《混凝土材料技术》讲义第五章混凝土抗冻理论课件

混凝土材料技术讲义

(09材料班使用3*17=51学时)王汉立

2010~2011学年第2学期混凝土材料技术讲义

(09材料班使用3*17=51学时)05混凝土抗冻理论一、绪言抗冻性不单纯取决于材性的混凝土内在性质，还应把气候条件及材料使用方式（即环境）也列为其不可分割的内容。混凝土抗冻性研究对于国民经济具有重大意义。对于我国北方地区具有现实意义。5混凝土抗冻理论一、绪言1二、可冻水1可冻水与不冻水：在某一固定负温下，水泥石中的水分只有一部分是可冻水，即与该温度对应孔径及更粗大空隙中所有水分。凝胶另一部分是不冻水。分布在空隙中的水在降温过程中将要按顺序逐步冻结，不可能同时冻结。二、可冻水12在材料内部在某指定温度下不冻水数量为一常数，可以看作材料总空隙率的函数。可冻水一般是温度的逆函数，温度越低，可冻水越多。可冻水产生多余体积，直接衡量冻结破坏威力，在混凝土抗冻性上具有重大意义。可冻水（冰）主要集中在水泥石及骨料颗粒的毛细孔中；凝胶水由于表面力的强大作用不大可能就地冻结；气泡中水分易冻结。在材料内部在某指定温度下不冻水数量为一常数，可以看作材料总空3二、可冻水2如果原始水灰比足够低并经过充分水化，就有可能做出实际上不包括可冻水的饱和水泥石。不包括毛细水（或数量很少）的水泥石，由于凝胶中空间极细微，结晶的始发十分困难，可能并不发生冻结；在通常温度下形成冰量很少，实际上可以认为等于零。人们力图确定水灰比要低到什么数值才不需要采取特别措施（如引气），而仍能保证其抵抗冻融循环的能力。二、可冻水24二、可冻水3细孔尺寸对冰形成的限制：冰晶的形成和传播要受到毛细孔尺寸各种限制，任何微小毛细孔中的冰晶不仅应小于孔径，并且还应小于孔径扣除两侧吸附水膜后的尺寸。其半径就是在生长尽端冰晶中内接圆球的半径，这个尽端必须钻入孔结构中各部位。二、可冻水35初始冻结时的可冻水只占毛细水一个很小比例，只是百分数的个位数。在胀缩试验中，初始冰形成导致的膨胀有时未必很大，但后续发生巨大的进展性膨胀。这是枝晶后续生长的结果。初始冻结时的可冻水只占毛细水一个很小比例，只是百分数的个位数6二、可冻水4形成冰量实测：混凝土在冻结过程中的始发冻结温度及所形成冰量是决定它抵抗冻结损坏的主要因素,如能准确掌握形成冰量就可以推断预言冰害严重程度。二、可冻水47显微量热法测定水泥浆的冰形成是个合理方法，其结论有：净浆的可冻水量及其始发冰冻温度随着龄期增加，及水灰比（W/C）的降低而降低。对某一净浆而言，随着每一冻融循环进展，可冻水略有增加。干燥及再饱和处理将增加可冻水量，但随着W/C降低及反复干燥，一再饱和，效应减弱。显微量热法测定水泥浆的冰形成是个合理方法，其结论有：8《混凝土材料技术》讲义第五章混凝土抗冻理论课件9二、可冻水5导电率法：我国学者用导电率法对混凝土试件进行冰形成的试验。试验方法是测试、跟踪混凝土受冻融循环时，其试件中孔隙溶液冰冻时混凝土导电率随冰冻温度的变化。混凝土的导电是通过孔隙溶液中的金属离子而实现的，冰可看作非导体；当部分孔隙溶液冻结时由于导电的溶液减少，导电率必将下降。因此研究导电率下降，可以推算各温度下已冻结孔隙水数量，即形成冰量。二、可冻水510上述立论是针对普通混凝土而言，高性能混凝土质地较致密，其出现概率最大的孔径要更小些，对应的冰冻温度也下降，冻害严重程度还需进一步研究。上述立论是针对普通混凝土而言，高性能混凝土质地较致密，其出现11二、可冻水6冻融过程中的胀缩表现：作为实验手段检测水泥及混凝土在冷却过程中冰冻情形，最常使用胀缩方法，测定试件在冰冻及融解过程中体积的变化。只要试件包含足够水分，首先是初始快速冰冻带来的瞬息膨胀，随后是大量的进展性膨胀，这是原始冰晶（枝晶）后续生长的结果。二、可冻水612图6-2显示饱和水泥石典型试验结果,温度自A点(-0.2℃)开始逐步下降,整个体系体积均匀收缩(AB直线)：这是正常的温度收缩。在B点(-7.5℃)体积突然膨胀（陡直直线BC）说明经过或多或少过冷之后，在此点水泥石的内部开始迅速冻结，表现为较集中的膨胀。C点以后继续降温（CD曲线），但坡度不如AB陡削。这一阶段体积绝对值虽是收缩，但如在C点引一线CD’和AB平行，做为比较基准（即扣除了收缩部分）可以看出：实际发生了进一步膨胀，即冰冻过程。图6-2显示饱和水泥石典型试验结果,温度自A点(-0.2℃)13自D点(-25℃)起温度逐步提升（DH曲线），温度每一增长都产生膨胀，直到E点为止。如将AB坡度和曲线比较可知：所产生膨胀低于正常的温度膨胀，说明在此价段发生了冰的逐步融解，导致体积减缩。