水工混凝土抵御凍融破壞對策研究

□李 超

我國北方大部分地區每年約在11月進入凍結期，凍融作用可持續5個月左右。凍結層先形成于地表，逐漸由地表向深部發展，最大凍土層發育深度可達1.0～1.5m。各類工程建筑物因而遭受嚴重凍脹，其中水工建筑物的凍害最為普遍和嚴重，凍脹、融沉、滑坡等作用對涵、閘、渡槽、渠道、橋梁和擋土墻等中小型建筑物的破壞更為突出，凍害的表現形式頗多。許多水工建筑物往往在建成后第一年的冬季即出現凍脹上抬、裂縫和嚴重的變形。由于水工建筑物經常通水，這些凍害現象逐年加劇，有的3～5年即被完全破壞。有的工程雖未完全損毀，但因需年年維修而耗費大量資金和人力。

一、混凝土的凍融破壞機理

常溫下的硬化混凝土是由未水化水泥、水泥水化產物、集料、水、空氣共同組成的氣-液-固三相平穩的體系。 對于含水混凝土在大氣中遭受凍融破壞的機理，雖有許多學者進行了大量研究,提出了各種假說,但至今尚未達成共識。目前公認程度較高的是美國學者T.C.Powerse 提出的膨脹壓力與滲透壓力理論。該理論認為，造成混凝土凍融破壞的主要原因是在某一凍結溫度下，結冰的水產生體積膨脹，過冷水遷移產生滲透壓力，以及混凝土表面存在溫度梯度等原因致使混凝土表面產生拉應力。當混凝土內部孔隙承受的這些力超過抗拉強度時,就在混凝土表面產生裂縫，內部孔隙及微裂縫逐漸增大、擴散、互相連通，當凍融循環達到一定次數后,就會使混凝土發生從出現微觀裂紋(縫寬小于0.02mm)到宏觀裂縫(縫寬大于0.02mm)的變化,致使表面剝落直到內部遭到破壞。

二、造成混凝土凍融破壞的因素

(一)內部因素

在混凝土澆筑凝固過程中，由于混凝土中部分水分的析出，使內部形成了大量細小并相互連通的孔隙。當這些孔隙充水飽和后，在0℃時開始結冰，封堵了混凝土孔隙與外界相通的孔口。水結成冰使體積膨脹，與此相當的水量被擠到混凝土的孔隙中，使孔隙受到壓力。這種壓力使混凝土膨脹開裂，融化后混凝土又不能恢復原狀，多次循環后混凝土就失去了承載能力。

(二)外部因素

1.凍融循環次數。凍融循環次數的多少是凍融破壞的主要因素，混凝土的抗凍性能、抗凍標號就是按凍融次數來確定的，凍融循環次數越多，破壞就越嚴重。

2.外部水補給。有補給水來源的水平施工縫易出現裂縫。混凝土壩的水平施工縫易因內外溫差而開裂，縫面中的水結冰時，體積增大9%，使裂縫微微張開向內部延伸。裂縫張開后，未凍結部分的縫隙產生吸力，將混凝土深處的水分吸到這些縫隙中，產生第二次凍結，進而形成第二次張開，致使縫寬和縫深增大。

3.施工質量的影響。施工質量的優劣一般表現為水平施工縫是否進行嚴格處理；混凝土是否存在蜂窩，因為蜂窩含水量多，受凍脹一次就可能使混凝土變成一堆骨料；水灰比控制得是否嚴格，因為水灰比增大0.1時,抗凍標號降低50#。

可見，混凝土產生凍融破壞必須同時具備兩個條件：一是混凝土必須接觸水或混凝土中含有一定的水；二是混凝土所處自然環境必須存在反復交替的正負溫度，而且負溫可降低到一定程度。

三、混凝土凍融破壞的防治

(一)正確選擇混凝土的抗凍等級

應根據混凝土工程所在地區的氣溫情況，每年凍融循環次數、混凝土的種類及使用部位、水介質、混凝土構件的重要性等條件，按照SL211-98《水工建筑物抗冰設計規范》規定的指標，合理確定抗凍等級。對重要或不利因素較多的混凝土建筑物,可將混凝土抗凍等級提高一級。

