遼寧中小型水工建筑物水位變化區(qū)的凍害分析及防治措施

那 利，李 遠

（1.遼寧省水利水電科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110003；2.遼寧江海水利工程公司，遼寧 沈陽 110003）

遼寧位于我國東北部，屬于寒冷地區(qū)。遼寧地區(qū)一年中有4～6個月處于0℃以下，而且這期間一天之內(nèi)經(jīng)常出現(xiàn)正負溫度交替變化；這一現(xiàn)象使得水工建筑物產(chǎn)生不同部位、不同形式和不同程度的破壞，特別是中小型水工建筑物的涵、閘、渡槽、橋梁、渠首和渠道等部位的破壞更為突出。

1 凍害現(xiàn)狀及特征

由于水工建筑物的混凝土一般處于水環(huán)境或潮濕環(huán)境中，在長期的凍融循環(huán)、靜冰壓力和動冰壓力的反復(fù)作用下，會引起混凝土各種不同的破壞特征；如混凝土表面剝蝕、疏松、脫落、鋼筋網(wǎng)外露銹蝕、裂縫、斷裂等，這些都會導(dǎo)致混凝土的抗壓強度、抗?jié)B性、抗碳化和抗冰凍等耐久性能的降低。

2 凍害分析

2.1 原材料因素

1）水泥。水泥早期強度高水化熱較高、堿含量偏大、C3A偏高、細度較細、摻用助磨劑等，這些使早期混凝土內(nèi)部易出現(xiàn)微裂紋從而為混凝土的破壞提供前期條件。在水工建筑物中不同的建筑物和不同的使用部位，水泥要求各不相同，如果水泥品種選擇不當也可能為混凝土破壞提供條件。如在水位變化區(qū)外部或受水流沖刷的部位，選用礦渣硅酸鹽水泥就不利于提高混凝土的抗凍性。混凝土中水泥用量過大也可能使混凝土出現(xiàn)早期微裂縫，對混凝土的凍融破壞造成潛在的危害。

2）骨料。如果有抗凍要求的混凝土中使用了含泥量大于3%的天然砂，會使混凝土的抗凍性降低，從而降低混凝土的凍融循環(huán)次數(shù)；粗骨料中含有泥也同樣存在相同的危害。在粗骨料使用中選擇了不連續(xù)的級配，這就需要提高砂的用量來填充粗骨料的空隙，隨著砂用量的增加，單位用水量也要適當?shù)奶岣邅磉_到相同的工作度，使得混凝土本身的收縮和含水率提高，從而大大增加了混凝土破壞的幾率。

3）摻和料。以粉煤灰為例，應(yīng)用中選擇了高鈣灰，其中過多的游離氧化鈣會造成混凝土安定性不良從而引起混凝土膨脹開裂，使得混凝土在凍融循環(huán)中破壞更加嚴重。

4）外加劑。外加劑中影響混凝土抗凍性的主要外加劑類型為引氣型外加劑、防凍型外加劑、防水型外加劑等。如摻入少量引氣減水劑，混凝土含氣量偏小，使得混凝土抗凍性不能達到設(shè)計指標；若摻入的引氣減水劑的量過大，在降低混凝土強度的同時，也同樣會降低混凝土的抗凍性，從而影響混凝土的耐久性。水利工程在寒冷地區(qū)冬季施工時，必須摻加防凍型外加劑。

2.2 混凝土配合比因素

水灰比偏大、單位用水量偏多、砂率偏大、含氣量偏小、石子級配不合理、坍落度偏大等都對混凝土的抗凍性都會產(chǎn)生不良的影響。

2.3 環(huán)境因素

水工混凝土一般處于自然界外部環(huán)境，其中包括：水環(huán)境或潮濕條件，海水沖刷與侵蝕條件，冬季有冰面凍脹和融冰的撞擊條件，尤其在遼寧地區(qū)冬季溫度變化比較頻繁，使得混凝土受凍融次數(shù)較多，這些條件都影響著混凝土的抗凍性。

2.4 施工和養(yǎng)護條件因素

混凝土在施工和養(yǎng)護階段都混凝土的抗凍性有著較大影響。在施工現(xiàn)場砂的含泥量偏大、配合比控制不嚴、單位用水量控制不當、人工攪拌不均、振搗不密實、不注重混凝土的養(yǎng)護等，特別是在冬季施工時混凝土中不摻加防凍型外加劑或現(xiàn)場的防凍措施不良，都會降低混凝土抗凍性。