EF线呈现绝对收缩，说明融解产生的收缩超过了温度膨胀。FG的大量收缩对应集中的冰的融解。G点以上的体积增长单纯来自温度膨胀，GH和AB线平行可说明此点。图中升温（融解）曲线DE和降温（冰冻）的CD不重合说明滞后现象。自D点(-25℃)起温度逐步提升（DH曲线），温度每一增长都14《混凝土材料技术》讲义第五章混凝土抗冻理论课件15三、饱和系数概念及其发展饱和系数评述：一般把它用作评定砖、石、混凝土材料抗冻性的一个间接指标。在实验时一般根据下式测定饱和系数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达到的空隙,分母代表容易达到和难达到空隙两部分之和,即全部空隙或开口空隙。三、饱和系数概念及其发展16上述公式在实际应用中很便利，但为了说明冰冻作用，可利用下式对饱和系数进行定义：0≤S≤1式中：wf为全部水分（或可冻水）体积；

α为无水自由空间体积；p=wf+α为容器全部空间。上述公式在实际应用中很便利，但为了说明冰冻作用，可利用下式对17因为水在0℃冻结时体积膨胀9.07%，所以如有1.09wf≤p,则体积膨胀ΔV=0,或这就是说，如果饱和度在此值以下，容器将遗留足够的空间用以消纳冰冻产生的多余体积，不至产生破坏压力，材料将是抗冻的。因为水在0℃冻结时体积膨胀9.07%，所以如有1.09wf18这个0.917理论上称为“临界饱和系数”（Scr）。此处假设容器为脆性，没有膨胀可能。如果容器具有一定韧性能够适当膨胀，临界饱和系数可以超过0.917。根据上述理论，临界饱和系数似乎标志着材料抗冻与不抗冻的分野。下图正是这一理论的典型体现。这个0.917理论上称为“临界饱和系数”（Scr）。19《混凝土材料技术》讲义第五章混凝土抗冻理论课件20过去常有这样的规定，认为临界饱和系数如在某值，比如说0.80以下，材料将抗冻；数值在0.80~0.90之间意味着有一定风险；系数大于0.90则永远是不抗冻的同义词。以上就是密闭容器立论，但是混凝土的情况并非如此简单。在普通混凝土中即使假设最大可能的可冻水，其所产生的多余体积不过混凝土体积的0.9%。可以认为：饱和系数不是抗冻性的可靠指标。过去常有这样的规定，认为临界饱和系数如在某值，比如说0.8021饱和系数学说把材料看作密闭不透水器壁包围的容器,冰冻时含水量不可能发生变动,水分出不去将产生巨大内压。问题在于：硬化水泥石和混凝土并不是密闭容器，作为多孔材料在冰冻过程中多少总有一部分水被挤出，跑到边界以外；多余水不需要全部在本身内部消纳，这就大大减轻了破坏作用。饱和系数考虑空间只从总体、平均的意义理解问题；而冰冻破坏可能导源于局部地点水流引起的压力。饱和系数学说把材料看作密闭不透水器壁包围的容器,冰冻时含水量22由于饱和系数不能成为有效的抗冻判据，有人提出了“抗冻度”概念。材料的抗冻性是三方面变数的函数，即：材料性质（强度、变形、空隙情况）；气候条件（冻融循环次数、最低温度、降温速度、降水量、空气相对湿度等）；材料使用方式（暴露给土壤水分的方式及严重程度、自由水及跨越材料的蒸气压梯度与温度梯度等)。由于饱和系数不能成为有效的抗冻判据，有人提出了“抗冻度”概念23区分这几方面的变数将构成研究这一复杂问题的一个根本方式转变，这样我们就有可能正确预言材料在指定环境中的抗冻能力。作为判据的抗冻度：抗冻性的材料组分（即材料影响因素）由一种简单实验确定，它对于所有类型及品质的材料都是同样的。其环境组分（即环境影响因素）由完全不同的方法确定（比如通过特定实验）。区分这几方面的变数将构成研究这一复杂问题的一个根本方式转变，24这里可以借助于传统的饱和系数概念，材料组分用临界饱和度（Scr）表示，这是试件在冰冻过程中不出现损害而能达到的最大饱水程度。对应某一临界冰冻效应必然存在一个临界饱和度；吸水超过此值必然在材料内部某处出现裂隙。这种对应关系单纯有材料特性决定，即韧性、渗水性、空隙率、孔径分布及形态等。由此可见，临界饱和度是个材料常数。这里可以借助于传统的饱和系数概念，材料组分用临界饱和度（Sc25环境组分用试件在各种冰冻条件下的实际饱和度（Sact）表示，即材料在寿命全过程中将处于其中的冰冻情形。困难不在于确定临界饱和度方面，问题在于如何确定使用一段时间后的混凝土的实际饱和水平。环境组分用试件在各种冰冻条件下的实际饱和度（Sact）表示，26两者密切相关，如果材料在现实条件下的实际饱和度不知道，仅仅知道临界饱和度是毫无意义的。作为判据，当某材料的临界饱和度很低时,并不足以判断其抗冻性必然恶劣，因为在现场实际达到的饱和度可能更低。