(二)使用質量優良的原材料

選用質量優良的原材料是防止混凝土凍融破壞的重要措施。應選用抗凍融破壞能力高的水泥,如硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，強度等級不宜低于42.5Mpa。選用質地堅實、吸水率低、軟弱顆粒含量少、含泥量低、粒徑適當且片狀顆粒含量少的骨料，適量摻入硅粉、優質粉煤灰等減水劑和摻和料。

(三)合理添加外加劑

摻用引氣劑是提高混凝土抗凍性的主要措施。 引氣劑使水泥結石中形成眾多的互不連通的微細氣泡，其大小和水泥顆粒相近。這些氣泡阻止混凝土吸收水分，可防止凍結時的膨脹變形，從而提高混凝土的抗凍性。實踐證明, 摻有引氣劑的混凝土比不摻引氣劑的混凝土遲10～15年出現表面剝落等凍害現象。

密實度是混凝土強度的主要指標, 水灰比是影響密實度的主要因素。 提高混凝土的抗凍性, 必須從降低水灰比入手。當前較有效的方法是摻減水劑特別是高效減水劑。減水劑可增大水泥漿的流動性，從而減少混凝土的拌和用水,減少水灰比，同時也具有一定的加氣性能。實踐證明，水泥中摻入0.5～1.5%的減水劑,可以減少用水15～25%, 提高強度20～30%, 提高抗凍性10%左右。

(四)新材料的應用

上世紀80年代以來，美國生產了一種纖維絲(稱FIBERMESH)，并將其用于混凝土建筑物中。通過大量的材料性能和工程結構試驗后，現已被廣泛應用。合成纖維混凝土是在混凝土中加入由聚丙烯制成的合成材料纖維絲而成，能增強混凝土的韌性和早期抗拉強度，減少表面裂紋和開裂寬度，極大地提高混凝土的抗凍害能力。河北石津灌區的室內試驗表明，在每立方米混凝土中摻入0.9kg的聚丙烯纖維，其抗裂能力提高100～150%，抗滲能力提高70%，抗沖刷能力提高50～100%，3～28d齡期抗壓強度提高15～30%。黑龍江省香磨山灌區在支渠和斗渠上采用纖維混凝土襯砌與接縫，既減小了襯砌厚度，又防止了凍害。可見纖維絲是北方灌區較理想的防滲防凍脹材料。

(五)嚴格控制混凝土施工質量

只有加強施工管理,嚴格控制施工質量,才能確保混凝土均勻密實。對引氣混凝土,應采用機械攪拌方式,攪拌時間為2～3 min。對于非引氣混凝土,應采用真空模板,待混凝土發生泌水后，將其表面及附近水分抽吸排出，使混凝土表層形成一定厚度的、致密的保護層。冬季施工可以采用加熱水拌和方法提高混凝土拌和物的入模溫度，但水溫不宜高于60～80℃，且應預防混凝土在運輸過程中產生凍結現象，不能把混凝土澆筑在結冰的基面上。

(六)及時做好混凝土“三護”工作

在高溫季節,混凝土澆筑完畢后需遮蓋表面，及時灑水養護。養護時段一般為14～28d，以保證混凝土強度正常增長。在低溫季節，澆筑完畢的外露混凝土表面應及時保溫，以防新澆筑混凝土受凍破壞。要保證混凝土建筑物排水設施暢通，冬季時，對于可以不積水的混凝土建筑物，在冰凍期到來之前應排空積水。對于有抗滲要求的水工混凝土來說，若裂縫寬度大于0.05mm必然滲水，應及時修補。大多數水工混凝土凍融破壞的建筑物，可采用鑿舊補新的方法進行修補加固處理。為確保新老混凝土結合良好，在清除已破壞的混凝土之后，需在堅固的老混凝土表面鉆孔并埋設錨筋。當錨筋與老混凝土之間產生一定強度后，先清洗混凝土表面，保持表面濕潤不積水，再涂刷一定厚度的無機凝膠，然后澆筑新混凝土。