2.5 設(shè)計構(gòu)造因素

設(shè)計中結(jié)構(gòu)排水措施不順暢、抗凍設(shè)計標號偏低等，都影響混凝土的抗凍性。

3 防治措施

3.1 原材料控制措施

1）水泥。根據(jù)工程不同的使用部位和工程環(huán)境條件選擇合適水泥，選用的水泥強度等級應(yīng)與混凝土的設(shè)計等級相適應(yīng)。經(jīng)常處于水流沖刷部位、水位變化區(qū)部位、溢流面及有抗凍要求的混凝土，宜選用中熱硅酸鹽水泥或硅酸鹽水泥，也可選擇使用普通硅酸鹽水泥，同時優(yōu)先選用強度等級較高的水泥；在冬季施工時，宜優(yōu)先選用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥。

2）骨料。應(yīng)優(yōu)選潔凈、級配良好的中砂和級配良好、孔隙率較小的粗骨料，同時水工混凝土應(yīng)采用非堿活性的骨料。此外，有抗凍要求的混凝土還應(yīng)嚴格控制骨料的含泥量和堅固性。

3）摻和料。在水工混凝土中摻入摻和料，具有改善混凝土性能，提高混凝土質(zhì)量，減小混凝土水化熱，抑制堿骨料反應(yīng)，節(jié)約水泥用量，降低成本等作用。以粉煤灰為例，優(yōu)質(zhì)粉煤灰可以降低水泥的水化熱，并且水化放熱峰值也相應(yīng)的有所降低，水化放熱的時間也得到相應(yīng)的推遲，其在水工大體積混凝土中應(yīng)用最為明顯。

4）外加劑。外加劑的選擇應(yīng)根據(jù)混凝土性能要求、施工需要，結(jié)合工程原材料的實際情況進行適應(yīng)性試驗，然后根據(jù)試驗確定外加劑的種類和摻量。例如，有抗凍要求的混凝土必須摻加引氣型外加劑，能提高混凝土的和易性和抗凍性，并嚴格控制了混凝土的含氣量；冬季施工時必須摻加防凍型外加劑，能提高混凝土早期強度，從而減少混凝土的早期凍害；有防水要求的混凝土必須摻加防水型外加劑；大體積混凝土應(yīng)摻加緩凝型外加劑等等。

3.2 混凝土配合比控制措施

1）水灰比。依據(jù)設(shè)計的強度等級和耐久性，通過試驗選擇合適的水灰比。DL/T5082-1998《水工建筑物抗凍設(shè)計規(guī)范》中提出了小型工程抗凍混凝土的水灰比要求（見表1）。對于大體積混凝土，在選擇水膠比時，大體積內(nèi)部的常態(tài)混凝土的膠凝材料用量不宜低于140 kg/m3，水泥熟料不宜低于70 kg/m3，在大體積永久建筑物碾壓混凝土總膠凝材料用量不宜低于130 kg/m3。

表1 小型工程抗凍混凝土水灰比要求

2）在滿足工作性的前提下，選用較少的用水量。

3）選用最優(yōu)砂率，既能保證混凝土具有良好的和易性，又能達到工程要求的工作性、最小用水量和最大拌合物密度。

4）粗骨料選用最大粒徑較大的骨料和最佳連續(xù)級配，同時控制粗骨料最大用量，可以降低混凝土的收縮。

5）根據(jù)設(shè)計或工程要求，通過試驗選擇合適的坍落度。

6）依據(jù)抗凍性設(shè)計標號，合理控制混凝土含氣量。DL/T5082-1998《水工建筑物抗凍設(shè)計規(guī)范》中提出了小型工程抗凍混凝土含氣量要求（見表 2）。

表2 小型工程抗凍混凝土含氣量要求

7）有抗凍要求的混凝土，在要求的凍融次數(shù)的試驗中其相對動彈模量宜控制在不小于80%。

3.3 環(huán)境防治措施

水工混凝土處于水環(huán)境、水或融冰沖刷環(huán)境中，提高外層混凝土的強度等級、抗沖刷能力、抗凍標號等級及抗?jié)B等級，從而達到提高混凝土對環(huán)境的抵抗能力。

3.4 施工和養(yǎng)護防治措施

1）在混凝土拌和時，嚴格控制配合比的材料用量，骨料的含水率和含泥量，出機時的混凝土坍落度和含氣量。

2）混凝土在運輸過程中，應(yīng)盡量減小運輸時間和轉(zhuǎn)運次數(shù)，以減小混凝土的坍落度和含氣量的損失；在高溫或低溫下，混凝土應(yīng)采取遮蓋或保溫措施，以降低氣候?qū)炷临|(zhì)量的影響。

