No campo da engenharia de construção, o concreto é um material de construção amplamente utilizado, e seu desempenho está diretamente relacionado à segurança e à durabilidade de toda a estrutura do edifício. No entanto, em regiões frias ou durante a construção no inverno, é comum ocorrerem danos por congelamento do concreto, o que causa muitos problemas na construção. Uma compreensão mais profunda das causas dos danos causados pelo congelamento do concreto e a implementação de medidas preventivas eficazes são fundamentais para garantir a qualidade dos projetos de construção.

Entendendo os perigos e o impacto dos danos causados pelo congelamento do concreto
Os danos causados pelo congelamento do concreto não são apenas um problema superficial. Ele pode ter um impacto profundo na estrutura interna e no desempenho do concreto. Em nível microscópico, os danos causados pelo gelo provocam alterações na estrutura dos poros do concreto. Os poros, que originalmente eram distribuídos de maneira uniforme, são destruídos, formando rachaduras e buracos irregulares. Essas alterações microscópicas afetam diretamente a resistência, a durabilidade e a impermeabilidade do concreto. Do ponto de vista macroscópico, os danos causados pelo congelamento do concreto podem causar deformações e rachaduras na estrutura do edifício e até mesmo levar a danos estruturais, colocando em risco o uso seguro do edifício e causando enormes perdas econômicas. Portanto, a pesquisa e a prevenção de danos por congelamento do concreto são de grande importância prática.

Análise das causas dos danos causados pelo congelamento do concreto


(1) A expansão da água ligada ao gelo
A água desempenha um papel vital, porém desafiador, no sistema de composição do concreto e é um dos principais fatores que causam danos ao concreto por congelamento. A água no concreto existe principalmente em duas formas: água livre e água adsorvida. A água livre é a água livre que existe nos poros do concreto. Ela tem grande mobilidade e possui apenas uma relação de preenchimento físico simples com as partículas de cimento circundantes, agregados, etc. A água adsorvida são as moléculas de água adsorvidas na superfície das partículas de cimento, que são limitadas por forças de superfície e têm mobilidade relativamente fraca.
Quando a temperatura ambiente cai abaixo do ponto de congelamento (0°C), a água livre no concreto passa por uma mudança de fase primeiro devido ao seu estado relativamente livre, transformando-se de líquido em gelo sólido. Quando a água congela, seu volume se expande em cerca de 9%. Essa mudança significativa de volume gerará uma enorme tensão de expansão no espaço estreito dos poros dentro do concreto. Do ponto de vista mecânico, o concreto é um material frágil com resistência à tração relativamente baixa. Quando essa tensão de expansão excede a resistência à tração do concreto, é como plantar uma “bomba-relógio” dentro do concreto, causando a formação de rachaduras dentro do concreto.
À medida que a temperatura ambiente continua a cair, a água adsorvida relativamente estável também tem dificuldade para suportar os efeitos das baixas temperaturas e começa a congelar gradualmente. O processo de formação de gelo na água adsorvida exacerba ainda mais a tensão de expansão no interior do concreto. Como a água adsorvida foi originalmente adsorvida firmemente na superfície das partículas de cimento, sua expansão de volume após o congelamento exerce um efeito de extrusão mais direto e intenso na estrutura de pedra de cimento circundante, fazendo com que as rachaduras existentes continuem a se expandir e se estender, e a largura e o comprimento das rachaduras aumentem gradualmente, prejudicando seriamente a integridade da estrutura interna do concreto.

(2) O efeito da reação de hidratação do cimento
A reação de hidratação do cimento é um processo fundamental no qual o concreto muda de uma pasta plástica para um sólido com certa resistência e estabilidade. Esse processo é essencialmente uma reação exotérmica. Em condições normais de temperatura ambiente, após as partículas de cimento entrarem em contato com a água, uma série de reações químicas complexas ocorrerá rapidamente, gerando vários produtos de hidratação, como hidróxido de cálcio e silicato de cálcio hidratado. Esses produtos de hidratação se entrelaçam e coalescem uns com os outros, formando gradualmente uma pedra de cimento com certa resistência e estrutura, de modo que o concreto endurece e ganha resistência gradualmente.
No entanto, quando a temperatura ambiente cai para uma temperatura baixa, especialmente abaixo de 0°C, a reação de hidratação do cimento é severamente inibida. Isso ocorre porque a reação de hidratação do cimento requer certas condições de temperatura para fornecer a energia necessária para a reação. As baixas temperaturas reduzem a atividade das partículas de cimento e retardam o movimento das moléculas de água, resultando em uma diminuição significativa na taxa de reações químicas entre o cimento e a água. Quando a temperatura cai abaixo de 0°C, a reação de hidratação do cimento quase para. Nesse ponto, muito pouco produto de hidratação é formado dentro do concreto, e o crescimento da resistência do concreto se torna extremamente lento, ou pode até mesmo parar completamente.
Nesse caso, a estrutura interna do concreto está longe de estar totalmente formada, sua microestrutura interna é relativamente frouxa, a porosidade é relativamente alta e ele não tem compactação e resistência suficientes para resistir aos efeitos da tensão de levantamento de gelo. Nesse momento, o concreto é como uma “muda” imatura, muito vulnerável a danos causados pelo gelo e mais facilmente danificada, desencadeando assim o fenômeno de danos causados pelo gelo no concreto.

