淺析混凝土凍融破壞及治理措施

摘要：本文分析了混凝土的凍融破壞及影響混凝土抗凍性能的因素，并介紹唐河灌區在實踐中處理混凝土的凍融破壞的方法。

關鍵詞：混凝土；凍融破壞；預防；修補；措施

一、引言

混凝土是當代最主要的土木工程材料之一。由于其良好的抗滲性、耐久性及原材料來源廣且生產工藝簡單、能耗低的特點被廣泛應用于渠道襯砌及渠系建筑物的改造中。

唐河灌區在續建配套與節水改造工程中就大量的使用了混凝土及鋼筋混凝土。起到了很好的防滲及抗沖效果，使全灌區渠道輪灌周期減少了5～7天。已實施的灌區節水工程襯砌段渠道水利用系數平均提高0.156，全灌區渠道水利用系數由0.42提高到0.443，減少了水量的損失。但是我們也應該看到由于混凝土結構的工作環境比較惡劣，必然受到水流、氣溫、風砂等的影響。當野外溫度較低時，混凝土會因為凍融循環而發生破壞，由此需要很大的代價來維修和重建，這已成為灌區反復投入大量的人力、物力而未能根本解決的問題之一，造成極大的浪費。

二、混凝土的凍融破壞

（一）凍融破壞的特征

表面剝落是混凝土發生凍融破壞的顯著特征，嚴重時可能露出石子。在混凝土受凍過程中，冰凍應力使混凝土產生裂紋。冰凍所產生的裂紋一般多而細小，因此，在單純凍融破壞的場合，一般不會看到較粗大的裂縫。但是，在凍融反復交替的情況下，這些細小的裂紋會不斷地擴展，相互貫通，使得表層的砂漿或凈漿脫落。凍融破壞不僅引起混凝土表面剝落，而且導致混凝土力學性能的顯著降低。大量試驗研究表明：隨著凍融次數的增加，混凝土的強度特性均呈下降趨勢 ，其中反映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。

（二）影響混凝土抗凍性的因素

混凝土的抗凍性是指混凝土在含水飽和狀態下能經受多次凍融循環而不破壞，同時強度不嚴重降低的性能而且其質量也不顯著減小的性質。影響混凝土抗凍性能的因素有以下幾個方面的：一是水泥的品種；二是骨料的性質；三是混凝土的密實度；四是混凝土的強度等級；五是混凝土的孔隙構造和數量以及孔隙的充水程度；六是混凝土的水灰比；七是混凝土結構的尺寸。在相同條件下， 混凝土構件的尺寸越小， 混凝土構件越容易發生凍融破壞。

三、改善混凝土抗凍性的方法

（一）保證混凝土的施工質量

這是提高混凝土抗凍性最直接、有效的辦法。對混凝土的施工質量，我們必須做到嚴要求高標準，做到攪拌透徹、澆筑均勻、振搗密實，絕不允許出現蜂窩、麻面以及完工后注意加強養護。

（二）努力減小水灰比，提高混凝土密實度

水灰比的大小是影響混凝土密實度的主要因素，提高混凝土的抗凍性，必須從降低水灰比入手。生產實踐證明摻入水泥重量的0.5%～1.5%時，可以減少用水15%～25%，使混凝土的抗凍性提高10%左右。

（三）摻用引氣劑和引氣型減水劑

引氣劑能改善混凝土坍落度、流動性和可塑性；提高混凝土的抗折強度，當含氣量為3%～5%時，抗折強度提高10%～20%；大大提高混凝土抗凍性、抗鹽漬性、抗滲性、耐硫酸鹽侵蝕及抗堿集料反應性能。摻入減水劑能顯著改善混凝土的孔隙結構，使混凝土的透水性降低40%～80%，從而可提高抗滲、抗凍、抗化學腐蝕及抗銹蝕等能力，改善混凝土的耐久性。常用的減水劑有木質素、糖蜜、MF復合劑、JG3等。

（四）使用聚合物浸漬混凝土

聚合物摻加量一般為水泥重量的 5～20%。使用的聚合物一般為合成橡膠乳液，如氯丁膠乳（CR）、丁苯膠乳（SBR）、丁腈膠乳（NBR）；或熱塑性樹脂乳液，如聚丙烯酸酯類乳液 （PAE）、聚乙酸乙烯乳液（PVAC）等由于聚合物的引入，聚合物水泥混凝土改進了普通混凝土的抗拉強度、耐磨、耐蝕、抗滲、抗沖擊等性能，并改善混凝土的和易性。

（五）摻入防凍劑或早強劑

防凍劑可以大幅度降低拌合水的冰點，防止在塑性狀態和早期混凝土內部水分結冰膨脹，凍傷混凝土且對混凝土強度性能沒有明顯危害。防凍劑常用于負溫條件下施工的混凝土。目前國產防凍劑品種適用于0～–15℃的氣溫，當在更低的氣溫下施工時，應增加其他混凝土冬期施工的措施，如蓄熱法、暖棚法以及原料預熱法。早強劑可促進水泥的水化和硬化進程，縮短混凝土的凝結時間，提高早期強度特別適用于冬期施工。目前廣泛使用的混凝土早強劑有三種，即氯化物（如CaCl2、NaCl等），硫酸鹽系（如Na2SO4、K2SO4等）和三乙醇胺系N（C2H4OH），但使用最多的是以它們為基材的復合早強劑。近幾年來工程中使用的無氯鹽早強減水劑和防凍劑，對鋼筋無銹蝕作用，在–10℃左右氣溫條件下使用，使混凝土具有較強的抗凍害能力，從而保證冬季施工。

