一种水泥基材料冻融损伤的控制方法技术

本发明专利技术公开了一种水泥基材料冻融损伤的控制方法，属于水泥基材料技术领域，通过控制气泡间距，使引入的气泡空间能够容纳所有被排出的液态水，保证排出部分水结冰后冰的体积V

【技术实现步骤摘要】
一种水泥基材料冻融损伤的控制方法
本专利技术属于水泥基材料
，具体涉及一种水泥基材料冻融损伤的控制方法。
技术介绍
冻融破坏是影响水泥基材料耐久性的重要问题，也是寒冷地区结构运行过程中的主要病害。在各类工程均可观察到水泥基材料结构存在着局部或大面积的冻融破坏，例如房屋、道路、港口桥梁等。结构在冻融循环作用下，出现表面剥落产生裂纹、缝隙等现象，这可能会使结构在还未达到用寿命就不得花费巨额进行维护或重修，造成资源的浪费，对国家经济、社会效益带来很大损失，也违背世界各国所提出的绿色环保和节能理念。通过引入气泡的手段来减少饱水水泥基材料在冻融循环过程中的损伤已被广泛接受，掺人引气剂后，混凝土内分布有均匀、大量微小的封闭气泡，隔断了混凝土内部大量的连通毛细孔，缓冲结冰时的膨胀压，且孔径越小冰点越低，从而提高混凝土的抗冻性能。并且已经知道气泡为孔隙水提供了卸压空间，使受压的水就近排入其中，减小了静水压力，从而起到保护水泥基材料的作用。水泥基材料的抗冻性不仅与含气量有关，而且与引入气泡的形状、大小和间距等性质直接相关。为了评判引入气泡的有效性，保证气泡对力学效应的限制，目前较为普遍的做法是通过对新拌水泥基材料含气量的控制，将气泡间距离控制在250μm以下，但是这种做法没有考虑环境温度的影响，不同冻结温度下，所需的最小气泡间距不同。研究不同温度下引入气泡的有效性，使水泥基材料中水的冻结时有足够的卸压空间，对保护水泥基材料的冻融损伤具有重要意义。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的在于提供一种水泥基材料冻融损伤的控制方法，解决现有水泥基材料冻融损伤破坏难题，为严寒地区水泥基材料耐久性设计开辟崭新途径。技术方案：为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案：一种水泥基材料冻融损伤的控制方法，通过控制气泡间距，使引入的气泡空间能够容纳所有被排出的液态水，保证排出部分水结冰后冰的体积Vexp小于引入气泡的体积Vvoid，即Vexp＜Vvoid，此时气泡完全消除由于水结冰所引起的压力，材料可经历无数次冻融循环。进一步的，所述的引入气泡的体积其中，n为引入气泡的个数，R为引入气泡的平均半径。进一步的，排出部分水结冰后冰的体积Vexp按以下方法求得：冻结发生时，大量的水被排入壳内，壳层中液体的质量最初是式中φ0为水泥基材料的初始孔隙率，为273K时水的密度，Vs为半径为R的气泡周围厚度为L的壳体的体积；其中，L—壳体平均厚度，即气泡间距；当冰冻发生时，壳中液体质量为由此，排出水后水结冰的体积如下：其中，为273K时冰的密度，SC为结冰孔的体积分数。进一步的，所述的结冰孔的体积分数SC按以下方法求得：SC＝1-SL＝1-S(rP)；式中，SL—T温度下未结冰液相的体积与总孔隙体积的比值，S(rP)为孔半径小于结冰临界孔半径rp孔的体积分数，也即未结冰孔占所有孔的体积分数。进一步的，所述的结冰临界孔半径rp按下式求得：式中，rP表示当前结冰温度为T时可形成冰的最小孔半径，又叫结冰临界孔半径，nm；式中，ΔSm表示每单位体积的冰在温度为273K时溶解为水的熵，ΔSm＝1.2MPa/K；Tm和T分别表示大块冰的结冰点和当前的温度，K。进一步的，最小气泡间距Lmin由以上公式求得，即：有益效果：与现有技术相比，本专利技术通过对引入气泡的有效性分析得出，在引气含量一定的条件下，引入气泡直径越小，单位体积元中气泡个越数多，促使气泡间距系数越小，越有利于提高水泥基材料的抗冻耐久性，气泡可完全消除由于水结冰所引起的压力，材料可经历无数次冻融循环；该方法使冻融损伤控制由传统的经验确定转为理论计算，方法更为精确，可以解决严寒地区水泥基材料的冻融损伤破坏难题。附图说明图1是本专利技术水泥基材料冻融损伤控制方法的引入气泡有效性判断图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的结构及性能做进一步说明。