浅谈不同类型的水对混凝土冻融破坏的影响

1混凝土冻融破坏现状
　　我国地域辽阔，在寒冷冬季的北方地区，尤其东北三省、内蒙古、以及西北五省等省市自治区，气温均在零度以下。而混凝土在零度以下的环境中易发生冻融破坏，这些地区的混凝土结构破坏基本上均与冻融相关[1]。
　　2008年初，我国长江以南大部分地区持续冰冻灾害，由于持续的冰冻天气，混凝土输电塔出现不同程度的结冰现象，在长江以南地区出现这样的现象让人难以预料。无论是冬季严寒的北方，还是特殊情况下的南方，冻融破坏的现象在全国各地均有存在，并且对混凝土耐久性造成了极大的影响。研究冻融破坏对混凝土的影响，对混凝土耐久性研究具有重要意义。

2混凝土冻融破坏机理研究状况
　　混凝土的冻融破坏，是一系列物理变化的结果。从大约二十世纪中叶开始，美国与欧洲等科技较为领先的国家或地区均注重研究混凝土冻融破坏机理，并且提出了多种混凝土冻融破坏理论[2]。在此领域以T.C.Powers为代表的理论成为最基本的混凝土冻融破坏理论。截止目前，混凝土的冻融破坏基本理论[3]有膨胀压、渗透压、水的离析成层等理论，但目前学术界认可度比较高的，仍然是膨胀压理论和渗透压理论。
　　2.1膨胀压力理论
　　混凝土一般是在集料中掺入适当比例的水与水泥，并且引入适当的外加剂所共同组成的。一方面无论是何种集料，在其内部总会或多或少地存在一定的孔隙；另一方面混凝土在拌合、浇筑、振捣和成型过程中，也会残留一定的孔隙。混凝土的这些孔隙中经常含有水，当温度低于零度时，毛细孔中的水会生成冰。由于水冻结成冰体积会增大约9%，随着外界环境温度的逐渐降低，越来越多的水逐渐变成体积膨胀的冰，未结冰的水持续受压，由于四周密闭而无处流动，使得混凝土毛细孔中逐渐产生越来越大的内应力。此内应力积累到一定程度，便会逐渐平衡混凝土内部所能承受的最大涨裂应力，进而使混凝土因涨裂产生破坏。
　　2.2渗透压力理论
　　有研究指出[3]，在混凝土孔隙中，即便达不到完全饱和，也会引起混凝土的冻融破坏，仅以零度以下水结冰时体积膨胀9%的膨胀压力理论无法准确论述复杂的混凝土冻融破坏现象。T.C.Powers在混凝土冻融破坏领域进行深入研究后发现，混凝土孔隙中的水凝结成冰时，所生成的冰并不向外排出，而是向着冷源方向推进。鉴于此情况，T.C.Powers等人对混凝土的冻融破坏提出了渗透压理论。该理论认为，在结冰的条件下，混凝土孔隙中的水分首先有部分凝结成固态的冰，由于本来位于混凝土孔隙中的水被冻结成冰，使得混凝土孔隙中的溶液浓度发生变化，凝胶孔中的自由水便会向毛细孔移动，进而引起混凝土毛细孔的扩散作用而形成了渗透压力，毛细孔中的水在冻结体积逐渐膨胀的作用下导致混凝土发生涨裂破坏。

