结冰的水产生体积膨胀以及过冷的水发生迁移都将产生很大的压力,这是混凝土遭受冻融破坏的主要原因。水结冰时体积膨胀达9%,如果混凝土的毛细孔中含水率超过某一临界值(91.7%),则结冰时会产生很大压力。此外,当毛细孔中的水结冰时,凝胶孔中的水处于过冷状态,过冷水的蒸气压比同温度下冰的蒸气压要高,因此,将发生凝胶水向毛细孔中冰的界面渗透。由于渗透达到平衡状态需要一定的时间,所以水泥石即使保持一定的冻结温度,而由渗透压力引起的水泥石的影胀将持续发生一定的时间,这是过冷水迁移所引起的膨胀特点。

研究表明,混凝土的抗冻融性,在其他条件相同的情况下,主要由水灰比和含气量这两个因素所制约。混凝土中掺人减水剂后,由于其减水作用,降低了水灰比,使存在于混凝土结构中可冻结的游离水明显减少;由于其引气作用,混凝土中引人一定数量独立微小气泡可缓解结冰和过冷水迁移所产生的膨胀压力的集中;此外,减水-引气作用使混凝土中孔结构得到改善,毛细管孔径变得更细,其中水溶液的冰点就会下降得越多。所以一般情况下,减水剂能改善混凝土的抗冻融性。表14-12和表14-13为木钙减水剂对混凝土抗冻融性的影响的试验结果,从表中可看出,与不掺加减水剂的混凝土比较,掺加木质素硫酸钙减水剂的混凝土经历50次冻融循环和75次冻融循环后,其质量损失和强度损失远远小于对比混凝土的相应值,28d强度也有显著提高。说明掺加木钙减水剂的混凝土抗冻融破坏性能优于对比混凝土。

表14-14所示为减水剂品种对混凝土抗冻融性的影响,可以看出挚MF的效果优于掺NNO或挚木钙减水剂的。对抗冻融性作用的差异,可以认为是减水剂表面活性大小差别所致,MF减水剂的水溶液表面张力较低,其引气性较强,因此其抗冻融性高于NNO和木钙减水剂。

其他减水剂对混凝土抗冻性的影响结果见表14-15.掺加萘系减水剂和氨基硫酸盐系减水剂的混凝土经过50次冻融循环后,其质量损失率和强度损失率远低于空白混凝土的相应数值,说明掺加上述两种减水剂的混凝土抗冻性提高。其他减水剂对混凝土的抗冻性改善效果与萘系减水剂的相似,如图14-25所示。

从混凝土气泡结构和抗冻融性能的关系的研究结果中发现,即使混凝土中引入相同数量的空气,由于气泡在混凝土中的结构,即气泡直径和分布形状是不同的,因而对抗冻融性的影响也有明显的差别。例如气泡间隔系数越小(在同样含气量情况下),混凝土的抗冻融性也就越好。一般而言,减水剂引入混凝土中的气泡尺寸和气泡结构不如引气剂的理想。对于具有较高抗冻性要求的混凝土,仅掺加减水剂还不能满足要求,需要同时掺加引气剂以进一步改善混凝土的抗冻性。单独掺加减水剂和减水剂与引气剂双换混凝土的抗冻性如图14-26所示。只掺加萘系减水剂和聚羧酸系减水剂的混凝土经过100次冻融循环后,质量损失和动态弹性模量损失较大,同时掺加减水剂和引气剂的混凝土经过300次冻融循环后,仍能满足使用要求。