引灤明渠混凝土板護(hù)坡凍融破壞機(jī)理及防治

齊德海 朱 雷

1 問題

混凝土板護(hù)坡因造價(jià)低,糙率小,施工工期短,板可在施工現(xiàn)場(chǎng)附近加工,施工方便,便于管理,適應(yīng)性廣泛而得到推廣,引灤明渠護(hù)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(jìn)口段就是用混凝土板護(hù)坡。護(hù)坡板使用的混凝土砌塊規(guī)格為40 cm×40 cm×10 cm,混凝土抗壓強(qiáng)度為C20。從2002年護(hù)坡建成使用到現(xiàn)在,在明渠渠口冬季水位運(yùn)行線處(黃海高程0.05 cm～0.25 cm)發(fā)生凍融破壞,砌塊表面混凝土出現(xiàn)脫落,麻面現(xiàn)象,露出內(nèi)骨料。凍融破壞是我國北方地區(qū)水工混凝土建筑在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的主要病害,對(duì)于水閘、明渠混凝土砌塊護(hù)坡中小型水工混凝土建筑物,凍融破壞的地區(qū)范圍較為廣泛。水工建筑物多以混凝土結(jié)構(gòu)組成,而這些混凝土結(jié)構(gòu)多處在氣候惡劣的環(huán)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(yùn)行壽命大為縮短,造成極大浪費(fèi)。

2 凍融破壞機(jī)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(chǎn)生的特性,是反映混凝土耐久性的重要指標(biāo)之一。對(duì)混凝土的抗凍性不能單純理解為抵抗凍融的性質(zhì),對(duì)混凝土凍融破壞的機(jī)理,目前的認(rèn)識(shí)尚不完全一致,按照公認(rèn)程度較高的:

1)當(dāng)混凝土中的毛細(xì)孔水在某負(fù)溫下發(fā)生物態(tài)變化,由水轉(zhuǎn)變成冰,體積膨脹9%,因受毛細(xì)孔壁約束形成膨脹壓力,從而在孔周圍的微觀結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生拉應(yīng)力;

2)當(dāng)毛細(xì)孔水結(jié)成冰時(shí),由凝膠孔中過冷水在混凝土微觀結(jié)構(gòu)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(xì)孔隙中水的冰點(diǎn)隨著孔徑的減小而降低。隨著凍融次數(shù)的增加,混凝土的強(qiáng)度特性均呈下降趨勢(shì),其中反應(yīng)最敏感的是抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度,即隨著凍融次數(shù)的增加,混凝土的抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度迅速下降,而抗壓強(qiáng)度下降趨勢(shì)較緩。

飽和面干吸水率是混凝土毛細(xì)孔隙率的一個(gè)間接指標(biāo),也是混凝土密實(shí)程度的一種標(biāo)志,一般情況下,混凝土密實(shí)度越差,即孔隙率越大,則飽和面干吸水率越高;反之,密實(shí)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(jì)算方法如下:將混凝土浸泡水到飽和(一般泡3 d～4 d達(dá)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?；炷岭S著凍融破壞的發(fā)生,普通混凝土,其吸水率呈逐步增加的趨勢(shì)。這從宏觀上說明,混凝土在凍融破壞過程中內(nèi)部孔隙是逐步增加的,而密實(shí)度是逐步下降的,這與宏觀強(qiáng)度的下降是一致的。

2.2 高強(qiáng)混凝土凍融特性

1)高強(qiáng)混凝土具有很高的抗凍能力,經(jīng)600次凍融循環(huán)后,其動(dòng)彈模仍在90%以上,而且混凝土表面不產(chǎn)生脫皮剝落現(xiàn)象,失重率為負(fù)值。采用超低水灰比和高效減水劑而制作的高強(qiáng)混凝土(R＞80 MPa),同樣可以具備非常高的抗凍融能力,抗凍標(biāo)號(hào)可達(dá)D600以上。

2)高強(qiáng)混凝土由于水灰比很小,因此混凝土的密實(shí)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(qiáng)混凝土具有超常的密實(shí)度,因此也就具備了超常的抗凍性。

2.3 凍結(jié)溫度和凍融速率對(duì)混凝土凍融破壞的影響

凍結(jié)溫度對(duì)混凝土的凍融破壞有明顯的影響。據(jù)有關(guān)資料介紹,當(dāng)凍結(jié)溫度為-17℃時(shí),普通混凝土只能承受7個(gè)凍融循環(huán),當(dāng)凍結(jié)溫度提高到-10℃時(shí)凍融循環(huán)增加到12個(gè),而當(dāng)凍結(jié)溫度提高到-5℃時(shí),混凝土承受的凍融循環(huán)數(shù)將大幅度提高,即提高到了133次,由此可以看到凍結(jié)溫度由-5℃降低到-10℃時(shí),混凝土的凍融破壞效果將出現(xiàn)一個(gè)突變,也即當(dāng)混凝土中最低凍結(jié)溫度達(dá)-10℃時(shí),凍融破壞的力量將明顯加大。因此對(duì)于混凝土凍結(jié)溫度有可能達(dá)到-10℃或更低溫度的建筑物,必須設(shè)計(jì)較高的抗凍標(biāo)號(hào)。