两者密切相关，如果材料在现实条件下的实际饱和度不知道，仅仅知27几种冰冻机制及其应用水压力学说：做一通俗比喻可以设想，在集会散会时，围绕会场出口必然呈现暂时的拥挤。虽然从总体平均意义着眼，会场确实有空间。按照饱和系数学说观点，单纯考虑整体平均情形是不够的，必须细致分析局部实际，有无水流壅塞、压力暂时增长导致破坏的危险。几种冰冻机制及其应用水压力学说：做一通俗比喻可以设想，在集会28当冰冻时多余水受水压力推动向附近气泡（逃逸边界）排除时，材料本身将受到推移水分前进的反作用力（后坐力），可能导致材料（孔隙器壁）受拉破坏。材料组织愈致密，对水流阻力愈大：这是由于水流宣泄不及，疏导不畅引起的动水压力。对于冰冻破坏具有决定意义的是其相邻气泡的距离，即材料体内孔隙大小及其位置分布，这样我们就进入了作为水压力学说精义的临界尺寸的概念。当冰冻时多余水受水压力推动向附近气泡（逃逸边界）排除时，材料29《混凝土材料技术》讲义第五章混凝土抗冻理论课件30在其它因素相同的情况下，器壁越厚冰冻产生的最大压力也越大。在给定的冰冻速率下，临界壁厚是器壁材料渗水性、冰冻速率和容器强度的函数。临界厚度是水压力学说中最重要的概念，水泥浆层只有厚度在某一临界尺寸以内才是安全的。这意味着：在硬化水泥浆中只有距冰冻地点在临界尺寸以内的空间，才是实际有意义能起消纳作用的。临界尺寸越大意味着水泥在抗冻方面越安全。在其它因素相同的情况下，器壁越厚冰冻产生的最大压力也越大。在31间距因数：水压力学说和临界尺寸成为指导引气混凝土生产的理论基础。引气的目的在于增多内部逃逸边界，减少浆层厚度，保证气泡间距小于临界尺寸。同样的引气量如果分散成更多的小气泡，更密集些，抗冻效果远比大气泡优良。如间距较大，混凝土会发生膨胀；间距越大，膨胀也越大。间距因数：水压力学说和临界尺寸成为指导引气混凝土生产的理论基32ACI（美国混凝土协会）的“耐久混凝土指南”中说：如果间距因数为0.20mm(所需含气量约为混凝土体积4%~6%之间)，或更低一些，混凝土中的水泥净浆在正常情况是会受到保护，免于冻融影响（经过多次冻融循环后耐久性指数达到60%）。这只是推荐意见，不是规范的要求。ACI（美国混凝土协会）的“耐久混凝土指南”中说：如果间距因33推导间距因素，本意是要从气孔体系实测的参数估算多余水必须移动到达气孔的最大距离，用以和水压力所制约的理论上许可的最大距离比较：这个距离才是我们真正感兴趣的。有人研究提出：典型的混凝土其净浆含量在0.25~0.40之间的，最小含气量必须在4%~6%之间，这样体内每一点才能十分靠近一个气孔。推导间距因素，本意是要从气孔体系实测的参数估算多余水必须移动34显微规模析冰（渗透压或结晶压力学说）显微规模析冰：水泥浆中包含的一般是盐类稀溶液，一旦冰冻后变为纯冰和浓度更高的溶液；随着温度下降，冰点逐步降低，浓度不断提高。另方面邻近凝胶中水分始终保持不冻，其溶液浓度保持原来水平，于是在毛细孔溶液和凝胶水之间出现浓度差。显微规模析冰（渗透压或结晶压力学说）35浓度差使得溶剂向溶液中自发扩散、渗透，即溶质向凝胶水中扩散，而凝胶水向毛细孔中浓溶液转移。其结果毛细孔中水分增加，和冰接触的溶液稀释，冰晶逐渐生长、长大。当毛细孔穴充满冰和溶液时，冰晶进一步长大必将产生膨胀压力，导致破坏。这种导源于浓度差的压力显然是渗透压。这是一个自发的不可抗拒过程。浓度差使得溶剂向溶液中自发扩散、渗透，即溶质向凝胶水中扩散，36毛细孔具有从附近凝胶中吸引未冻水的能力，基本原因在于它的自由能低于凝胶水中的自由能。混凝土及硬化水泥浆在冰冻过程中不但呈现膨胀，有时还表现收缩（指超出温度收缩以外的纯收缩）；在恒温时有时表现膨胀逐步减小、而收缩持续增加的时间效应，这些可通过渗透压都得到解释。毛细孔具有从附近凝胶中吸引未冻水的能力，基本原因在于它的自由37质量良好的成熟混凝土渗透系数很低，冰冻时很少能有水分进入试件，发展渗透压所需水分全靠混凝土内部已有的供给。事实上显微析冰依靠的恰恰是在某温度未能结冰那部分水分。所以净浆每单位体积中凝胶越多，可供使用的水也就越多。质量良好的成熟混凝土渗透系数很低，冰冻时很少能有水分进入试件38显微析冰现象以在水泥用量较高的成熟静浆中最易出现，但是作为析冰的开始还需要毛细孔中水已开始冰冻这一条件。重量水灰比约0.55~0.80这一范围内，就地冻结的水分对比凝胶所能提供那部分来说，比例很大；此时渗透压不显著：这一类混凝土的冰冻效应主要应归之于水压力机制。至于新拌混凝土或低强度、高渗透性的硬化混凝土，其冰冻现象用冻胀学说解释最妥。显微析冰现象以在水泥用量较高的成熟静浆中最易出现，但是作为析39宏观规模析冰（冻胀现象）：冻胀学说认为，冰冻破坏的基本原因不是由于简单的冰冻膨胀，而主要来自水分的迁移，使得冰晶长大，产生压力。