当前课程知识点：钢筋混凝土耐久性导论 > 05 混凝土的冻融循环破坏 > 01 冻融循环破坏的现象与机理 > Video
您好
欢迎来到钢筋混凝土
耐久性导论课程
这一节我们简要介绍
混凝土冻融循环破坏的现象与机理
路老师
我经常看见校园里面的
混凝土马路牙子表面破损得很厉害
它是怎么造成的呢
你看到的这种现象呢
多是由冻融循环破坏造成的
它的主要发生在北方寒冷
或者是严寒地区
像那些一层层
或者是一块块剥落的情况呢
多半是由混凝土中的水
冻胀引起的
像那些表面上有大小不同的
麻坑状破损的呢
多半是由除冰盐引起的
路老师
我之前一直不知道
混凝土也是可以冻坏的
您能不能给我讲一下
它的破坏机理呢
好
我们知道水在零度以下呢
会结冰
它呢大约会发生9%左右的
体积膨胀
有时候呢就会胀坏相应的容器
比如冬天室外盛水的那些玻璃瓶
或者是水缸等等
因此呢可以粗浅地认为
如果混凝土中含有足够多的水
当温度降低到一定程度的时候呢
混凝土中的水呢就会结冰
发生体积膨胀
从而会把混凝土胀坏
所以呢也有人把
混凝土的冻融循环破坏呢
叫做混凝土的冻胀破坏
当然这只是一种方便的说法
因为长期处于冰冻环境中的结构
是不会发生破坏的
有冻有融呢才会产生破坏
所以呢我们叫做冻融循环破坏
另外呢之所以说它是一种
方便的说法呢
还因为当混凝土中
含有某些有机化合物的时候呢
就是不是水的时候呢
照样也可能冻坏
也就是说呢
混凝土的冻融循环破坏机制
实际上还是比较复杂的
从美国T. C. Powers教授
于上世纪四十年代提出
静水压假说以来呢
到目前为止
还没有找到统一的理论模型
人们之所以称它为假说
是因为它只是一种解释
还没有精巧的实验
能够进行系统地验证
简而言之呢
所谓静水压假说呢
就是前面提到的冻胀理论
可以把混凝土看成是由砂浆
和石子组成的两相复合材料
当石子中的裂隙较多的时候呢
如果其中含有适量的水
在低温的时候呢
就会发生冻胀现象
它也是自然界中裂隙发育
丰富的岩石
自然劣化的机理之一
砂浆中含有不同尺寸的孔
孔径小于几个纳米的
叫凝胶孔
其中的水
因表面能或叫表面张力的作用
使它的冰点呢降得很低
有时呢可能会降到
摄氏零下八十度以下
也就是说通常条件下
凝胶孔中的水是不会结冰的
孔径在几个纳米到
几十微米的孔呢叫毛细孔
这些孔中的水
因表面能和多种离子的共同作用
它的冰点降至大约
摄氏零下十五度
至二十度左右
只有当环境温度足够低的时候
这些孔中的水才会结冰
而几十微米以上的
大孔中的水
它的冰点呢多在摄氏零下
一到两度左右
也就是说当环境温度低于
摄氏零下五度时呢
这些大孔中的水呢
就非常容易结冰了
这样对于一些水灰比比较大的
中低强度的混凝土呢
其中的大孔和毛细孔呢比较多
如果混凝土遇到低温
大孔中的水呢会首先结冰
产生体积膨胀
造成混凝土胀裂破坏
这种模型呢就是静水压模型
T. C. Powers教授于上世纪四十年代
提出静水压假说之后不久呢
很快就发现
如果将混凝土中的水换成苯
或者是三氯甲烷呢
混凝土在低温下
仍然能够发生破坏
另外混凝土呢
也不一定会发生膨胀
有时候还会发生收缩破坏
于是呢他又与Helmuth
一起提出了渗透压假说
所谓渗透压假说
就是当混凝土大孔中的水
未完全充满时
因温度降低而使其中一部分
先结冰以后呢
会造成剩余孔内的浓度会变高
它的冰点也会随之降低一些
这时呢如果有与之连通的小孔
一般小孔中的水的冰点呢
会更低一些
那么小孔中的水呢
就会向大孔里迁移
这种水的迁移呢
就会形成渗透压
从而造成混凝土内部
产生局部的微裂纹
其实对于大小不一的
孔隙相连的情况
因表面张力的作用呢
小孔隙中的饱和蒸汽压
也是大于大孔隙中的
饱和蒸汽压的
也就是说当温度降低时呢
小孔隙中的水汽
自然也要往大孔隙里渗透
从而造成局部裂隙产生
一般讲静水压假说
用来解释大孔隙饱水混凝土的
冻融循环破坏呢
是较为合适的
渗透压假说可以用于
饱水程度略低的情况
路老师
那么这么看来
如果不让混凝土饱水
那混凝土是不是
就不会冻坏了呢
对呀
瑞典的Fagerlund教授
于1975年提出
要想使混凝土发生冻融循环破坏
就必须使它达到一个临界的
饱水程度以上
否则呢它就不容易发生破坏
随着低水胶比高强
高性能混凝土的发展
人们发现当水胶比小于0.25以后
混凝土就很难冻坏了
因为其中它的含水量呢太低了
外界的水分也很难进入
因此呢Fagerlund教授的观点呢
也得到了大量的支持
路老师这么说来
如果能让混凝土维持在
临界饱水度以下
那它是不是就一定不会发生
冻融循环破坏了呢
这个来讲呢就不一定了
加拿大的Litvan教授认为
混凝土的冻融循环破坏
是由于孔隙水的迁移
和重分布引起的
