混凝土抗凍等級確定方法及生產技術的商榷
轉載自中國工程檢測網
摘要:闡述混凝土抗凍等級的確定方法與目前混凝土生產技術存在的不足之處。重點分析了混凝土中大毛細孔和微毛細孔對混凝土吸水性、吸濕性及抗凍性的不同影響。并對混凝土抗凍等級的確定方法和提高耐久性的技術途徑提出了建議。
0 引言
混凝土抗凍等級是衡量混凝土耐久性的一個重要指標。目前，GBJ 82-85中規定混凝土抗凍等級的確定方法，是采用慢凍法和快凍法2種。這2 種方法的共同特點是按規定使混凝土試塊在冷凍前后處于水中浸泡和融化，并且要求水面至少分別高出試件頂面20mm和5mm（快凍法試件盒內）以上。也就是說試塊必須完全浸入水中融化并吸飽水分。用這種方法測試并評定混凝土的抗凍等級存在一個很重要的問題，即試塊吸飽水分后的含水率高低，完全取決于混凝土試塊的吸水性，而不是取決于混凝土試塊的吸濕性，這與大多數混凝土工程在應用環境中的實際含水率無相關性。因為比越小，混凝土的強度越高。
大多數混凝土工程是暴露于大氣中，而不是浸于水中。這些工程中混凝土的實際含水率主要取決于混凝土在空氣中的吸濕性，而不取決于混凝土的吸水性。
1 抗凍等級確定方法的商榷
混凝土的吸水性和吸濕性是2個完全不同的概念。吸水性是指混凝土在水中吸收水分的性質通常取決于混凝土中毛細孔數量多少和毛細孔半徑的大小。當混凝土浸入水中，其內部孔隙只要是開孔毛細孔就能被水充滿。因此，在毛細孔半徑范圍以內，毛細孔越多、半徑越大，混凝土的吸水率越高。其吸水性受大毛細孔數量的影響較大，而受微毛細孔影響相對較小。吸濕性是指混凝土在潮濕空氣中吸收水分的性質，與吸水性相反，吸濕性受大毛細孔影響較小，受微毛細孔數量影響相對較大。已有研究表明，只有在半徑小于0.1um 的微毛細孔中才能產生毛細孔凝結現象[1]，它可以吸附周圍介質的蒸汽而被充填，在孔壁上生成液膜，故這樣的孔具有吸濕性。所以，混凝土中微毛細孔數量越多，混凝土孔隙的吸濕性越強，排濕性越弱。此時，混凝土的孔隙率和吸水性都可能較低，但因具有吸濕性的微毛細孔數量較多，混凝土在大氣環境中仍然有相對較高的含水率（稱含濕率更為貼切）。
半徑大于0.1-1um的大毛細孔，只有直接與液體接觸時才能被液體充滿。在大氣中，大毛細孔不僅不吸收潮濕空氣中的水分，其中原有的水分反而會被排入空氣中[1]。這樣的孔隙不具有吸濕性。因此，混凝土中微毛細孔數量越少，大毛細孔數量越多，混凝土孔隙的吸濕性越弱；雖然，由于大毛細孔數量較多，混凝土的孔隙率和吸水性都可能較高，但處于大氣中混凝土的含濕率仍然可以較低。即吸水性低的混凝土仍可以有較高的吸濕性和含濕率；吸濕性和含濕率較低的混凝土也可以有較高的吸水性。作者試驗中，分別采用含細顆粒（小于5um）較少的水泥和細顆粒含量較多的水泥制備成的水泥石試樣，在潮濕空氣中放置3d，含細顆粒較少的試樣，吸濕率比后者降低17%-37%；而在水中浸泡1d，前者吸水率比后者提高13%-29%[2]。
