引灤明渠混凝土板護坡凍融破壞機理及防治

齊德海 朱 雷

1 問題

混凝土板護坡因造價低,糙率小,施工工期短,板可在施工現場附近加工,施工方便,便于管理,適應性廣泛而得到推廣,引灤明渠護坡也已廣泛使用。2002年引灤爾王莊管理處下游明渠防洪閘至北京排污河倒虹吸進口段就是用混凝土板護坡。護坡板使用的混凝土砌塊規格為40 cm×40 cm×10 cm,混凝土抗壓強度為C20。從2002年護坡建成使用到現在,在明渠渠口冬季水位運行線處(黃海高程0.05 cm～0.25 cm)發生凍融破壞,砌塊表面混凝土出現脫落,麻面現象,露出內骨料。凍融破壞是我國北方地區水工混凝土建筑在運行過程中產生的主要病害,對于水閘、明渠混凝土砌塊護坡中小型水工混凝土建筑物,凍融破壞的地區范圍較為廣泛。水工建筑物多以混凝土結構組成,而這些混凝土結構多處在氣候惡劣的環境中,氣溫等影響因素頗多。混凝土的凍融破壞較為常見,致使許多水工建筑物的運行壽命大為縮短,造成極大浪費。

2 凍融破壞機理分析

2.1 普通混凝土凍融過程宏觀特性

混凝土的抗凍性是混凝土受到物理作用(干濕變化、溫度變化、凍融變化等)而產生的特性,是反映混凝土耐久性的重要指標之一。對混凝土的抗凍性不能單純理解為抵抗凍融的性質,對混凝土凍融破壞的機理,目前的認識尚不完全一致,按照公認程度較高的:

1)當混凝土中的毛細孔水在某負溫下發生物態變化,由水轉變成冰,體積膨脹9%,因受毛細孔壁約束形成膨脹壓力,從而在孔周圍的微觀結構中產生拉應力;

2)當毛細孔水結成冰時,由凝膠孔中過冷水在混凝土微觀結構中的遷移和重分布引起的滲管壓。由于表面張力的作用,混凝土毛細孔隙中水的冰點隨著孔徑的減小而降低。隨著凍融次數的增加,混凝土的強度特性均呈下降趨勢,其中反應最敏感的是抗拉強度和抗折強度,即隨著凍融次數的增加,混凝土的抗拉強度和抗折強度迅速下降,而抗壓強度下降趨勢較緩。

飽和面干吸水率是混凝土毛細孔隙率的一個間接指標,也是混凝土密實程度的一種標志,一般情況下,混凝土密實度越差,即孔隙率越大,則飽和面干吸水率越高;反之,密實度越高,孔隙率越小,其吸水率也就越低,混凝土的飽和面干吸水率的計算方法如下:將混凝土浸泡水到飽和(一般泡3 d～4 d達飽和,試件重量不再增加),擦去表面浮水至面干后稱重,再行烘干至恒重,飽和面干試件與干試件的重量差與干試件的重量比,即為混凝土試件的飽和面干吸水率。混凝土隨著凍融破壞的發生,普通混凝土,其吸水率呈逐步增加的趨勢。這從宏觀上說明,混凝土在凍融破壞過程中內部孔隙是逐步增加的,而密實度是逐步下降的,這與宏觀強度的下降是一致的。

2.2 高強混凝土凍融特性

1)高強混凝土具有很高的抗凍能力,經600次凍融循環后,其動彈模仍在90%以上,而且混凝土表面不產生脫皮剝落現象,失重率為負值。采用超低水灰比和高效減水劑而制作的高強混凝土(R＞80 MPa),同樣可以具備非常高的抗凍融能力,抗凍標號可達D600以上。

2)高強混凝土由于水灰比很小,因此混凝土的密實度很高,凍融前混凝土的飽和面干吸水率僅 0.79%,比普通混凝土(5.56%)和引氣混凝土(4.85%)要低 5倍～7倍,正由于高強混凝土具有超常的密實度,因此也就具備了超常的抗凍性。

2.3 凍結溫度和凍融速率對混凝土凍融破壞的影響

凍結溫度對混凝土的凍融破壞有明顯的影響。據有關資料介紹,當凍結溫度為-17℃時,普通混凝土只能承受7個凍融循環,當凍結溫度提高到-10℃時凍融循環增加到12個,而當凍結溫度提高到-5℃時,混凝土承受的凍融循環數將大幅度提高,即提高到了133次,由此可以看到凍結溫度由-5℃降低到-10℃時,混凝土的凍融破壞效果將出現一個突變,也即當混凝土中最低凍結溫度達-10℃時,凍融破壞的力量將明顯加大。因此對于混凝土凍結溫度有可能達到-10℃或更低溫度的建筑物,必須設計較高的抗凍標號。

引氣混凝土在凍融過程中,水化產物的結構狀態發生了明顯變化,即由凍融前的堆積狀密實體逐步變成疏松狀態,且水化產物結構中出現了微裂縫,這些微裂縫數量和寬度隨著凍融過程的增加而增多和加寬。凍結速率對混凝土的凍融破壞有一定的影響,凍結速率提高,凍融破壞力加大,混凝土容易破壞。

