高寒地区抗冻融混凝土技术研究

高寒地区抗冻融混凝土技术研究

王进良

中国电建集团河北工程有限公司 ， 河北省石家庄市 050021

【摘 要】 混凝土结构老化病害主要原因之一就是混凝土冻融破坏，混凝土耐久性与安全性受到较大影响；在延续这些结构的寿命，每年耗费巨资；抗冻融性能不高的混凝土结构出现裂纹。开展高寒地区抗冻融混凝土技术研究具有较大社会效益、经济效益。

【关键词】大直径筒仓；斜锥顶；中心支撑体系。

1 立项研究的背景

1.1 施工自然条件

乌兰察布市（Ulanqab）地处中国正北方，内蒙古自治区中部，乌兰察布市地处中温带，大陆季风性气候。因大青山在中间地带分隔，形成前面山区降雨丰沛，后面山区风量较大。近年来，年降水量在100毫米～400毫米，雨量主要集中在7、8、9月份。年均温度基本位于0 -18摄氏度之间，无霜期95天～145天。

1.2 立项的目的

混凝土结构的抗冻融性能指其抵御冻融破坏的性能，是混凝土耐久性的一项重要指标。调查资料显示：在严寒地区，所有的混凝土水工建筑物不同程度遭受冻融自然现象的破坏，影响建筑物的远期的使用与全寿命周期，每年消耗巨资用于维修。

1.3 立项的必要性

研究混凝土冻融破坏的机理、影响因素以及提高混凝土抗冻融性能的有效措施具有重大的社会意义和经济意义。新中国以来，我国前期建设的大量混凝土工程，随着每年的冻融循环，混凝土的冻融损坏不断显现，这不但影响工作，甚至影响到工程的设备运行。经过统计，混凝土冻融危害 “三北”等高寒地区，在长江以北黄河以南的中部地区也广泛存在。混凝土结构老化病害主要原因之一就是混凝土冻融破坏，混凝土耐久性与安全性受到较大影响，延续这些结构的寿命，每年耗费巨资。抗冻融性能不高的混凝土结构出现裂纹。开展高寒地区抗冻融混凝土技术研究具有较大社会效益、经济效益。

2 国内外研究概况及可行性分析

2.1国内外研究概况：

据1980年美国的报道，有56万座公路桥因冬季除雪使用盐类造成混凝土冻融剥蚀和钢筋锈蚀，其中有9万座危害严重，仅1978年，全年的维修损失达63亿美元 。

Selleck 等人认为，冻融效应触发的损害在分步是均匀的，主要表现为细小的裂缝，当然裂缝不会发生较大的危害，但是裂缝不断地扩大，在混凝土结构中形成宏观意义的裂缝，导致混凝土结构破坏，因此认为混凝土在冻融破坏的过程中，主要的宏观特性为密实度和强度的大幅降低，其中抗拉强度和抗折强度最为敏感。 冻融破坏力随着外界温度降低和冻结速率不断加快而增强。同时随着冻融次数不断增加，混凝土结构中微裂缝不断出现和发展。Mohamed0.A. 等人认为，水凝结为冰在膨胀挤压导致未冻结水孔内体积缩小而产生压力。如果压力逐步变大， 未冻结水的毛细孔会不断地加大扩张。当水压足够的大超过极限，就会产生破坏。他认为采用引气剂可以提高混凝土抗冻融性。Litvan认为， 混凝土敷面有盐分时将吸附水分向其表面迁移，当这些水结冰时将阻塞作用，从而产生破坏压力。试块的表面温度下降比内部快，同时在降温时造成混凝土内部出现拉应力，并且水凝结时体积的膨胀造成了混凝土应力变化。

2.2可行性分析

本项目依托集宁二期火电工程项目，开展采用掺加引气外加剂或特种纤维的混凝土技术试验研究， 改善混凝土性能。 对于混凝土结构的抗拉、抗剪、抗弯、抗扭强度等性能有巨大的作用，抽调混凝土生产与研究人员，结合多年技术储备；使用先进试验力量进行研发。

2.3市场需求和应用前景

由于掺加纤维和混凝土作用状态中，使混凝土改善了许多性能，收到了工程建设单位的巨大欢迎。目前纤维混凝土在建筑、水利、交通、冶金、矿山、军事工业等许多方面都在研究应用，开展对高寒地区混凝土结构冻融性能研究具有现实意义、社会效益和经济效益。

3 混凝土抗冻融机理

3.1 抗冻融原理

在研究混凝土结构冻融破坏的机理中，学术水平较高的是由北美学者提出的膨胀压和渗透压的理论，在体内水分饱和的混凝土在抗冻融的过程中，遇到的的破坏应力分为两部分组成： 一是混凝土在负温条件下毛细管中的水分体积发生膨胀，但毛细孔壁对其发生约束，因而导致孔周围的微观结构内部产生拉应力；二是当毛细孔中的饱和水结成冰时，通过表面张力的作用，毛细孔隙中水的冰点跟随孔径发展的减小而不断降低。毛细孔水形成冰核的温度在零下78摄氏度以下，因次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子大量迁移而生成渗透压。当混凝土在低温条件下时，这两种压力会影响混凝土微观结构的稳定，当混凝土结构不断重复冻融循环，发生的损坏累计变大，最终裂缝不断变大，使混凝土结构的强度严重下降，直至缩小归零。因此，饱水状态的混凝土是发生冻融破坏的必要条件。

