方法

鉴于上述这些状况，对于在不同环境条件下抗冻性比例关系未知的混凝土而言，为避免出现判断失误，应该针对不同的抗冻性概念———具体环境条件下的抗冻性，采取不同的、接近实际环境条件的模拟冻融试验和评价方法[8]，并增设辅助性评价指标。初步建议如下：（1）对于完全暴露在大气中的混凝土工程，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。具体试验方法可以将混凝土试块放在蒸汽养护室或蒸汽养护箱内进行吸湿和融化，然后再放入冰箱中冷冻。为了缩短冻融试验时间，可以适当提高融化温度，并且可以将混凝土试块切割成小块后再进行冻融试验。混凝土抗冻等级的确定也应以气融法为依据，才能更好地反映大多数混凝土工程在实际应用环境中的抗冻性。（2）对于暴露在大气中且同时临近水面的混凝土工程，要同时考虑混凝土的吸湿性和在毛细孔压力作用下的吸水性对混凝土抗冻性的影响。因此，建议在进行气融法冻融试验的过程中，融化时将试块的底面与水面保持接触，使试块同时受毛细孔吸水性和吸湿性的双重影响，然后再进行冷冻试验。（3）可以参照瑞典水泥与混凝土研究所提出的混凝土抗冻性预测方法[9]，以临界饱和度（即规定冻害程度的饱和度）与实际饱和度（通过水汽吸附或简单的毛细孔汲水试验评估）的差值来评价抗冻性（饱和度定义为105℃时可蒸发水的总体积与受冻前有效空间中总开孔体积之比）。也可以参照原苏联提出的观点[5]，认为储备孔（被蒸汽空气混合气体充填的孔）体积与充满冰水的孔体积之比越大，抗冻性越好，利用混凝土在不同环境下孔隙体积含水率（其含义与饱和度基本一致）的高低作为辅助指标，来粗略判定混凝土抗冻性的好坏（因为混凝土临界饱和度的影响因素毕竟少于实际饱和度的影响因素，波动范围相对较小）。此外，还有一个重要问题需要考虑，那就是混凝土在不同环境条件下达到一定饱和度所需要的时间。例如，混凝土安全无虞期的定义就是混凝土变为怕被冰冻伤害以前能够浸泡水中的时间[10]。如果混凝土达到一定饱和度所需要的时间较长，或者被水浸泡后干燥速率快（即饱和度降低速率快），在冰冻之前与临界饱和度的差值较大，其抗冻性就会得到提高。已有试验表明，有些水泥石的吸水率虽然相对较高，但其吸湿率却相对较小，而且干燥速率相对较快[11]。因此，在利用饱和度或孔隙体积含水率评定混凝土抗冻性时，还应加入时间的概念。也就是将饱和度或孔隙体积含水率概念进一步细化，区分为在不同环境条件下达到的平衡饱和度或孔隙体积平衡含水率，以及单位时间内的饱和度或孔隙体积含水率。·10·新型建筑材料2009．93结语

（1）处于不同环境条件下，混凝土的抗冻性（也即混凝土的实际饱和度与临界饱和度之差）会随着混凝土孔结构的变化而发生较大、甚至相反的变化。所以，在评价和比较不同孔结构的混凝土抗冻性时，应该将笼统的抗冻性概念细化为具体环境条件下的抗冻性。不能轻易用某一种环境条件下的抗冻性概念代替或表示处于其它环境条件下的抗冻性概念。（2）对于在不同环境条件下抗冻性比例关系未知（如非引气型高强混凝土）、且抗冻性要求较高的混凝土而言，应针对不同概念（即处于不同环境条件下）的抗冻性，采取不同的模拟试验和评价方法，使模拟冻融试验的环境条件尽可能接近实际环境条件。并可以利用混凝土在不同环境条件下临界饱和度与实际饱和度的差值，预测混凝土抗冻性的好坏。也可以利用混凝土在不同环境条件下孔隙体积含水率的高低作为辅助指标，来粗略判定混凝土抗冻性的好坏。此外，还应将饱和度或孔隙体积含水率概念进一步细化为平衡饱和度或孔隙体积平衡含水率，以及单位时间内的饱和度或孔隙体积含水率，并进行综合考虑和评价。参考文献：

[1]

陈立军，王永平.混凝土抗冻等级确定方法与生产技术的商榷[J].新型建筑材料，2004（5）：45-47.[2]

汪澜.水泥混凝土组成性能应用[M].北京：中国建材工业出版社，2005（1）：546.[3]

AM内维尔.混凝土的性能[M].北京：中国建筑工业出版社，1983：475-477.[4]

陈立军，孔令炜，王德君，等.混凝土渗透性概念的细化及其测试方法[J].混凝土，2009（1）：40-42.[5]

AE谢依金．水泥混凝土的结构与性能[M].北京：中国建筑工业出版社，1984：5－6，262-264．[6]

陈立军，王永平，尹新生，等.混凝土孔径尺寸对其抗渗性的影响[J].硅酸盐学报，2005（4）：500-505.[7]

李金玉.我国混凝土坝工程和水工混凝土耐久性研究的新进展[J].商品混凝土，2005（2）：54-60.[8]

陈立军，邢世俊，张丹，等.关于混凝土耐久性检验评定方法的若干问题和建议[J].混凝土，2008（1）：109-111.[9]

PKumarMehta，PauloJMMonteiro.混凝土微观结构、性能和材料[M].北京：中国电力出版社，2008：93.[10]

徐丁华，冯文元.混凝土材料实用指南[M].北京：中国建材工业出版社，2005：142.[11]

陈立军，张丹，孙绍霞，等.水泥粉磨工艺对透水性混凝土路面性能的影响[J].新型建筑材料，2003（1）：22-23.

蒉