在此應特別強調一下，混凝土的吸濕性或含濕率與混凝土孔隙體積的吸濕性或含濕率也是完全不同的2個概念。前者是相對混凝土的總體積（包括實體體積和孔隙體積）而言，主要取決于混凝土中微毛細孔的絕對數量多少；后者僅是針對混凝土中孔隙的體積而言，主要取決于混凝土中微毛細孔與其它較粗孔隙的相對數量。隨著混凝土孔隙率的降低和微毛細孔絕對數量的減少，處于大氣中混凝土的吸濕性或含濕率也會相應減少；但此時只要混凝土內部的微毛細孔數量相對較多，大毛細孔數量相對較少，即2者的數量之比較大，相對于混凝土孔隙體積的吸濕性和含濕率比較而言必增無疑。當孔隙中水分結冰產生膨脹應力時，對孔壁造成的破壞和原有裂縫的擴展必然會更加嚴重。相反，隨著混凝土孔隙率和微毛細孔絕對數量的增加，混凝土的吸濕性或含濕率也會相應增加；但此時只要混凝土內部的微毛細孔數量相對較少，大毛細孔數量相對較多，即二者的數量之比較小，處于大氣中混凝土孔隙體積的吸濕性和含濕率無疑會減少。因此，混凝土內部孔隙和原有裂縫遭受冰凍破壞的影響自然也小。然而實際工程應用當中，人們通常忽略了混凝土的吸水性和吸濕性以及混凝土孔隙體積吸濕性之間的這種區別。甚至認為它們之間始終存在著一致性。因此，在確定混凝土的抗凍等級和進行抗凍性試驗時，只考慮了混凝土的吸水性對混凝土抗凍性的影響，而沒有考慮混凝土的吸濕性和混凝土孔隙體積的吸濕性對混凝土抗凍性的影響。
根據抗凍試驗確定的抗凍等級也只能反映在規定飽水狀態下混凝土的抗凍性，并不能反映混凝土在大氣中的真實抗凍性。其結果是吸水性低的混凝土凍融循環次數多，抗凍等級高；但混凝土的吸濕性及混凝土中微毛細孔內的吸濕性卻都可能較大，在處于實際應用的大氣環境當中，混凝土的含濕率特別是相對于混凝土孔隙體積的含濕率反而更高，導致混凝土的實際抗凍性并不一定好，甚至比抗凍等級低的混凝土還差。
2 混凝土生產技術的商榷
為了提高混凝土的抗凍等級等耐久性指標，目前混凝土施工和生產中除了采用引氣劑以外， 通常采用摻入高效減水劑、降低水膠比，并采用細度較細的早強水泥和細粒摻合料等方法。其初衷是通過減少混凝土內部粗大的毛細孔數量或孔半徑來提高混凝土的強度和抗凍、抗滲等耐久性能。但在混凝土生產中采用普通水泥和一般的施工方法，目前這一目的較難達到，實際生產出的混凝土大多數仍為多孔體系。
一般水膠比降低，只能使混凝土內部的大毛細孔變成微毛細孔，造成大毛細孔數量減少，微毛細孔數量增多。如原蘇聯莫斯科門捷列夫化工學院的研究表明：水膠比由0.4 降低為0.22-0.25（硬化溫度200C），水泥石中半徑0.004-0.01um的微毛細孔（包括少0.004-0.005um 的超微孔）數量由20.8%-39.7%增加到28.5%-41.4%、半徑0.01%-0.1%um的微毛細孔數量由26.4%-33.2%增加到26.7%-49.8%；而半徑不小于0.1-1um的大毛細孔與半徑大于1um的非毛細孔數量之和由27.1%-52.8%減少至21.7%-28.3%[3]。特別是其中0.01-0.1um的微毛細孔數量的中間值（變化前后分別為29.8%和38.25%）與半徑不小于0.1-1um的大毛細孔和半徑大于1um的非毛細孔數量的中間值（變化前后分別為39.95%和25.0%）之比，由0.75增加到1.53，接近原來的2.1倍。
膠凝材料中細顆粒含量的增加與水膠比的降低有類似的作用效果。如原蘇聯的研究表明，提高水泥的細顆粒（<5um）含量，由于分散度很高，水化物充填了大部分毛細孔空間，必然生成微毛細孔，并使大毛細孔數量明顯減少[1]。
目前為提高混凝土抗凍等級、抗滲等級和強度等級而采取的一些措施，在很多情況下使混凝土內部的微毛細孔數量增加，而使具有排濕性的大毛細孔數量減少。特別是微毛細孔和大毛細孔數量之比的顯著增大，使混凝土孔隙體積的吸濕性大幅提高。這一作法不但不能提高大多數混凝土（暴露于大氣中的混凝土）的抗凍性，反而會不同程度地降低混凝土的真實抗凍性和耐久性。
