[發明專利]一種水泥基材料凍融損傷的控制方法

在審

• 申請號: 202010224401.0
• 申請日: 2020-03-26
• 公開（公告）號: CN111458251A
• 公開（公告）日: 2020-07-28
• 發明（設計）人: 蔣金洋;張傲寧;劉志勇;王鳳娟;王立國
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01N5/00
• 分類號: G01N5/00;G01N25/14;G01N15/08
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 張華蒙

本發明公開了一種水泥基材料凍融損傷的控制方法，屬于水泥基材料技術領域，通過控制氣泡間距，使引入的氣泡空間能夠容納所有被排出的液態水，保證排出部分水結冰后冰的體積V_exp小于引入氣泡的體積V_void，即V_exp＜V_void，此時氣泡完全消除由于水結冰所引起的壓力，材料可經歷無數次凍融循環。本發明通過對引入氣泡的有效性分析得出，在引氣含量一定的條件下，引入氣泡直徑越小，單位體積元中氣泡個越數多，促使氣泡間距系數越小，越有利于提高水泥基材料的抗凍耐久性，氣泡可完全消除由于水結冰所引起的壓力，材料可經歷無數次凍融循環；該方法使凍融損傷控制由傳統的經驗確定轉為理論計算，方法更為精確，可以解決嚴寒地區水泥基材料的凍融損傷破壞難題。

技術領域

本發明屬于水泥基材料技術領域，具體涉及一種水泥基材料凍融損傷的控制方法。

背景技術

凍融破壞是影響水泥基材料耐久性的重要問題，也是寒冷地區結構運行過程中的主要病害。在各類工程均可觀察到水泥基材料結構存在著局部或大面積的凍融破壞，例如房屋、道路、港口橋梁等。結構在凍融循環作用下，出現表面剝落產生裂紋、縫隙等現象，這可能會使結構在還未達到用壽命就不得花費巨額進行維護或重修，造成資源的浪費，對國家經濟、社會效益帶來很大損失，也違背世界各國所提出的綠色環保和節能理念。

通過引入氣泡的手段來減少飽水水泥基材料在凍融循環過程中的損傷已被廣泛接受，摻人引氣劑后，混凝土內分布有均勻、大量微小的封閉氣泡，隔斷了混凝土內部大量的連通毛細孔，緩沖結冰時的膨脹壓，且孔徑越小冰點越低，從而提高混凝土的抗凍性能。并且已經知道氣泡為孔隙水提供了卸壓空間，使受壓的水就近排入其中，減小了靜水壓力，從而起到保護水泥基材料的作用。水泥基材料的抗凍性不僅與含氣量有關，而且與引入氣泡的形狀、大小和間距等性質直接相關。

為了評判引入氣泡的有效性，保證氣泡對力學效應的限制，目前較為普遍的做法是通過對新拌水泥基材料含氣量的控制，將氣泡間距離控制在250μm以下，但是這種做法沒有考慮環境溫度的影響，不同凍結溫度下，所需的最小氣泡間距不同。

研究不同溫度下引入氣泡的有效性，使水泥基材料中水的凍結時有足夠的卸壓空間，對保護水泥基材料的凍融損傷具有重要意義。

發明內容

發明目的：本發明的目的在于提供一種水泥基材料凍融損傷的控制方法，解決現有水泥基材料凍融損傷破壞難題，為嚴寒地區水泥基材料耐久性設計開辟嶄新途徑。

技術方案：為了實現上述發明目的，本發明采用如下技術方案：

一種水泥基材料凍融損傷的控制方法，通過控制氣泡間距，使引入的氣泡空間能夠容納所有被排出的液態水，保證排出部分水結冰后冰的體積V_exp小于引入氣泡的體積V_void，即V_exp＜V_void，此時氣泡完全消除由于水結冰所引起的壓力，材料可經歷無數次凍融循環。

進一步的，所述的引入氣泡的體積其中，n為引入氣泡的個數，R為引入氣泡的平均半徑。

進一步的，排出部分水結冰后冰的體積V_exp按以下方法求得：

凍結發生時，大量的水被排入殼內，殼層中液體的質量最初是

式中φ₀為水泥基材料的初始孔隙率，為273K時水的密度，V_s為半徑為R的氣泡周圍厚度為L的殼體的體積；其中，L—殼體平均厚度，即氣泡間距；

當冰凍發生時，殼中液體質量為

由此，排出水后水結冰的體積如下：

其中，為273K時冰的密度，S_C為結冰孔的體積分數。