3.2 增加工程纤维增加抗冻性能

在混凝土加工配置中，使用的纤维种类有石棉纤维、植物纤维、钢纤维、玻璃纤维、尼龙纤维、高密度聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、维尼纶纤维、丙纶纤维、晴纶纤维、碳纤维及开夫勒(Kevlar)纤维等。其中钢纤维能加工简易，使用方便， 近年来掺加钢纤维的混凝土的应用速度较快，掺加纤维混凝土是继预应力混凝土、钢筋混凝土在混凝土史上的一次较大突破。由于纤维增加混凝土许多效能，使混凝土分化出系列优越的性能，受到建筑建设单位极大欢迎与关注。目前纤维混凝土应用于各工程领域，电力、工民建、化工、军事、耐火材料工业等方面非常广泛。

3.3外加剂及掺合料提高抗冻性

矿粉、粉煤灰、引气剂及引气减水剂等外加剂均能改善混凝土的抗冻性能。矿渣粉能够降低水的用量， 降低水泥用量；引气剂能增加混凝土中的毛细管容量，使混凝土凝结时体积膨胀时减少压力。因而，混凝土不仅不会造成损害，同时还能起到减缓减压的作用。同时气泡可以影响混凝土内部毛细管与外界的联系，阻挡外界水分的浸入，降低混凝土的渗透压力，同时还能起到润滑作用，不断改善混凝土性能的和易性；而减水剂则能降低混凝土的水量的使用，因此降低了孔隙率，从不同方面能提高混凝土结构的抗冻性能。

3.4 研究技术指标

3.4.1 混凝土试验在抗冻融水工设备主要在间冷塔混凝土研发，混凝土生产在15万立方以上，概算为1250万人民币。

3.4.2 混凝土设计强度C40 F150，坍落度160±10mm。设计使用年限不低于50年。

3.4.3 胶凝材料不小于500公斤/立方;粉煤灰的掺量应≤30%，磨细矿渣粉的掺量≤40%。混凝土抗冻融环境D1级，抗冻融循环次数为， ≥F200次。

3.4.4 混凝土含气量最低限值，冻融破坏环境D1 级 ，含气量≥4.0

3.4.5 不同强度等级混凝土的电通量要求（C）。 混凝土强度等级≥C50，电通量 ＜1000C。

3.4.6 抗冻融混凝土碱含量，干燥环境≤3.5。

4 实验结果

4.1 通过实验确认配制抗冻融混凝土不能靠提高强度等级或水泥用量 ，单纯增加水泥用量只增加强度等级，对抗冻融性能没有作用，只增加成本。在混凝土的各种材料中，水泥是胶凝材料重要一环，但是每立方水泥用量超过500公斤时，由于水泥水化反应较大，混凝土会内部产生裂纹，减少了其抗压抗冻融性能，因此，使用矿渣粉、粉煤灰来替代一部分水泥，提高其抗冻融性能。

4.2 普通配比混凝土抗冻融性能很差，强度等级对混凝土抗冻性能影响较小，通过增加混凝土强度以及致密性，提高混凝土抵抗冻融破坏的能力，从而增加了混凝土的抗冻耐久性。

4.3 掺引气剂能够显著提高混凝土的抗冻融能力，不同规格品种引气剂对混凝土抗冻融性能影响相差较大。

4.4 配制抗冻融混凝土时，应选用合适的引气剂，配制时必需测试含气量，过低抗冻融效果较差，过高严重降低混凝土强度普通抗冻融混凝土引气量宜控制在3-5%时，特殊要求时通过试验确定。

4.5 掺引气剂能够显著提高混凝土的抗冻融能力，不同品种引气剂抗冻融能力相差较大。引气量在5%以上时，引气量大小对混凝土抗冻融循环性能影响较小，基本都能达到300次以上。引气量在低于3%时，部分品种引气剂混凝土抗冻融较差（仅在150-200次）。不掺引气剂混凝土抗冻融能力很差，强度等级对混凝土抗冻性能影响较小。

5 结束语

通过标准化设计、工厂化搅拌、现场浇筑三个阶段来建设混凝土搅拌站，改变了传统方式用场地面积多、土建工作量大、施工周期长、施工期间对气候依赖性强、环境污染较重、基建投入成本大等不利因素的建设模式，为推广倡导的高寒地区抗冻融混凝土技术研究提供了依据和技术指标，新颖的工法技术将促进混凝土建设技术的进步，对水污染、粉尘污染、和固态废弃物污染量与周期降低40%，总投资金额节约10%--15%，社会效益和环境效益明显，对推动整个电厂工期起到保驾护航作用。

参考文献

1. 高寒地区混凝土冻融破坏演化规律与劣化防控研究 2018 严武建

2. 冻融循环和硫酸盐侵蚀共同作用下水工混凝土性能演化研究 2016 赵欢

3. 抗冻融耐久性混凝土配合比研究 城市建设理论研究 2014 王会杰

作者简介

王进良 本科 高级工程师，中国电建集团河北工程有限公司建筑公司，从事火电、新能源施工管理。