根據鮑維斯的研究發現，在-40C時約60%的毛細孔水變成冰，在-120C有80% (以上的毛細孔水變成冰[4-5]。針對我國的氣候分區情況，溫區最冷月份的平均氣溫為0~-100C，寒區最冷月份的平均氣溫為-100C以下。故對我國大多數地區而言，在最冷月份足以使混凝土毛細孔內的部分或大部分水結冰。由于大毛細孔的存在具有良好的排濕性，當結冰時，將有足夠的空間滿足結冰所引起的體積變化，所以處于大氣中的混凝土內部可凍結水的數量主要取決于混凝土內微毛細孔中的水量。當微毛細孔隙內的水分一旦結冰時，微毛細孔中沒有足夠的空間緩沖結冰所造成的體積膨脹，此時，結冰產生的膨脹應力對混凝土孔壁的破壞必然更加嚴重。如原蘇聯的研究指出，混凝土中儲備孔（被蒸汽空氣混合氣體充填的孔）的相對體積越大，抗凍性越好。并著重指出，影響混凝土抗凍性的，與其說是儲備孔的絕對體積，不如說是儲備孔體與充滿水的孔體積之比[1]。其抗凍機理類似于引氣劑提高混凝土抗凍性的作用機理。此外，孔隙內部含濕率高的混凝土，還會加劇空氣中腐蝕性介質對混凝土的侵蝕及混凝土內部鋼筋銹蝕等，導致混凝土的強度、抗凍性、抗裂性和抗滲等耐久性能的下降[6]。當前，我國正處于基礎建設高速發展的重要時期，對此影響因素應引起重視。
3 幾點建議
（1）對于暴露在大氣中的大多數混凝土工程，應當重點考慮混凝土在大氣中的抗凍性。抗凍融試驗方法應將水融法改為氣融法（如在200C或更高溫度、濕度95%的環境中融化），盡管試驗時間會相對延長，但可以通過適當提高融化溫度的方法來解決。混凝土抗凍等級的確定也應以氣融法為依據，才能更好地反映其混凝土工程在實際應用環境中的抗凍性。
（2）對于大多數混凝土工程，除了推廣采用引氣劑以外，必須在水膠比的控制方面徹底糾正混凝土內毛細孔半徑越大、害處越多的傳統觀念[6]。控制適當的水膠比，以避免混凝土內部形成過多的微毛細孔和過少的大毛細孔。
（3）對于大多數以通用水泥為膠凝材料的混凝土工程，應合理控制和選擇膠凝材料的粉磨細度，適當控制其中小于5um的細顆粒含量，同樣可以避免混凝土內部形成的微毛細孔數量過多。
（4）對于水工混凝土和抗滲性要求高的混凝土，建議進一步推廣和加強堿礦渣水泥及土壤聚合物水泥等膠凝材料的應用和研究。如：堿礦渣水泥能夠大幅度提高混凝土中的超微孔數量。
（5）對于已經竣工并采用低水膠比等技術措施的混凝土（尤其是高強混凝土和高性能混凝土）工程，建議在氣候干燥季節及時采用表面密封和表面改性等技術措施進行保護。如采用防水涂料涂刷或有機硅防水劑浸漬混凝土表面，以降低混凝土孔隙內部的吸濕性和含濕率，提高混凝土的抗凍性和大氣穩定性等耐久性能。
參考文獻：
[1]A.E.,謝依金.水泥混凝土的結構與性能.北京：中國建筑工業出版社，1984.
[2]陳立軍.水泥粉磨工藝對透水性混凝土路面性能的影響.新型建筑材料，2003,（1）：22-23.
[3] 第六屆國際水泥化學會議論文集.水泥水化與硬化（一）.中國建筑工業出版社，1982,（11）：528
[4]F.M李，水泥和混凝土化學.中國建筑工業出版社，1980,8:758.
[5] 袁潤章.膠凝材料:武漢9武漢工業大學出版社，1996.
[6] 陳立軍"略論高性能混凝土的密實性與耐久性.混凝土,2003,(6):21-22.