这里说的不是显微规模毛细冰晶，而是肉眼可以看到的巨大冰晶。冰晶的庞大压力促使混凝土路面隆起、破坏。冻胀破坏在外观上突出的特点是，材料体内将出现若干平行的冰夹层，彼此平行而垂直于热流方向。宏观规模析冰（冻胀现象）：冻胀学说认为，冰冻破坏的基本原因不40《混凝土材料技术》讲义第五章混凝土抗冻理论课件41在冰晶生长过程中，材料质体受到拉应力，如果超过抗拉强度即破坏。如果水流适宜，冰点等温线将恒定不动，冰晶陆续析出发育。如水流不够有效，水源枯竭，或热量不能保持平衡，冰晶将停止增长。冰点等温线向热源移动，原来冰层处温度下降，冷流向内延伸，直到另一处适宜地点深层另一水平重新开始发育冰晶。这样就形成了垂直热流方向的平行冰夹层。在冰晶生长过程中，材料质体受到拉应力，如果超过抗拉强度即破坏42混凝土路面冻胀破坏的条件如下：混凝土空隙率很高、强度很低、内部水多或外部和水源接触、温度在冰点以下几度保持时间长久。以上几点都是水灰比过大带来的情况。混凝土路面冻胀破坏的条件如下：混凝土空隙率很高、强度很低、内43骨料对混凝土抗冻性的影响为了保证混凝土完好，必须要求骨料和水泥净浆两者都不被破坏。构成骨料颗粒的岩石属于矿物结晶构造，不是水泥那样的凝胶体构造，其内部孔隙较粗大，所含水分的大部分可在接近正常冰点附近冻结，这就决定了它的冰冻破坏从属于水压力机制。骨料对混凝土抗冻性的影响为了保证混凝土完好，必须要求骨料和水44取孤立的骨料颗粒在不被砂浆壳层包裹的条件下，浸水饱和然后快速冷却冰冻，如颗粒大到一定限度以上，核心存在距离任何逃逸边界均在临界尺寸以上的饱水区域，此时必将因超过骨料破裂强度的内部水压力而破裂，这就是临界尺寸效应。临界尺寸的数量级为2.5mm。取孤立的骨料颗粒在不被砂浆壳层包裹的条件下，浸水饱和然后快速45凡属中等吸水、细孔结构、渗透性较低的岩石，这种危险较突出；孔隙多、渗透性很强的骨料临界尺寸可以很大。若岩石吸水率极低（0.5%以下），可冻水极少，冰冻时无甚应力出现，此时骨料表现安全，不受冰冻损害，自然也就无所谓临界尺寸的限制。根据施工经验应避免高度吸水骨料，小颗粒石粒可以得到较大的抗冻保证。凡属中等吸水、细孔结构、渗透性较低的岩石，这种危险较突出；孔46骨料吸入水分饱和快慢速率对于抗冻性能关系重大,而吸水速率除了外在因素砂浆保护层厚度及渗透性之外,首先取决于岩石孔径和孔隙率。细孔结构对比粗细孔结构石料，在任何一个相对湿度之下都更易吸收大量水分，达到和保持较高的饱和度，更易遭受冰冻伤害。骨料吸入水分饱和快慢速率对于抗冻性能关系重大,而吸水速率除了47骨料因总孔隙率或吸水率的不同也将有不同表现。在孔径相近的条件下，孔隙率大的石料需要较长时间才能达到同一指定饱和度，比孔隙率小的要慢得多，这一点有很大实用意义。孔隙率为中等的骨料在混凝土中可能表现最差。骨料因总孔隙率或吸水率的不同也将有不同表现。在孔径相近的条件48无约束孤立骨料颗粒和实际使用时埋置在混凝土深处的情况有所不同。无约束情况如颗粒小于临界尺寸，在饱和状态冰冻不致破裂。但如果埋置在混凝土中，骨料被硬化水泥石环绕包裹，多余水即使已经顺利排泄到石粒边界以外，如果不能及时穿透水泥石宣泄出去，仍然要导致破坏，这就是外部的水压力作用，结果常在骨料交界面上留下破坏痕迹。无约束孤立骨料颗粒和实际使用时埋置在混凝土深处的情况有所不同49埋置在混凝土中的石粒在混凝土浸水时,饱和度极缓慢地、但是稳步地上升；但在干燥期它也得到一个复苏机会。石粒确实达到临界饱和之日显然就是混凝土破坏之时；但在这一刻到来之前混凝土实际上是不怕冻害的。石粒饱和度将经常在一定幅度以内波动，而永远不会达到危险饱和程度，这就是混凝土的安全无虞期。埋置在混凝土中的石粒在混凝土浸水时,饱和度极缓慢地、但是稳步50骨料吸水达到临界饱和的时间取决于下列因素：骨料原始含水状态。可由施工方面创造风干机会，设法降低。由岩石质地、孔径分布及空隙率决定的吸水速率快慢。由砂浆保护层厚度及其渗透性决定的密封作用。由结构实际使用条件所决定的间歇风干机会。骨料吸水达到临界饱和的时间取决于下列因素：51不同的说法：例如吸附水说法，此说认为岩石破坏的主要原因不是冰冻，而是来自吸附水的膨胀。岩石冰冻破坏的主要原因不是冰，而是某些空隙中所含吸附水的一种温度依赖性体积变化（例如含粘土石灰石）。这种效应确实存在，一般只起次要作用。不同的说法：52现行试验方法和应有的认识冻融循环试验是个古老事物，经过各国多年广泛实践，人们发现此法操作繁难，耗费大量人力工时，试验结果不稳定，重现性很差。其原因是：试验细节规定的不一致或无规定。