混凝土组分对其冻融损伤和剩余寿命影响的研究

韩延辉  ,杨世杰

乌海职业技术学院    内蒙古乌海  016000

摘要：基于混凝土的冻融损伤理论，建立大掺量粉煤灰混凝土、浮石混合骨料混凝土和纤维轻骨料混凝土的冻融损伤模型，基于二次函数模型分别求出大掺量粉煤灰混凝土、浮石混合骨料混凝土和纤维轻骨料混凝土的剩余寿命。

关键词：混凝土冻融损伤剩余寿命

混凝土是现代重要的一种建筑材料。混凝土是由胶凝材料和骨料混合，通过一定的工艺成型硬化而成的人造石材。混凝土与钢材、木料等其它建筑材料相比，具有耐久性好、维修工作量小等优点。因此，混凝土的用量急剧增加，使用范围日益扩大。各种形式的混凝土、钢筋混凝土构件及构筑物等被广泛地应用于工业与民用建筑、交通土建工程、城市市政建设、农林、水利以及海洋等工程中。因此可大胆的预测，在今后相当长的一段时间内，混凝土仍然将会是现代土木工程中最主要的建筑材料之一。在实际工程应用的大部分混凝土，由于自身密度太大造成结构过重，限制了混凝土在跨度较大、超高层结构中的应用。

混凝土是现代建筑中使用量最大的材料，在实际工程中我们所用的混凝土结构中主要承受压力，因此抗压强度是混凝土最基本最重要的力学性能，也是设计者和施工建设人员最为关心的一项基本参数。立方体抗压强度是确定混凝土强度等级的唯一依据，而且还是确定其它力学性能（如弹性模量、峰值应变、延性系数、耐久性、破坏形态、多轴强度和变形等）的因素。混凝土在生产和制备及使用对生态环境会产生一定的负面影响。混凝土材料走可持续发展的出路之一就是应用现代的先进的混凝土科学技术不断的增加它的使用寿命，减少建筑垃圾，大量利用诸如粉煤灰、矿渣等工业废渣，这样可以大大减少自然资源和能源的消耗和浪费，减少对环境的污染。

混凝土在饱水的状态下因冻融循环作用产生的破坏称之为冻融破坏，混凝土抗冻性是指饱和水混凝土抵抗冻融循环作用的能力。混凝土的冻融循环破坏一般表现为表面混凝土出现疏松、掉落和一些粗骨料外露，甚至严重的出现露筋现象。Mehta教授指出:“当今世界混凝土耐久性正在遭受到严重的破坏，主要是因为以前没有对耐久性问题作出足够的重视，在设计忽视了时对混凝土耐久性的要求，现在世界对混凝土结构耐久性不足的原因按照递减的顺序依次是：钢筋的锈蚀引起的混凝土结构耐久性不足、冻融损伤引起的混凝土结构耐久性不足、氯离子等一些化学侵蚀而引起的混凝土耐久性不足。”，因此得出冻融破环是影响混凝土耐久性能重要的原因。

人们对粉煤灰性质的认识也随着粉煤灰混凝土技术的发展而发生着改变，普遍认为粉煤灰是一种良好的火山灰质材料，具有别的材料不可替代的活性和自身优点，因此在建国初期年代时，粉煤灰在一些大体积混凝土工程中得到了普遍应用，而且开始尝试将粉煤灰混凝土用于一些强度要求较高的结构物中例如高层建筑物中。同时由于粉煤灰在混凝土中的应用技术变得越来越成熟，大量的工程实践和科学研究表明大掺量的粉煤灰和高性能相结合用在工混凝土工程当中，不仅能取得良好的经济效益，最主要的是使混凝土的一些力学性能得到提高。

虽然大掺量粉煤灰混凝土的抗冻性能和剩余寿命都能大大满足耐久性[1]的要求，但是随着粉煤灰掺量的增加，混凝土的抗压强度在减小，同时由于粉煤灰混凝土的自重大，无法满足结构向高耸、大跨、重载的方向发展，因此大掺量粉煤灰在实际工程中的应用还不能得到大范围的推广应用，因次要想更好的节约资源，发展绿色高性能混凝土，必须从减轻结构自重对混凝土的影响做系统的研究。