他认为温度降低的时候呢
小孔隙中的过冷水
会向大孔隙或混凝土表面迁移
可能会产生冰透镜现象
当温度升高时呢冰会融化
融化的水以及过冷水呢
就会发生重分布
如果这些过冷水无处可去
就会在该处造成开裂
另外呢当过冷水迁移时呢
还会引起混凝土内部干燥
随着冻融循环的加剧
混凝土内部会产生干燥收缩
从而造成局部的开裂
德国的Setzer教授认为
混凝土的冻融循环破坏
源于刚才讲的冰透镜现象
所谓的冰透镜是一种常常发生在
土壤或者是岩石中的一种
自然现象
即由于水汽或水分迁移
在局部发生聚集
当温度降低时呢就形成冰棱体
从而产生胀裂破坏
也就是说Setzer教授
与Litvan教授都承认
水汽或水分迁移呢
是造成
混凝土冻融循环破坏的前因
但他们对随后破坏的解释
是有所不同的
路老师在冻融循环当中
会有温度的变化
这种温度的变化
肯定会带来温度应力
那么这种温度应力
与混凝土的冻融循环破坏
有关系吗
有
我们前系主任刘西拉教授
和他的博士生蔡昊
于上世纪九十年代末就提出
混凝土的冻融循环破坏
是一种损伤力学行为
不断的温度应力疲劳
会造成混凝土表皮发生剥落
尽管这一观点在材料专家中
存在争议
但对于解释后面将要讲到的
除冰盐造成的混凝土表面起皮
或者剥落的现象呢
似乎还是很方便的
这种观点呢也强调了
冻和融循环作用的必要性
总之由上面所讲的这些假说
或者模型可以看出呢
混凝土的冻融循环破坏机制
是非常复杂的
还没有统一的理论
希望未来呢
能有人提出统一的理论或模型
好
这节课呢就先讲到这里
简要介绍了
混凝土冻融循环破坏的现象
与机理
下次课程再见
-01 什么是钢筋混凝土？
--01-01
-02 什么是材料耐久性？耐久性三要素分析法
--01-02
-03 为何要研究材料的耐久性？人物一理
--01-03
-04 国内外部分跨海大桥简介及可持续发展问题
--01-04
-05 课程内容和要求
--01-05
-作业--作业
-01 金属腐蚀的现象、危害与定义
--02-01
-02 金属腐蚀的三要素
--02-02
-03 金属的磨损、化学腐蚀与磨蚀
--02-03
-04 金属的电化学腐蚀和电偶腐蚀
--02-04
-05 金属的点蚀、缝隙腐蚀和丝状腐蚀
--02-05
-06 金属的应力腐蚀、氢脆和宏电池腐蚀
--02-06
-07 金属的腐蚀防护方法和尚待解决的技术难题
--02-07
-作业--作业
-01 钢筋腐蚀的现象、危害和机理
--03-01
-02 钢筋腐蚀的防护方法和部分新技术
--03-02
-03 电化学修复技术
--03-03
-04 电化学阴极保护技术
--03-04
-05 杂散电流腐蚀和尚待解决的技术难题
--03-05
-作业--作业
-01 混凝土碳化的定义、现象与危害
--04-01
-02 混凝土碳化公式和碳化深度检测方法
--04-02
-03 混凝土碳化的防护方法和尚待解决的技术难题
--04-03
-作业--作业
-01 冻融循环破坏的现象与机理
--Video
-02 冻融循环破坏的危害与影响因素
--Video
-03 透水混凝土的抗冻性、除冰盐的危害和抗冻试验方法
--Video
-04 混凝土常用抗冻方法和尚待解决的技术难题
--Video
-作业--作业
-01 碱-骨料反应的定义、类型和现象
--Video
-02 碱-骨料反应的机理
--Video
-03 骨料碱活性的检验方法和流程
--Video
-04 碱-骨料反应的防控方法及尚待解决的技术难题
--Video
-作业--作业
-01 硫酸盐侵蚀的定义和现象
--Video
-02 硫酸盐侵蚀的机理
--Video
-03 硫酸盐侵蚀的试验方法
--Video
-04 硫酸盐侵蚀的防护方法和尚待解决的技术难题
--Video
-07 混凝土的硫酸盐侵蚀--作业
-01 结构健康监测与耐久性监测
--Video
-02 耐久性监测系统的基本构成
--Video
-03 耐久性监测传感器和工程案例
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-04 耐久性监测技术难点和发展趋势
--Video
-作业--作业
-01 耐久性设计的目的、原则和方法
--Video
-02 如何进行耐久性设计？
--Video
-03 全寿命周期成本分析
--Video
-04 耐久性设计内容和部分技术难题
--Video
-作业--作业
-01 课程内容及知识要点
--Video
-02 土木工程师的责任
--Video
-A01 金属腐蚀
--Video
-A02 混凝土劣化
--Video
-期末考试