冷却速率的巨大差异。不同的暴露（浸泡）条件。现行试验方法和应有的认识冻融循环试验是个古老事物，经过各国多53决定混凝土在一组特定环境下表现的各种内在性质是可以测定的；如果掌握了这些性质的定量知识，则混凝土在任何一组特定环境下的表现是可以预言的。改进做法：以抗冻安全无虞期作为主要指标，以膨胀开始后的膨胀率作为次要指标。进而考虑试件残留膨胀。决定混凝土在一组特定环境下表现的各种内在性质是可以测定的；如54国际材料实验室联合会(RILEM)推荐方案:首先为混凝土抗冻性明确了两种侵害:1、冻融侵害；2、冻融及去冰剂侵害。前者指混凝土对以水为介质交替冰冻和融化的抵抗力；后者指对于以去冰剂为溶液的冰冻和融化的抵抗力。国际材料实验室联合会(RILEM)推荐方案:55混凝土受冻害损伤可以区分两种情况：剥落脱皮是由于冻融或冻融及去冰剂抵抗而引起的混凝土表面材料的损伤。内部损伤是表面没有可见效应而在混凝土内部产生的损伤，它导致混凝土性质改变。RILEM推荐了两种试验：毛细吸水及冻融试验（以水进行冻融）。毛细吸去冰剂溶液及冻融试验（以氯化钠溶液进行冻融）。混凝土受冻害损伤可以区分两种情况：56试件形体区分两种情况:平板实验，截面积15cm×15cm，高度7.5~12cm之间，由骨料最大粒径而定。试验时将平板应实验表面朝下，浸在深度5mm的溶液中，毛细吸液进行冻融。立方体实验，一般边长100mm，全部浸泡在液体中受冻融。实验标准：每次循环温度从4.4℃降到-17.8℃，随后升温到4.4℃，全部在2～5h内完成；周期性目测判断损害并测量动弹模量。试件形体区分两种情况:57实验时度量经过若干次明确冻融循环后，混凝土每单位面积上的剥落重量，从而对冻融抵抗力或对冻融及去冰剂抵抗力作出估计。实验时度量经过若干次明确冻融循环后，混凝土每单位面积上的剥落58RILEM推荐的混凝土冻融实验标准内容是什么？什么是可冻水与不冻水？什么是显微量热法？骨料对混凝土抗冻性的影响有哪些？RILEM推荐的混凝土冻融实验标准内容是什么？59混凝土材料技术讲义

(09材料班使用3*17=51学时)王汉立

2010~2011学年第2学期混凝土材料技术讲义

(09材料班使用3*17=51学时)605混凝土抗冻理论一、绪言抗冻性不单纯取决于材性的混凝土内在性质，还应把气候条件及材料使用方式（即环境）也列为其不可分割的内容。混凝土抗冻性研究对于国民经济具有重大意义。对于我国北方地区具有现实意义。5混凝土抗冻理论一、绪言61二、可冻水1可冻水与不冻水：在某一固定负温下，水泥石中的水分只有一部分是可冻水，即与该温度对应孔径及更粗大空隙中所有水分。凝胶另一部分是不冻水。分布在空隙中的水在降温过程中将要按顺序逐步冻结，不可能同时冻结。二、可冻水162在材料内部在某指定温度下不冻水数量为一常数，可以看作材料总空隙率的函数。可冻水一般是温度的逆函数，温度越低，可冻水越多。可冻水产生多余体积，直接衡量冻结破坏威力，在混凝土抗冻性上具有重大意义。可冻水（冰）主要集中在水泥石及骨料颗粒的毛细孔中；凝胶水由于表面力的强大作用不大可能就地冻结；气泡中水分易冻结。在材料内部在某指定温度下不冻水数量为一常数，可以看作材料总空63二、可冻水2如果原始水灰比足够低并经过充分水化，就有可能做出实际上不包括可冻水的饱和水泥石。不包括毛细水（或数量很少）的水泥石，由于凝胶中空间极细微，结晶的始发十分困难，可能并不发生冻结；在通常温度下形成冰量很少，实际上可以认为等于零。人们力图确定水灰比要低到什么数值才不需要采取特别措施（如引气），而仍能保证其抵抗冻融循环的能力。二、可冻水264二、可冻水3细孔尺寸对冰形成的限制：冰晶的形成和传播要受到毛细孔尺寸各种限制，任何微小毛细孔中的冰晶不仅应小于孔径，并且还应小于孔径扣除两侧吸附水膜后的尺寸。其半径就是在生长尽端冰晶中内接圆球的半径，这个尽端必须钻入孔结构中各部位。二、可冻水365初始冻结时的可冻水只占毛细水一个很小比例，只是百分数的个位数。在胀缩试验中，初始冰形成导致的膨胀有时未必很大，但后续发生巨大的进展性膨胀。这是枝晶后续生长的结果。初始冻结时的可冻水只占毛细水一个很小比例，只是百分数的个位数66二、可冻水4形成冰量实测：混凝土在冻结过程中的始发冻结温度及所形成冰量是决定它抵抗冻结损坏的主要因素,如能准确掌握形成冰量就可以推断预言冰害严重程度。二、可冻水467显微量热法测定水泥浆的冰形成是个合理方法，其结论有：净浆的可冻水量及其始发冰冻温度随着龄期增加，及水灰比（W/C）的降低而降低。对某一净浆而言，随着每一冻融循环进展，可冻水略有增加。干燥及再饱和处理将增加可冻水量，但随着W/C降低及反复干燥，一再饱和，效应减弱。