3不同类型水对冻融的影响
　　虽然以上两种理论都是混凝土冻融破坏中认可度较高的理论，但这两种理论均属于基本理论，对混凝土冻融过程中具体的因素都描述过于简单。本文作者认为，在混凝土冻融破坏中，混凝土中各种水的影响作用尤为重要，不能简单一笔带过，而应该做深入比较研究。
　　混凝土在成型养护过程中由于水化反应消耗水分引起混凝土体积减小，这也就是常见的混凝土养护完成后经常出现细小裂纹的原因。在混凝土发生水化的过程中，有一部分水参与混凝土的水化反应而被消耗掉，另一部分水残留在混凝土之中形成结晶水、吸附水、毛细孔水和游离水[4]。
　　3.1混凝土中不同类型水对冻融的影响
　　3.1.1结晶水
　　化合物中所结合的水分子称为结晶水，在常见的晶体物质中，会以一定比例结合着部分水。这部分水与其他成分之间成简单的比例，属于物质组成的一部分，是不可能结冰的，所以结晶水的存在对混凝土冻融没有影响。
　　3.1.2吸附水
　　吸附水也称为凝胶水，其中一些水被吸附在混凝土浆体的外面，另一些水停留在混凝土颗粒之间的空隙中。通常情况下凝胶孔尺寸比较小，在-70℃以下才能凝结成冰。一般常见环境根本达不到如此低的温度，因此这部分水被认为在一般情况下不存在结冰问题，进而说明吸附水不会对混凝土的冻融破坏造成影响。
　　3.1.3毛细孔水
　　在混凝土实际拌合时，其用水量一般都会与理论计算值存在细微差异，此时发生水化反应后剩余的水便会滞留于毛细孔之中，使混凝土内产生相互连通的毛细孔。广泛存在于毛细孔中的这些毛细孔水是可冻的，并且随着毛细孔的逐渐缩小，毛细孔水的冰点也随着逐渐降低，这些存在于混凝土中的毛细孔水很容易发生以上所提到的膨胀与渗透破坏，这也就是混凝土产生冻融破坏的主要因素。
　　3.1.4游离水
　　游离水也就是以水分子状态存在于混凝土各类型固体颗粒之间的自由水。由于游离水是以分子状态存在于混凝土固体颗粒之间，当环境温度达到结冰温度后，游离水便会结冰产生冻融破坏。故游离水的存在，对混凝土的冻融破坏也有很大的影响。
　　3.2引起混凝土产生冻融破坏的水分析研究
　　由以上的对比可以发现，冻融作用引起的破坏主要是由存在于混凝土中的毛细孔水和游离水在外界环境达到结冰温度时，由水凝结生成冰所造成的，而结晶水和吸附水由于自身存在的特点，对冻融几乎不产生任何影响。
　　T.C.Powers[5]在20世纪四十年代提出了混凝土中由于毛细孔水结冰膨胀，在混凝土中所产生的膨胀内应力计算公式如下所示：
　　P=η（1.09-1/s）μc（λ/3）k
　　式中：η-粘性系数；s-饱水度；μc-冻结速率；k-渗透率。
　　该理论公式充分说明了孔径较大的毛细孔水对混凝土冻融破坏有着直接的影响。渗透率与孔隙率直接相关，混凝土受到冻融破坏的严重程度，与毛细孔中饱水程度有很大的关系。不同类型的水对混凝土冻融破坏有着不同的影响，所以我们在研究混凝土冻融破坏时，应高度重视并区分各种不同类型水对混凝土冻融破坏的影响。

4结束语
　　冻融破坏对混凝土的影响主要由存在于混凝土之中的水在结冰温度之下凝结成冰，使混凝土之中产生膨胀力与渗透力，进而导致混凝土在此应力的作用下产生破坏。但并不是混凝土中所有类型的水都会对混凝土产生冻融破坏，只有存在于毛细孔中的毛细孔水与骨料之间的游离水才可对混凝土产生冻融破坏。混凝土长年累月存在于冻融交替的环境中，由于内应力涨裂所产生的裂缝将会不断扩大，最终连接贯通，使混凝土产生剥离的耐久性破坏。
　　通过混凝土中不同水存在的形式对混凝土冻融破坏的影响研究，可以充分利用混凝土冻融破坏的特点，有针对性地在混凝土设计与施工过程中尽量减少毛细孔水与游离水的含量，不但能满足混凝土的基本性能指标要求，更可以大幅提高混凝土的耐冻融性能，对实际工程具有极大的指导意义。

参考文献
　　[1]徐学英.提高混凝土耐久性的措施[J].建筑，2010（13）.
　　[2]李艳梅.浅谈如何提高混凝土的耐久性[J].内蒙古石油化工.2011（08）.
　　[3]季荣华.混凝土结构耐久性探析[J].江苏建材.2003（04）.
　　[4]陈国忠.提高混凝土耐久性的措施[J].河南水利与南水北调，2010，10：86.
　　[5]李新福，雷绍锋，马成松，等.土木工程材料[M].武汉：武汉理工大学出版社，2008：78-80.