2.4 混凝土凍融破壞過程中水化產物成分的分析

1)混凝土在凍融破壞過程中,宏觀特性呈逐步下降的趨勢,主要反映在密實度的降低和強度的下降。其中抗拉強度和抗折強度反應最為敏感,當混凝土動彈模下降40%時,抗拉強度和抗折強度將下降50%～70%,這是一個值得重視的問題。

2)凍結溫度越低和凍結速率越快,混凝土的凍融破壞力越強,凍結溫度達-10℃時,是一個臨界值,達到或低于這一臨界值時要保證混凝土的抗凍耐久性,必須設計較高的抗凍標號。

3)高強混凝土具有非常高的密實性,其內部微孔含量很小,僅為普通混凝土的1/3左右,屬凝膠孔,因此高強混凝土具有超常的抗凍性。

4)混凝土凍融過程中水化產物結構形態和成分的微觀分析,混凝土的凍融破壞過程,實際上是水化產物結構由密實體到松散體的過程,而在這一發展過程中,又伴隨著微裂縫的出現和發展,而且微裂縫不僅存在于水化產物結構中,也會使混凝土中的氣泡壁產生開裂和破壞,這是導致混凝土凍融破壞的主要原因。另外凝膠不斷增大,形成更大膨脹壓力,當混凝土受凍時,這兩種壓力會損傷混凝土內部微觀結構,只有當經過反復多次的凍融循環以后,損傷逐步積累不斷擴大,發展成互相連通的裂縫,使混凝土的強度逐步降低,最后甚至完全喪失。由于混凝土在凍融破壞過程中,水化產物的成分基本保持不變,因此,混凝土的凍融破壞過程可以基本上認為是一個物理變化過程。

5)混凝土凍融破壞過程中微觀分析的結果與宏觀特性是互為印證的,由于混凝土微孔結構的增加以及微裂縫的增加和發展,從而導致了混凝土宏觀強度的下降和密實度的降低(吸水率增加)。

3 凍融破壞影響及防治

3.1 混凝土凍融破壞影響因素

混凝土凍融破壞的影響因素:

1)組成混凝土的主要材料性質的影響,如:水泥的品種、水泥中不同礦物成分對混凝土的耐久性影響較大,又如骨料的影響,除了骨料本身的質量對混凝土的抗凍性的影響以外,骨料的滲透性和吸濕性對混凝土的抗凍性也有決定性的作用,由于濕度和強度的變化,會產生含針狀物巖石體積的變化,這將會損壞已硬化的水泥砂漿和混凝土表面,同時骨料的化學性能對混凝土的耐久性也將產生一定的影響;

2)外加劑的影響,在混凝土施工過程中摻入引氣劑或減水劑對改善混凝土的內部結構,改善混凝土的內部孔隙結構可起到緩沖凍脹的作用,大大降低凍脹應力,提高混凝土的抗凍性;

3)施工工藝影響,配合比、混凝土的施工、硬化條件等都與混凝土的耐久性有密切的關系,同時混凝土中的單位用水量是影響混凝土抗凍性的一個重要因素。此外混凝土的表面、邊角和工作縫部位處于最不利的工作條件,所以混凝土表面加工情況以及工作縫的處理對混凝土的耐久性也有很大的影響;

4)受水位變化影響,寒冷季節水位變化會引起混凝土的嚴重凍融破壞需采取有力措施防止,因此冬季輸水明渠應保持一定水位,盡量不要變化;

5)嚴格控制施工質量,混凝土施工質量的好壞將影響它的抗凍性,因此必須把好質量關,不允許出現蜂窩、麻面,力求密實,表面光滑。

3.2 混凝土凍融破壞的防治

對于混凝土凍融破壞的防治,總結出了如下幾點:

預防措施:1)在混凝土施工中應根據不同情況選擇含有不同礦物成分和不同性能的水泥、骨料和外加劑,從材料方面確?；炷恋哪途眯?2)嚴格混凝土制作配合比,一定要根據結構類型和所處的環境條件,試驗確定關鍵參數,主要是降低混凝土的水灰比,水泥水化所需水分僅為其重量的25%左右,若水量增加,多余的水就游離析出,析出孔隙,飽和后易受凍脹破壞;另外摻入引氣型外加劑是提高混凝土抗凍性最有效的途徑之一;3)在水位線部位使用高強度混凝土板以提高混凝土砌塊的耐久性。

治理措施:1)水泥砂漿修補,適用于輕微的表層破壞;2)混凝土凍融破壞化較嚴重的部位,可采取拆舊補新方法,把舊板拆除重新換上新板;應當根據混凝土砌塊所處的環境、位置和凍融破壞的程度以及原混凝土構件制作的主要材料性能綜合選用不同的修補方法,才能獲得較好的效果。

4 結語

本文簡要概括了水工建筑物混凝土凍融破壞及其防治的主要措施,我們的原則應該是防重于治,首先應根據混凝土所處的環境,合理進行配合比設計(水泥品種的選擇、外加劑的選用等等);其次是嚴把施工質量關,加強工程運行中科學管理,對凍融破壞及時采取防范保護和修補措施,以達到或延長工程的使用壽命。

[1]黃國興,陳改新.水工混凝土建筑物修補技術及應用[M].北京:中國水利水電出版社,1998.

[2]中國建筑科學研究院,混凝土研究所.混凝土實用手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,1986.

[3]張承志.建筑混凝土[M].北京:化學工業出版社,2001.