混凝土的冻融破坏现象严重影响了混凝土结构的安全和使用。为了使这些建筑物继续发挥自己的作用，每年都会消耗巨额的费用去维修。而混凝土的安全使用期和维护使用期费用的比例是1：3～1：10，即维护期的费用大约是建设期的1～3倍。因此，加强混凝土抗冻性方面的研究，对确保混凝土结构的安全和正常使用，使工程安全并如期运行并创造一定的经济效益和社会效益有着非常重要的现实意义。

为了改善浮石混合骨料混凝土脆性及抗压强度低的特点，必须要采取一定的措施，大量的研究和工程实践表明，纤维能改善混凝土的性能，在混凝土中加入一定量的纤维，可以改善混凝土的抗压强度，本文将在第五章中对纤维如何改变浮石轻骨料的抗冻性能和使用寿命进行系统深入的研究。浮石轻骨料混凝土中，混凝土骨料的周围还存在固题、液体和气体。由于浮石中含有大量的气泡，使得浮石混合骨料混凝土中含有大量的孔隙，这些孔为混凝土受冻膨胀提供了一定的空间，类似于引气剂的作用，从而使混凝土的抗冻性较好提高了混凝土的使用寿命。

随着浮石替代率的增加混凝土的抗冻性增强、使用寿命也在增加，但是浮石轻骨料混凝土仍然有很大的缺点。主要是浮石轻骨料混凝土的抗压强度低、脆性大。为了能使轻骨料混凝土在工程中得以更广泛的应用，可以在混凝土中加入纤维来改善轻骨料混凝土的抗压强度和脆性问题。为了满足混凝土向着现代、绿色、高效和质轻等发面发展，本文以以往试验所测得的数据为依据，分别对大掺量粉煤灰混凝土、浮石混合骨料混凝土、纤维轻骨料混凝土的剩余寿命进行了预测。并分别对粉煤灰、浮石轻骨料和纤维对混凝土抗冻性和剩余寿命的影响进行了研究分析。

在混合骨料混凝土中随着普通粗骨料掺入量的增加，混合骨料混凝土的密度和弹性都得到了不同程度的提高，但对混合骨料的抗压强度影响效果不明显。为了改善轻骨料质量较轻，拌制过程中容易上浮，普通碎石质量重，拌制出来的混合骨料混凝土不均匀的缺点，研究矿物掺合料以及外加剂对混合骨料混凝土其匀质性的影响，并讨论了陶粒与碎石以1:1的比例配制的混合骨料混凝土的均匀性。通过以上的这些研究得出混合骨料混凝土的均质性与引气剂的加入、粉煤灰的掺量，外加剂以及轻骨料的吸水等因素密切相关。

由于混凝土耐久性不足而引起的结构破坏的后果是很严重的，因此混凝土耐久性问题被人们给予更多的关注。随着陶粒掺量的增多混凝土耐久性能的改善效果明显，然而在混凝土中加入一定量的陶粒，会使混凝土的抗渗性降低，特别是在水灰比较低的混凝土中比较明显。所以得出结论在水灰比较低的混凝土中加入陶粒的总量量不宜过高，一般不能高于50%。以上主要是从轻骨料掺入量方面来研究混合骨料抗冻性能的，但对于从混凝土的养护条件以及养护龄期等方面对抗冻性的的研究还较少，因此对混合骨料混凝土的抗冻性研究还有很大的空间。

随着粉煤灰掺量的增加，混凝土的抗冻性能和强度在减弱，剩余使用寿命在减少。并且随着粉煤灰的掺入，混凝土的表观密度变化不大。因此得出大掺量粉煤灰[2]对混凝土的抗冻性和剩余寿命的改善效果不显著、掺加少量的粉煤灰可以达到既节约资源保护环境又不影响混凝土其他性能的要求。随着浮石替代率的增加，浮石混合骨料混凝土的抗冻性能和使用寿命在显著的提高，当浮石替代率达到百分之百时达到最大，也就是我们通常所说的浮石轻骨料混凝土。但是浮石轻骨料混凝土的抗压强度低，不能满足混凝土在实际工程中的要求。在轻骨料混凝土中加入纤维，能显著的改善混凝土的抗压强度，并且混凝土的抗冻性能和剩余寿。（内蒙古自治区高等学校科学研究项目NJZY21645）

参考文献：

[1] 张誉,蒋利学,张伟平.混凝土结构耐久性概论[M].上海:上海科学技术出版社,2019:4-3

[2] 季晓霞.大掺量粉煤灰高性能混凝土耐久性试验研究[D].呼和浩特:内蒙古工业大学硕士学位论文.2018