3）混凝土澆筑過程中，基面應(yīng)清洗干凈無承壓力水。在澆筑過程中，出現(xiàn)和易性較差時，嚴禁向混凝土中加水，應(yīng)采用振搗等措施。振搗過程中不能過振或漏振，過振會造成混凝土離析分層，漏振則易出現(xiàn)不密實、產(chǎn)生空洞；特別是對于摻用粉煤灰的混凝土，由于其粘度較高，易于成型密實，如果振搗時間過長易出現(xiàn)粉煤灰上浮，從而造成拌和物出現(xiàn)離析現(xiàn)象。

4）混凝土澆筑完畢，應(yīng)及時灑水養(yǎng)護，保持混凝土表面濕潤。為避免太陽光的暴曬，需在混凝土表面進行遮蓋，并連續(xù)的保持養(yǎng)護?；炷恋酿B(yǎng)護時間不易少于20 d，有特殊要求的混凝土可以延長養(yǎng)護時間。在高溫季節(jié)應(yīng)加強混凝土的濕潤養(yǎng)護，在低溫季節(jié)應(yīng)加強混凝土早期養(yǎng)護以防止混凝土的早期凍害。

3.5 設(shè)計構(gòu)造措施

適當提高混凝土的抗凍標號，可提高混凝土抗凍害能力。

3.6 表面防護防治措施

在混凝土表面涂覆防護材料，在水體與混凝土之間形成隔水膜。

3.7 運行管理防治措施

1）為防止混凝土建筑物遭受靜冰壓力、動冰壓力的破壞，可采用機械或人工破冰的方法，即沿建筑物前緣開鑿0.5～1.5 m寬的水槽,使建筑物與水面接觸處形成不凍水槽，隔斷冰壓力的傳遞。

2）對于大冰塊對建筑物墩、柱、閘孔的撞擊破壞，可采取破冰措施減小冰塊尺寸，防止大面積碰撞和人工導(dǎo)引冰塊過閘等辦法減少破壞。

3）采用水下壩坡表面鋪塑料薄膜引滑，在冰層內(nèi)人為造成滑動斜面，使冰層膨脹時沿塑料布所在的斜面滑動，以消減冰壓力。

4）調(diào)節(jié)水位法，根據(jù)中國新疆、黑龍江幾座水庫的經(jīng)驗，控制水庫水位一定的升降速度，可消除冰壓力破壞。

5）用壓縮空氣吹冰，即通過吹入壓縮空氣使上下層水強制對流或用潛水泵將溫度較高的深層水抽上來，向建筑物正面噴射，維持建筑物周圍水面不結(jié)冰。

6）電熱法，即用電熱管等加熱器直接或間接使物體加熱，此法效果好，但費用較高，只適用于小面積的門槽邊側(cè)和底部。有些國家試驗用有機硅和氟化液及其他聚合物涂層減少防護面與冰的凍結(jié)力，或用防凍劑使水的凍結(jié)溫度降至冬季氣溫以下，達到防凍目的。

7）冬季排干渠道、涵管、渡槽等內(nèi)的積水。

4 結(jié)語

遼寧地區(qū)中小型水工建筑物水位變化區(qū)的凍害分析：

1）原材料性能指標不佳引起的凍害；其中，混凝土外加劑影響凍害較大，其次是骨料、摻和料及水泥。

2）混凝土配合比不合理引起的凍害。

3）水位變化區(qū)環(huán)境條件的變化引起的凍害，特別是遼寧地區(qū)冬季經(jīng)歷的正負溫循環(huán)相對其他省更多，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)遭受凍害循環(huán)更加明顯。

4）施工控制、條件較差和養(yǎng)護條件差引起的凍害。

5）水位變化區(qū)的設(shè)計構(gòu)造不合理引起的凍害。

防治措施：提高混凝土本身性能（包括選用優(yōu)質(zhì)的原材料、合理的配合比及摻加引氣型外加劑等），改善外部環(huán)境條件，嚴格控制施工和養(yǎng)護技術(shù)，提高設(shè)計結(jié)構(gòu)的抗凍標號，以及執(zhí)行合理的運行管理模式等措施。

［1］徐伯孟，等.DL/T5082-1998.水工建筑物抗凍設(shè)計規(guī)范［R］.中華人民共和國電力工業(yè)部，2004.

［2］余化.混凝土常用標準匯編［M］.北京：中國標準出版社出版發(fā)行，2005.12.

［3］黃大能.混凝土外加劑應(yīng)用指南［M］.北京：中國計劃出版社，2004.

［4］劉數(shù)華、李家正（譯）.混凝土配合比設(shè)計［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

［5］妖燕.新型高性能混凝土耐久性的研究與工程應(yīng)用［M］.北京：中國建材工業(yè)出版社，2004.