水工混凝土抵御冻融破坏对策研究

□李 超

我国北方大部分地区每年约在11月进入冻结期，冻融作用可持续5个月左右。冻结层先形成于地表，逐渐由地表向深部发展，最大冻土层发育深度可达1.0～1.5m。各类工程建筑物因而遭受严重冻胀，其中水工建筑物的冻害最为普遍和严重，冻胀、融沉、滑坡等作用对涵、闸、渡槽、渠道、桥梁和挡土墙等中小型建筑物的破坏更为突出，冻害的表现形式颇多。许多水工建筑物往往在建成后第一年的冬季即出现冻胀上抬、裂缝和严重的变形。由于水工建筑物经常通水，这些冻害现象逐年加剧，有的3～5年即被完全破坏。有的工程虽未完全损毁，但因需年年维修而耗费大量资金和人力。

一、混凝土的冻融破坏机理

常温下的硬化混凝土是由未水化水泥、水泥水化产物、集料、水、空气共同组成的气-液-固三相平稳的体系。 对于含水混凝土在大气中遭受冻融破坏的机理，虽有许多学者进行了大量研究,提出了各种假说,但至今尚未达成共识。目前公认程度较高的是美国学者T.C.Powerse 提出的膨胀压力与渗透压力理论。该理论认为，造成混凝土冻融破坏的主要原因是在某一冻结温度下，结冰的水产生体积膨胀，过冷水迁移产生渗透压力，以及混凝土表面存在温度梯度等原因致使混凝土表面产生拉应力。当混凝土内部孔隙承受的这些力超过抗拉强度时,就在混凝土表面产生裂缝，内部孔隙及微裂缝逐渐增大、扩散、互相连通，当冻融循环达到一定次数后,就会使混凝土发生从出现微观裂纹(缝宽小于0.02mm)到宏观裂缝(缝宽大于0.02mm)的变化,致使表面剥落直到内部遭到破坏。

二、造成混凝土冻融破坏的因素

(一)内部因素

在混凝土浇筑凝固过程中，由于混凝土中部分水分的析出，使内部形成了大量细小并相互连通的孔隙。当这些孔隙充水饱和后，在0℃时开始结冰，封堵了混凝土孔隙与外界相通的孔口。水结成冰使体积膨胀，与此相当的水量被挤到混凝土的孔隙中，使孔隙受到压力。这种压力使混凝土膨胀开裂，融化后混凝土又不能恢复原状，多次循环后混凝土就失去了承载能力。

(二)外部因素

1.冻融循环次数。冻融循环次数的多少是冻融破坏的主要因素，混凝土的抗冻性能、抗冻标号就是按冻融次数来确定的，冻融循环次数越多，破坏就越严重。

2.外部水补给。有补给水来源的水平施工缝易出现裂缝。混凝土坝的水平施工缝易因内外温差而开裂，缝面中的水结冰时，体积增大9%，使裂缝微微张开向内部延伸。裂缝张开后，未冻结部分的缝隙产生吸力，将混凝土深处的水分吸到这些缝隙中，产生第二次冻结，进而形成第二次张开，致使缝宽和缝深增大。

3.施工质量的影响。施工质量的优劣一般表现为水平施工缝是否进行严格处理；混凝土是否存在蜂窝，因为蜂窝含水量多，受冻胀一次就可能使混凝土变成一堆骨料；水灰比控制得是否严格，因为水灰比增大0.1时,抗冻标号降低50#。

可见，混凝土产生冻融破坏必须同时具备两个条件：一是混凝土必须接触水或混凝土中含有一定的水；二是混凝土所处自然环境必须存在反复交替的正负温度，而且负温可降低到一定程度。

三、混凝土冻融破坏的防治

(一)正确选择混凝土的抗冻等级

应根据混凝土工程所在地区的气温情况，每年冻融循环次数、混凝土的种类及使用部位、水介质、混凝土构件的重要性等条件，按照SL211-98《水工建筑物抗冰设计规范》规定的指标，合理确定抗冻等级。对重要或不利因素较多的混凝土建筑物,可将混凝土抗冻等级提高一级。