一种水泥基材料冻融损伤的控制方法，其特征在于，通过控制气泡间距，使引入的气泡空间能够容纳所有被排出的液态水，并且在考虑液态水变为冰产生膨胀的情况下，仍然没有内部压力产生，即保证排出部分水结冰后冰的体积小于引入气泡的体积，Vexp＜Vvoid，此时气泡可完全消除由于水结冰所引起的压力，材料可经历无数次冻融循环。其中，引入气泡的体积n-引入气泡的个数，R-引入气泡的平均半径。其中，当排出部分水结冰后冰的体积Vexp可按以下方法求得：冻结发生时，大量的水被排入壳内，壳层中液体的质量最初是式中φ0—水泥基材料的初始孔隙率，—273K时水的密度，Vs—半径为R的气泡周围厚度为L的壳体的体积，其中，L—壳体平均厚度，即气泡间距；当冰冻发生时，壳中液体质量为由此，排出水后水结冰的体积其中，—273K时冰的密度，SC—结冰孔的体积分数。其中，结冰孔的体积分数SC可按以下方法求得：SC＝1-SL＝1-S(rP)；式中，SL—T温度下未结冰液相的体积与总孔隙体积的比值，S(rP)为孔半径小于结冰临界孔半径rp孔的体积分数，也即未结冰孔占所有孔的体积分数；式中，rP表示当前结冰温度为T时可形成冰的最小孔半径，又叫结冰临界孔半径，nm。式中，ΔSm表示每单位体积的冰在温度为273K时溶解为水的熵，ΔSm＝1.2MPa/K；Tm和T分别表示大块冰的结冰点和当前的温度，K。最小气泡间距Lmin可以由以上公式求得，即实施例1以下结合实施例进一步阐述本专利技术，但并不限制本专利技术的内容。大连湾跨海大桥所用混凝土为C50，水胶比0.35，引入气泡平均直径0.1mm，最低气温-18℃，冻融损伤的控制方法，包括以下步骤：通过控制气泡间距，使引入的气泡空间能够容纳所有被排出的液态水，并且在考虑液态水变为冰产生膨胀的情况下，仍然没有内部压力产生，即保证排出部分水结冰后冰的体积小于引入气泡的体积，Vexp＜Vvoid，此时气泡可完全消除由于水结冰所引起的压力，材料可经历无数次冻融循环。作为优选：引入气泡的体积其中，n—引入气泡的个数，R—引入气泡的平均半径。作为优选，当排出部分水结冰后冰的体积Vexo可按以下方法求得：冻结发生时，大量的水被排入壳内，壳层中液体的质量最初是式中φ0—水泥基材料的初始孔隙率，—273K时水的密度，Vs—半径为R的气泡周围厚度为L的壳体的体积，其中，L—壳体平均厚度，即气泡间距；当冰冻发生时，壳中液体质量为由此，排出水后水结冰的体积其中，—273K时冰的密度，SC—结冰孔的体积分数。作为优选，结冰孔的体积分数SC可按以下方法求得：SC＝1-SL＝1-S(rP)；式中，SL—本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水泥基材料冻融损伤的控制方法，其特征在于：通过控制气泡间距，使引入的气泡空间能够容纳所有被排出的液态水，保证排出部分水结冰后冰的体积V

【技术特征摘要】
1.一种水泥基材料冻融损伤的控制方法，其特征在于：通过控制气泡间距，使引入的气泡空间能够容纳所有被排出的液态水，保证排出部分水结冰后冰的体积Vexp小于引入气泡的体积Vvoid，即Vexp＜Vvoid。


2.根据权利要求1所述的水泥基材料冻融损伤的控制方法，其特征在于：所述的引入气泡的体积其中，n为引入气泡的个数，R为引入气泡的平均半径。


3.根据权利要求1所述的水泥基材料冻融损伤的控制方法，其特征在于，排出部分水结冰后冰的体积Vexp按以下方法求得：冻结发生时，大量的水被排入壳内，壳层中液体的质量最初是
式中φ0为水泥基材料的初始孔隙率，为273K时水的密度，Vs为半径为R的气泡周围厚度为L的壳体的体积；其中，L-壳体平均厚度，即气泡间距；
当冰冻发生时，壳中液体质量为
由此，排出水后水结冰的体积如下：



其中，为273K时冰的密度，SC为...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋金洋，张傲宁，刘志勇，王凤娟，王立国，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32