(3) A proporção da mistura de concreto não é razoável
A proporção científica e razoável de mistura de concreto é como a planta de um edifício, determinando diretamente as várias propriedades do concreto, especialmente sua resistência ao gelo. Entre os muitos fatores que afetam a resistência do concreto ao congelamento, a proporção água-cimento é um indicador de controle fundamental. A relação água-cimento refere-se à relação entre a quantidade de água usada e a quantidade de cimento usada no concreto e afeta diretamente a quantidade de água livre no concreto.
Quando a relação água-cimento é muito alta, isso significa que muita água foi misturada ao concreto. Esse excesso de água livre tem maior probabilidade de atingir o ponto de congelamento e congelar em baixas temperaturas. A expansão do volume após o congelamento gerará maior tensão de gelo no interior do concreto, aumentando consideravelmente a possibilidade de danos ao concreto por gelo. Além disso, o excesso de água também fará com que o concreto produza poros maiores durante o processo de endurecimento, reduzindo a densidade do concreto e enfraquecendo ainda mais sua resistência ao congelamento.
Além da relação água-cimento, a qualidade e a classificação do agregado também têm um impacto significativo sobre a resistência ao congelamento do concreto. O agregado forma o esqueleto do concreto, e sua qualidade e classificação afetam diretamente a densidade e a resistência do concreto. Se o agregado contiver muita argila, as partículas de argila preencherão os espaços entre o agregado, não apenas reduzindo a ligação entre o agregado e a pasta de cimento, mas também aumentando a porosidade do concreto, proporcionando mais espaço para a água se acumular e congelar. Quando a distribuição do tamanho da partícula do agregado é ruim, o agregado não consegue formar uma estrutura de empilhamento compacta, o que leva a mais vazios dentro do concreto e torna o concreto mais vulnerável a danos causados pelo congelamento.

(4) Técnicas de construção inadequadas
Durante a construção do concreto, cada elo da operação é como um elo de uma corrente. A operação inadequada de qualquer elo pode se tornar um perigo oculto que provoca danos ao concreto por congelamento. As medidas de isolamento após o lançamento do concreto são uma etapa fundamental para garantir que o concreto endureça adequadamente em ambientes de baixa temperatura. Se o concreto não for coberto e isolado a tempo após o lançamento, ele trocará calor rapidamente com o ambiente externo frio, fazendo com que a temperatura da superfície do concreto caia drasticamente.
Antes de o concreto atingir certa resistência, sua estrutura interna ainda não está suficientemente estável. Se for exposta a um ambiente frio, a água no concreto congelará mais facilmente, causando a formação de gelo e provocando danos por congelamento. Além disso, o processo de vibração do concreto é fundamental para garantir a compactação do concreto. Se o concreto não for vibrado densamente, haverá mais vazios no interior do concreto. Esses vazios se tornarão locais onde a água se acumula em ambientes de baixa temperatura. Quando a água congela, a expansão do volume comprime a estrutura de concreto ao redor, causando danos por congelamento e reduzindo a qualidade geral e a resistência ao congelamento do concreto.

(5) A influência dos fatores ambientais
Os fatores ambientais são gatilhos externos para os danos causados pelo congelamento do concreto, entre os quais a amplitude e a duração das mudanças na temperatura ambiente têm o impacto mais direto e significativo sobre os danos causados pelo congelamento do concreto. Quando a temperatura ambiente cai repentinamente, a água dentro do concreto não consegue migrar para os arredores a tempo devido à condução de calor e ao gradiente de temperatura, congelando rapidamente no local. Esse processo de congelamento rápido gerará grandes tensões de expansão, pois a água muda de líquido para sólido em um curto período de tempo, e não há espaço e tempo suficientes para que a mudança drástica de volume libere a tensão, causando assim um grande impacto na estrutura interna do concreto.
Os ciclos repetidos de congelamento e descongelamento também são um fator importante para acelerar a deterioração do concreto. Durante cada ciclo de congelamento e descongelamento, a água no concreto passa por dois processos: congelamento e derretimento. A tensão causada pela expansão do volume durante o congelamento pode causar a formação de microfissuras no interior do concreto. Quando a água derrete, ela preenche essas fissuras e, quando congela novamente, as fissuras se expandem ainda mais. Após muitos ciclos de congelamento e descongelamento, essas microfissuras se conectarão gradualmente umas às outras para formar macrofissuras, o que reduzirá muito a resistência e a durabilidade do concreto.
Além disso, fatores ambientais, como a umidade do ar e a velocidade do vento, também afetam o grau de dano por congelamento do concreto. Quando o ar está úmido, o concreto absorve mais água do ambiente circundante, tornando o teor de umidade do concreto relativamente alto, o que aumenta a probabilidade de sofrer danos por congelamento em baixas temperaturas. Quando a velocidade do vento é alta, ela acelera a evaporação da água na superfície do concreto e a perda de calor, fazendo com que a temperatura da superfície do concreto diminua rapidamente, reduzindo a resistência ao congelamento da superfície do concreto e aumentando o risco de danos por congelamento na superfície do concreto.