引氣混凝土在凍融過程中,水化產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)狀態(tài)發(fā)生了明顯變化,即由凍融前的堆積狀密實(shí)體逐步變成疏松狀態(tài),且水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了微裂縫,這些微裂縫數(shù)量和寬度隨著凍融過程的增加而增多和加寬。凍結(jié)速率對(duì)混凝土的凍融破壞有一定的影響,凍結(jié)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(chǎn)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(shì),主要反映在密實(shí)度的降低和強(qiáng)度的下降。其中抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度反應(yīng)最為敏感,當(dāng)混凝土動(dòng)彈模下降40%時(shí),抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度將下降50%～70%,這是一個(gè)值得重視的問題。

2)凍結(jié)溫度越低和凍結(jié)速率越快,混凝土的凍融破壞力越強(qiáng),凍結(jié)溫度達(dá)-10℃時(shí),是一個(gè)臨界值,達(dá)到或低于這一臨界值時(shí)要保證混凝土的抗凍耐久性,必須設(shè)計(jì)較高的抗凍標(biāo)號(hào)。

3)高強(qiáng)混凝土具有非常高的密實(shí)性,其內(nèi)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(qiáng)混凝土具有超常的抗凍性。

4)混凝土凍融過程中水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)形態(tài)和成分的微觀分析,混凝土的凍融破壞過程,實(shí)際上是水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)由密實(shí)體到松散體的過程,而在這一發(fā)展過程中,又伴隨著微裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展,而且微裂縫不僅存在于水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)中,也會(huì)使混凝土中的氣泡壁產(chǎn)生開裂和破壞,這是導(dǎo)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(dāng)混凝土受凍時(shí),這兩種壓力會(huì)損傷混凝土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu),只有當(dāng)經(jīng)過反復(fù)多次的凍融循環(huán)以后,損傷逐步積累不斷擴(kuò)大,發(fā)展成互相連通的裂縫,使混凝土的強(qiáng)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(chǎn)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(rèn)為是一個(gè)物理變化過程。

5)混凝土凍融破壞過程中微觀分析的結(jié)果與宏觀特性是互為印證的,由于混凝土微孔結(jié)構(gòu)的增加以及微裂縫的增加和發(fā)展,從而導(dǎo)致了混凝土宏觀強(qiáng)度的下降和密實(shí)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(zhì)的影響,如:水泥的品種、水泥中不同礦物成分對(duì)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(zhì)量對(duì)混凝土的抗凍性的影響以外,骨料的滲透性和吸濕性對(duì)混凝土的抗凍性也有決定性的作用,由于濕度和強(qiáng)度的變化,會(huì)產(chǎn)生含針狀物巖石體積的變化,這將會(huì)損壞已硬化的水泥砂漿和混凝土表面,同時(shí)骨料的化學(xué)性能對(duì)混凝土的耐久性也將產(chǎn)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(duì)改善混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu),改善混凝土的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)可起到緩沖凍脹的作用,大大降低凍脹應(yīng)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(guān)系,同時(shí)混凝土中的單位用水量是影響混凝土抗凍性的一個(gè)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(duì)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(jié)水位變化會(huì)引起混凝土的嚴(yán)重凍融破壞需采取有力措施防止,因此冬季輸水明渠應(yīng)保持一定水位,盡量不要變化;

5)嚴(yán)格控制施工質(zhì)量,混凝土施工質(zhì)量的好壞將影響它的抗凍性,因此必須把好質(zhì)量關(guān),不允許出現(xiàn)蜂窩、麻面,力求密實(shí),表面光滑。

3.2 混凝土凍融破壞的防治

對(duì)于混凝土凍融破壞的防治,總結(jié)出了如下幾點(diǎn):

預(yù)防措施:1)在混凝土施工中應(yīng)根據(jù)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,從材料方面確保混凝土的耐久性;2)嚴(yán)格混凝土制作配合比,一定要根據(jù)結(jié)構(gòu)類型和所處的環(huán)境條件,試驗(yàn)確定關(guān)鍵參數(shù),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(qiáng)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(bǔ),適用于輕微的表層破壞;2)混凝土凍融破壞化較嚴(yán)重的部位,可采取拆舊補(bǔ)新方法,把舊板拆除重新?lián)Q上新板;應(yīng)當(dāng)根據(jù)混凝土砌塊所處的環(huán)境、位置和凍融破壞的程度以及原混凝土構(gòu)件制作的主要材料性能綜合選用不同的修補(bǔ)方法,才能獲得較好的效果。

4 結(jié)語

本文簡(jiǎn)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(yīng)該是防重于治,首先應(yīng)根據(jù)混凝土所處的環(huán)境,合理進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)(水泥品種的選擇、外加劑的選用等等);其次是嚴(yán)把施工質(zhì)量關(guān),加強(qiáng)工程運(yùn)行中科學(xué)管理,對(duì)凍融破壞及時(shí)采取防范保護(hù)和修補(bǔ)措施,以達(dá)到或延長(zhǎng)工程的使用壽命。

[1]黃國興,陳改新.水工混凝土建筑物修補(bǔ)技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:中國水利水電出版社,1998.

[2]中國建筑科學(xué)研究院,混凝土研究所.混凝土實(shí)用手冊(cè)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1986.

[3]張承志.建筑混凝土[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2001.