显微量热法测定水泥浆的冰形成是个合理方法，其结论有：68《混凝土材料技术》讲义第五章混凝土抗冻理论课件69二、可冻水5导电率法：我国学者用导电率法对混凝土试件进行冰形成的试验。试验方法是测试、跟踪混凝土受冻融循环时，其试件中孔隙溶液冰冻时混凝土导电率随冰冻温度的变化。混凝土的导电是通过孔隙溶液中的金属离子而实现的，冰可看作非导体；当部分孔隙溶液冻结时由于导电的溶液减少，导电率必将下降。因此研究导电率下降，可以推算各温度下已冻结孔隙水数量，即形成冰量。二、可冻水570上述立论是针对普通混凝土而言，高性能混凝土质地较致密，其出现概率最大的孔径要更小些，对应的冰冻温度也下降，冻害严重程度还需进一步研究。上述立论是针对普通混凝土而言，高性能混凝土质地较致密，其出现71二、可冻水6冻融过程中的胀缩表现：作为实验手段检测水泥及混凝土在冷却过程中冰冻情形，最常使用胀缩方法，测定试件在冰冻及融解过程中体积的变化。只要试件包含足够水分，首先是初始快速冰冻带来的瞬息膨胀，随后是大量的进展性膨胀，这是原始冰晶（枝晶）后续生长的结果。二、可冻水672图6-2显示饱和水泥石典型试验结果,温度自A点(-0.2℃)开始逐步下降,整个体系体积均匀收缩(AB直线)：这是正常的温度收缩。在B点(-7.5℃)体积突然膨胀（陡直直线BC）说明经过或多或少过冷之后，在此点水泥石的内部开始迅速冻结，表现为较集中的膨胀。C点以后继续降温（CD曲线），但坡度不如AB陡削。这一阶段体积绝对值虽是收缩，但如在C点引一线CD’和AB平行，做为比较基准（即扣除了收缩部分）可以看出：实际发生了进一步膨胀，即冰冻过程。图6-2显示饱和水泥石典型试验结果,温度自A点(-0.2℃)73自D点(-25℃)起温度逐步提升（DH曲线），温度每一增长都产生膨胀，直到E点为止。如将AB坡度和曲线比较可知：所产生膨胀低于正常的温度膨胀，说明在此价段发生了冰的逐步融解，导致体积减缩。EF线呈现绝对收缩，说明融解产生的收缩超过了温度膨胀。FG的大量收缩对应集中的冰的融解。G点以上的体积增长单纯来自温度膨胀，GH和AB线平行可说明此点。图中升温（融解）曲线DE和降温（冰冻）的CD不重合说明滞后现象。自D点(-25℃)起温度逐步提升（DH曲线），温度每一增长都74《混凝土材料技术》讲义第五章混凝土抗冻理论课件75三、饱和系数概念及其发展饱和系数评述：一般把它用作评定砖、石、混凝土材料抗冻性的一个间接指标。在实验时一般根据下式测定饱和系数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达到的空隙,分母代表容易达到和难达到空隙两部分之和,即全部空隙或开口空隙。三、饱和系数概念及其发展76上述公式在实际应用中很便利，但为了说明冰冻作用，可利用下式对饱和系数进行定义：0≤S≤1式中：wf为全部水分（或可冻水）体积；

α为无水自由空间体积；p=wf+α为容器全部空间。上述公式在实际应用中很便利，但为了说明冰冻作用，可利用下式对77因为水在0℃冻结时体积膨胀9.07%，所以如有1.09wf≤p,则体积膨胀ΔV=0,或这就是说，如果饱和度在此值以下，容器将遗留足够的空间用以消纳冰冻产生的多余体积，不至产生破坏压力，材料将是抗冻的。因为水在0℃冻结时体积膨胀9.07%，所以如有1.09wf78这个0.917理论上称为“临界饱和系数”（Scr）。此处假设容器为脆性，没有膨胀可能。如果容器具有一定韧性能够适当膨胀，临界饱和系数可以超过0.917。根据上述理论，临界饱和系数似乎标志着材料抗冻与不抗冻的分野。下图正是这一理论的典型体现。这个0.917理论上称为“临界饱和系数”（Scr）。79《混凝土材料技术》讲义第五章混凝土抗冻理论课件80过去常有这样的规定，认为临界饱和系数如在某值，比如说0.80以下，材料将抗冻；数值在0.80~0.90之间意味着有一定风险；系数大于0.90则永远是不抗冻的同义词。以上就是密闭容器立论，但是混凝土的情况并非如此简单。在普通混凝土中即使假设最大可能的可冻水，其所产生的多余体积不过混凝土体积的0.9%。可以认为：饱和系数不是抗冻性的可靠指标。过去常有这样的规定，认为临界饱和系数如在某值，比如说0.8081饱和系数学说把材料看作密闭不透水器壁包围的容器,冰冻时含水量不可能发生变动,水分出不去将产生巨大内压。问题在于：硬化水泥石和混凝土并不是密闭容器，作为多孔材料在冰冻过程中多少总有一部分水被挤出，跑到边界以外；多余水不需要全部在本身内部消纳，这就大大减轻了破坏作用。饱和系数考虑空间只从总体、平均的意义理解问题；而冰冻破坏可能导源于局部地点水流引起的压力。