（六）適量的摻入礦物摻合料

比如摻入硅粉、礦渣粉煤灰等。有研究表明：隨著礦渣摻量的增加，其混凝土的抗凍融性能愈差，但摻合比例合適時，抗凍性能與普通混凝土相比有較大改善；在相同含氣量的情況下，摻15%的硅粉混凝土比不摻硅粉的基準混凝土，氣孔結構有很大的改善。硅粉對抗凍耐久性有顯著的效果。

四、唐河灌區處理混凝土凍融破壞的一些做法

唐河灌區位于保定市西南，設計灌溉面積70萬畝，有效灌溉面積42.5萬畝，為國家大II型灌區。灌區內配套工程毀壞嚴重，建筑物老化失修，渠道滲漏嚴重，水量損失較大，我們從2005年起爭取到國家資金9130萬元，對唐河灌區進行了節水改造工程建設。灌區屬溫帶大陸性季風氣候，冬季溫度較低，極端最低溫度更是達到-20℃。因此灌區內渠道混凝土襯砌表面的凍融破壞現象較為突出。我們在實際工作中也極為重視，經過我們的反復研究、實踐，結合灌區正在進行節水改造工程建設實踐及國內外先進的混凝土表面加固技術，取得了以下幾點經驗。我們可以從以下兩個方面入手。

（一）在混凝土施工前采取相關措施預防凍害

一是在從混凝土的骨料選擇入手，通常骨料宜選擇不含有害雜質，且骨料中云母、硫化物、硫酸鹽、氯鹽等含量符合規范要求的II類（砂，粗骨料），二是應根據混凝土的適用范圍選擇合適的水泥，如有抗凍要求的混凝土應優先選擇硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、硅酸鹽大壩水泥并摻用引氣劑或塑化劑，以提高混凝土的抗凍性，三是嚴格控制混凝土的配合比，應根據工程需要和現場環境，參考有關資料并通過實驗確定相關參數。

（二）在凍害發生以后采取以下修補加固的措施

①水泥砂漿修補，適用于輕微的表層破壞，砂漿強度不得低于原混凝土強度，以相同為宜。②預縮砂漿修補，常用語修補處于高流速區的表層缺陷③鋼纖維噴射混凝土修補法，在具體操作時需要注意各原材料的投放順序，推薦采用以下順序：砂、石、鋼纖維、水泥、外加劑、水。在采用強制式攪拌機拌合時，要尤其注意加料時絕不能直接將鋼纖維加到膠凝材料中，否則會結團。④噴漿混凝土修補法，噴混凝土與普通混凝土相比，具有密實性好、強度高、快速、高效、不用模板以及把運輸、澆筑、振搗結合在一起的優點。⑤壓漿混凝土修補，壓漿混凝土與普通混凝土相比，具有收縮率小，拌合工作量小的優點，亦可用于水下加固。最后，在實際工作中具體選用哪種修補辦法還應根據實際情況確定，不能一概而論。

（三）唐河灌區處理凍融破壞的實例

在唐河灌區2008年度續建配套與節水改造工程中，根據《渠道防滲工程技術規范》（SL18-2004）結合實際地形特點，我們確定了總干四支渠的渠道襯砌形式——采用現澆混凝土襯砌。渠道防滲采用厚度為10cm，強度為C15，抗滲等級W6，抗凍F50混凝土襯砌，混凝土下為5cm厚的聚乙烯泡沫塑料板。襯砌混凝土順水流方向每隔4m設橫向伸縮縫1道，縱橫向伸縮縫寬度均為2cm，縫內填建筑油膏。施工中我們嚴格要求施工單位按合同要求施工，混凝土的原材料必須符合相關規范，混凝土必須振搗密實。由于是在冬季施工，雖然我們采取了一些冬期措施，可是因為施工時的溫度急劇下降加之不久后灌區進行了冬灌，使混凝土襯砌面長時間浸泡在水里。當來年春灌結束后，水位線以下的襯砌表面出現了裂縫以及表面脫落等現象，影響了渠道混凝土的使用壽命。因此，我們采取了水泥砂漿修補的方法，在實際工作中，我們又加入了一種水泥改性劑——丙乳，使之改良為丙乳砂漿。與普通砂漿相比，丙乳砂漿具有的極限拉伸率、抗拉強度均顯著提高，而其抗拉彈模降低，收縮小，與混凝土面、老砂漿及鋼板粘結強度高的優點，我們采用的丙乳砂漿配合比為：灰砂比1：1；灰乳比1：0.15，取得了良好的效果。

五、結語

誠然，混凝土凍融的問題比較復雜，而且受許多因素的影響，其檢測手段與預防對策還有待于進一步分析研究。這就要求我們對待混凝土凍融問題要更加謹慎，多做實驗，從實際出發，找準問題的關鍵才能更加有效的指導實踐。

參考文獻：

[1]張士萍，鄧敏，唐明述.混凝土凍融循環破壞研究進展[J].材料科學與工程學報，2008（06）.

[2]全國一級建造師執業資格考試用書編寫委員會.水利水電工程管理與實務[M].北京：中國建筑工業出版社，2011.

（作者單位：河北省保定市西大洋水庫管理處）