(二)使用质量优良的原材料

选用质量优良的原材料是防止混凝土冻融破坏的重要措施。应选用抗冻融破坏能力高的水泥,如硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，强度等级不宜低于42.5Mpa。选用质地坚实、吸水率低、软弱颗粒含量少、含泥量低、粒径适当且片状颗粒含量少的骨料，适量掺入硅粉、优质粉煤灰等减水剂和掺和料。

(三)合理添加外加剂

掺用引气剂是提高混凝土抗冻性的主要措施。 引气剂使水泥结石中形成众多的互不连通的微细气泡，其大小和水泥颗粒相近。这些气泡阻止混凝土吸收水分，可防止冻结时的膨胀变形，从而提高混凝土的抗冻性。实践证明, 掺有引气剂的混凝土比不掺引气剂的混凝土迟10～15年出现表面剥落等冻害现象。

密实度是混凝土强度的主要指标, 水灰比是影响密实度的主要因素。 提高混凝土的抗冻性, 必须从降低水灰比入手。当前较有效的方法是掺减水剂特别是高效减水剂。减水剂可增大水泥浆的流动性，从而减少混凝土的拌和用水,减少水灰比，同时也具有一定的加气性能。实践证明，水泥中掺入0.5～1.5%的减水剂,可以减少用水15～25%, 提高强度20～30%, 提高抗冻性10%左右。

(四)新材料的应用

上世纪80年代以来，美国生产了一种纤维丝(称FIBERMESH)，并将其用于混凝土建筑物中。通过大量的材料性能和工程结构试验后，现已被广泛应用。合成纤维混凝土是在混凝土中加入由聚丙烯制成的合成材料纤维丝而成，能增强混凝土的韧性和早期抗拉强度，减少表面裂纹和开裂宽度，极大地提高混凝土的抗冻害能力。河北石津灌区的室内试验表明，在每立方米混凝土中掺入0.9kg的聚丙烯纤维，其抗裂能力提高100～150%，抗渗能力提高70%，抗冲刷能力提高50～100%，3～28d龄期抗压强度提高15～30%。黑龙江省香磨山灌区在支渠和斗渠上采用纤维混凝土衬砌与接缝，既减小了衬砌厚度，又防止了冻害。可见纤维丝是北方灌区较理想的防渗防冻胀材料。

(五)严格控制混凝土施工质量

只有加强施工管理,严格控制施工质量,才能确保混凝土均匀密实。对引气混凝土,应采用机械搅拌方式,搅拌时间为2～3 min。对于非引气混凝土,应采用真空模板,待混凝土发生泌水后，将其表面及附近水分抽吸排出，使混凝土表层形成一定厚度的、致密的保护层。冬季施工可以采用加热水拌和方法提高混凝土拌和物的入模温度，但水温不宜高于60～80℃，且应预防混凝土在运输过程中产生冻结现象，不能把混凝土浇筑在结冰的基面上。

(六)及时做好混凝土“三护”工作

在高温季节,混凝土浇筑完毕后需遮盖表面，及时洒水养护。养护时段一般为14～28d，以保证混凝土强度正常增长。在低温季节，浇筑完毕的外露混凝土表面应及时保温，以防新浇筑混凝土受冻破坏。要保证混凝土建筑物排水设施畅通，冬季时，对于可以不积水的混凝土建筑物，在冰冻期到来之前应排空积水。对于有抗渗要求的水工混凝土来说，若裂缝宽度大于0.05mm必然渗水，应及时修补。大多数水工混凝土冻融破坏的建筑物，可采用凿旧补新的方法进行修补加固处理。为确保新老混凝土结合良好，在清除已破坏的混凝土之后，需在坚固的老混凝土表面钻孔并埋设锚筋。当锚筋与老混凝土之间产生一定强度后，先清洗混凝土表面，保持表面湿润不积水，再涂刷一定厚度的无机凝胶，然后浇筑新混凝土。