饱和系数学说把材料看作密闭不透水器壁包围的容器,冰冻时含水量82由于饱和系数不能成为有效的抗冻判据，有人提出了“抗冻度”概念。材料的抗冻性是三方面变数的函数，即：材料性质（强度、变形、空隙情况）；气候条件（冻融循环次数、最低温度、降温速度、降水量、空气相对湿度等）；材料使用方式（暴露给土壤水分的方式及严重程度、自由水及跨越材料的蒸气压梯度与温度梯度等)。由于饱和系数不能成为有效的抗冻判据，有人提出了“抗冻度”概念83区分这几方面的变数将构成研究这一复杂问题的一个根本方式转变，这样我们就有可能正确预言材料在指定环境中的抗冻能力。作为判据的抗冻度：抗冻性的材料组分（即材料影响因素）由一种简单实验确定，它对于所有类型及品质的材料都是同样的。其环境组分（即环境影响因素）由完全不同的方法确定（比如通过特定实验）。区分这几方面的变数将构成研究这一复杂问题的一个根本方式转变，84这里可以借助于传统的饱和系数概念，材料组分用临界饱和度（Scr）表示，这是试件在冰冻过程中不出现损害而能达到的最大饱水程度。对应某一临界冰冻效应必然存在一个临界饱和度；吸水超过此值必然在材料内部某处出现裂隙。这种对应关系单纯有材料特性决定，即韧性、渗水性、空隙率、孔径分布及形态等。由此可见，临界饱和度是个材料常数。这里可以借助于传统的饱和系数概念，材料组分用临界饱和度（Sc85环境组分用试件在各种冰冻条件下的实际饱和度（Sact）表示，即材料在寿命全过程中将处于其中的冰冻情形。困难不在于确定临界饱和度方面，问题在于如何确定使用一段时间后的混凝土的实际饱和水平。环境组分用试件在各种冰冻条件下的实际饱和度（Sact）表示，86两者密切相关，如果材料在现实条件下的实际饱和度不知道，仅仅知道临界饱和度是毫无意义的。作为判据，当某材料的临界饱和度很低时,并不足以判断其抗冻性必然恶劣，因为在现场实际达到的饱和度可能更低。两者密切相关，如果材料在现实条件下的实际饱和度不知道，仅仅知87几种冰冻机制及其应用水压力学说：做一通俗比喻可以设想，在集会散会时，围绕会场出口必然呈现暂时的拥挤。虽然从总体平均意义着眼，会场确实有空间。按照饱和系数学说观点，单纯考虑整体平均情形是不够的，必须细致分析局部实际，有无水流壅塞、压力暂时增长导致破坏的危险。几种冰冻机制及其应用水压力学说：做一通俗比喻可以设想，在集会88当冰冻时多余水受水压力推动向附近气泡（逃逸边界）排除时，材料本身将受到推移水分前进的反作用力（后坐力），可能导致材料（孔隙器壁）受拉破坏。材料组织愈致密，对水流阻力愈大：这是由于水流宣泄不及，疏导不畅引起的动水压力。对于冰冻破坏具有决定意义的是其相邻气泡的距离，即材料体内孔隙大小及其位置分布，这样我们就进入了作为水压力学说精义的临界尺寸的概念。当冰冻时多余水受水压力推动向附近气泡（逃逸边界）排除时，材料89《混凝土材料技术》讲义第五章混凝土抗冻理论课件90在其它因素相同的情况下，器壁越厚冰冻产生的最大压力也越大。在给定的冰冻速率下，临界壁厚是器壁材料渗水性、冰冻速率和容器强度的函数。临界厚度是水压力学说中最重要的概念，水泥浆层只有厚度在某一临界尺寸以内才是安全的。这意味着：在硬化水泥浆中只有距冰冻地点在临界尺寸以内的空间，才是实际有意义能起消纳作用的。临界尺寸越大意味着水泥在抗冻方面越安全。在其它因素相同的情况下，器壁越厚冰冻产生的最大压力也越大。在91间距因数：水压力学说和临界尺寸成为指导引气混凝土生产的理论基础。引气的目的在于增多内部逃逸边界，减少浆层厚度，保证气泡间距小于临界尺寸。同样的引气量如果分散成更多的小气泡，更密集些，抗冻效果远比大气泡优良。如间距较大，混凝土会发生膨胀；间距越大，膨胀也越大。间距因数：水压力学说和临界尺寸成为指导引气混凝土生产的理论基92ACI（美国混凝土协会）的“耐久混凝土指南”中说：如果间距因数为0.20mm(所需含气量约为混凝土体积4%~6%之间)，或更低一些，混凝土中的水泥净浆在正常情况是会受到保护，免于冻融影响（经过多次冻融循环后耐久性指数达到60%）。这只是推荐意见，不是规范的要求。ACI（美国混凝土协会）的“耐久混凝土指南”中说：如果间距因93推导间距因素，本意是要从气孔体系实测的参数估算多余水必须移动到达气孔的最大距离，用以和水压力所制约的理论上许可的最大距离比较：这个距离才是我们真正感兴趣的。有人研究提出：典型的混凝土其净浆含量在0.25~0.40之间的，最小含气量必须在4%~6%之间，这样体内每一点才能十分靠近一个气孔。推导间距因素，本意是要从气孔体系实测的参数估算多余水必须移动94显微规模析冰（渗透压或结晶压力学说）显微规模析冰：水泥浆中包含的一般是盐类稀溶液，一旦冰冻后变为纯冰和浓度更高的溶液；随着温度下降，冰点逐步降低，浓度不断提高。另方面邻近凝胶中水分始终保持不冻，其溶液浓度保持原来水平，于是在毛细孔溶液和凝胶水之间出现浓度差。显微规模析冰（渗透压或结晶压力学说）95浓度差使得溶剂向溶液中自发扩散、渗透，即溶质向凝胶水中扩散，而凝胶水向毛细孔中浓溶液转移。其结果毛细孔中水分增加，和冰接触的溶液稀释，冰晶逐渐生长、长大。当毛细孔穴充满冰和溶液时，冰晶进一步长大必将产生膨胀压力，导致破坏。这种导源于浓度差的压力显然是渗透压。这是一个自发的不可抗拒过程。浓度差使得溶剂向溶液中自发扩散、渗透，即溶质向凝胶水中扩散，96毛细孔具有从附近凝胶中吸引未冻水的能力，基本原因在于它的自由能低于凝胶水中的自由能。混凝土及硬化水泥浆在冰冻过程中不但呈现膨胀，有时还表现收缩（指超出温度收缩以外的纯收缩）；在恒温时有时表现膨胀逐步减小、而收缩持续增加的时间效应，这些可通过渗透压都得到解释。毛细孔具有从附近凝胶中吸引未冻水的能力，基本原因在于它的自由97质量良好的成熟混凝土渗透系数很低，冰冻时很少能有水分进入试件，发展渗透压所需水分全靠混凝土内部已有的供给。事实上显微析冰依靠的恰恰是在某温度未能结冰那部分水分。所以净浆每单位体积中凝胶越多，可供使用的水也就越多。质量良好的成熟混凝土渗透系数很低，冰冻时很少能有水分进入试件98显微析冰现象以在水泥用量较高的成熟静浆中最易出现，但是作为析冰的开始还需要毛细孔中水已开始冰冻这一条件。重量水灰比约0.55~0.80这一范围内，就地冻结的水分对比凝胶所能提供那部分来说，比例很大；此时渗透压不显著：这一类混凝土的冰冻效应主要应归之于水压力机制。至于新拌混凝土或低强度、高渗透性的硬化混凝土，其冰冻现象用冻胀学说解释最妥。显微析冰现象以在水泥用量较高的成熟静浆中最易出现，但是作为析99宏观规模析冰（冻胀现象）：冻胀学说认为，冰冻破坏的基本原因不是由于简单的冰冻膨胀，而主要来自水分的迁移，使得冰晶长大，产生压力。这里说的不是显微规模毛细冰晶，而是肉眼可以看到的巨大冰晶。冰晶的庞大压力促使混凝土路面隆起、破坏。冻胀破坏在外观上突出的特点是，材料体内将出现若干平行的冰夹层，彼此平行而垂直于热流方向。宏观规模析冰（冻胀现象）：冻胀学说认为，冰冻破坏的基本原因不100《混凝土材料技术》讲义第五章混凝土抗冻理论课件101在冰晶生长过程中，材料质体受到拉应力，如果超过抗拉强度即破坏。如果水流适宜，冰点等温线将恒定不动，冰晶陆续析出发育。如水流不够有效，水源枯竭，或热量不能保持平衡，冰晶将停止增长。冰点等温线向热源移动，原来冰层处温度下降，冷流向内延伸，直到另一处适宜地点深层另一水平重新开始发育冰晶。这样就形成了垂直热流方向的平行冰夹层。在冰晶生长过程中，材料质体受到拉应力，如果超过抗拉强度即破坏102混凝土路面冻胀破坏的条件如下：混凝土空隙率很高、强度很低、内部水多或外部和水源接触、温度在冰点以下几度保持时间长久。以上几点都是水灰比过大带来的情况。混凝土路面冻胀破坏的条件如下：混凝土空隙率很高、强度很低、内103骨料对混凝土抗冻性的影响为了保证混凝土完好，必须要求骨料和水泥净浆两者都不被破坏。构成骨料颗粒的岩石属于矿物结晶构造，不是水泥那样的凝胶体构造，其内部孔隙较粗大，所含水分的大部分可在接近正常冰点附近冻结，这就决定了它的冰冻破坏从属于水压力机制。骨料对混凝土抗冻性的影响为了保证混凝土完好，必须要求骨料和水104取孤立的骨料颗粒在不被砂浆壳层包裹的条件下，浸水饱和然后快速冷却冰冻，如颗粒大到一定限度以上，核心存在距离任何逃逸边界均在临界尺寸以上的饱水区域，此时必将因超过骨料破裂强度的内部水压力而破裂，这就是临界尺寸效应。临界尺寸的数量级为2.5mm。取孤立的骨料颗粒在不被砂浆壳层包裹的条件下，浸水饱和然后快速105凡属中等吸水、细孔结构、渗透性较低的岩石，这种危险较突出；孔隙多、渗透性很强的骨料临界尺寸可以很大。若岩石吸水率极低（0.5%以下），可冻水极少，冰冻时无甚应力出现，此时骨料表现安全，不受冰冻损害，自然也就无所谓临界尺寸的限制。根据施工经验应避免高度吸水骨料，小颗粒石粒可以得到较大的抗冻保证。凡属中等吸水、细孔结构、渗透性较低的岩石，这种危险较突出；孔106骨料吸入水分饱和快慢速率对于抗冻性能关系重大,而吸水速率除了外在因素砂浆保护层厚度及渗透性之外,首先取决于岩石孔径和孔隙率。细孔结构对比粗细孔结构石料，在任何一个相对湿度之下都更易吸收大量水分，达到和保持较高的饱和度，更易遭受冰冻伤害。骨料吸入水分饱和快慢速率对于抗冻性能关系重