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(qū)每年約在11月進(jìn)入凍結(jié)期，凍融作用一直持續(xù)到翌年3月底，歷時5個月左右。凍結(jié)層起初在地表形成，逐漸由地表向深部發(fā)展，最大凍土層發(fā)育深度可達(dá)1.0～1.5m。這就導(dǎo)致各類工程建筑物遭到嚴(yán)重凍脹。其中以水工建筑物的凍害最為普遍和嚴(yán)重，而又以凍脹、融沉、滑坡等作用造成的涵、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(xiàn)形式也頗多。許多水工建筑物往往在建成后第一年的冬季，即出現(xiàn)凍脹上抬、裂縫和嚴(yán)重的變形。由于水工建筑物經(jīng)常通水，這些凍害現(xiàn)象逐年加劇發(fā)展，有的3～5年即遭完全破壞，不少灌區(qū)建筑物已是建國以來的第二代或第三代工程。有的工程雖未完全損毀，勉強(qiáng)繼續(xù)使用，但也需年年維修，花費(fèi)大量投資和勞力。

一、混凝土的凍融破壞機(jī)理

常溫下的硬化混凝土是由未水化水泥、水泥水化產(chǎn)物、集料、水、空氣共同組成的氣——液——固三相平穩(wěn)的體系。 含水混凝土在大氣中遭受凍融破壞的機(jī)理雖有許多學(xué)者進(jìn)行了大量研究,提出過各種假說,但至今尚未達(dá)成共識。目前公認(rèn)程度較高的是美國學(xué)者T.C.Powerse 提出的膨脹壓力與滲透壓力理論。該理論認(rèn)為造成混凝土凍融破壞的主要原因是在某一凍結(jié)溫度下，結(jié)冰的水產(chǎn)生體積膨脹，過冷水遷移產(chǎn)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(chǎn)生拉應(yīng)力。當(dāng)混凝土內(nèi)部孔隙承受的這些力超過抗拉強(qiáng)度時,就在混凝土表面產(chǎn)生裂縫、內(nèi)部孔隙及微裂縫逐漸增大、擴(kuò)散、互相連通。當(dāng)凍融循環(huán)達(dá)到一定次數(shù)后,就會使混凝土造成由微觀裂紋(縫寬小于0.02mm)到宏觀裂縫(縫寬大于0.02mm),從表面剝落到內(nèi)部破壞。

二、造成混凝土凍融破壞的因素

(一)內(nèi)部因素

混凝土在澆筑凝固過程中，由于混凝土中部分水分的析出，內(nèi)部形成了大量細(xì)小并相互連通的孔隙，當(dāng)這些孔隙充水達(dá)到飽和后，在0℃時開始結(jié)冰，封堵了混凝土孔隙與外界相通的孔口，水結(jié)成冰使體積膨脹，與此相當(dāng)?shù)乃勘粩D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(fù)原狀，經(jīng)多次循環(huán)，混凝土就失去了承載能力。

(二)外部因素

1．凍融循環(huán)次數(shù)。凍融循環(huán)次數(shù)的多少是凍融破壞的主要因素，混凝土的抗凍性能、抗凍標(biāo)號就是按凍融次數(shù)來確定的，凍融循環(huán)次數(shù)越多，破壞就越嚴(yán)重。

2．外部水補(bǔ)給。有補(bǔ)給水來源的水平施工縫易出現(xiàn)裂縫，混凝土壩的水平施工縫易因內(nèi)外溫差而先造成裂縫，縫面中的水結(jié)冰時，體積增大9%，使裂縫微微張開，且向內(nèi)部延伸，裂縫張開后，未凍結(jié)部分的縫隙產(chǎn)生吸力，將深處混凝土的水分吸到這些縫隙中來，就產(chǎn)生第二次凍結(jié)，又形成第二次張開，致使縫寬和縫深增大。

3．施工質(zhì)量的影響。施工質(zhì)量的優(yōu)劣一般表現(xiàn)為水平施工縫是否嚴(yán)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(yán)格，因為水灰比增大0.1時,抗凍標(biāo)號降低50#。

因此，混凝土產(chǎn)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(huán)境必須存在反復(fù)交替的正負(fù)溫度，且負(fù)溫必須降低到一定程度。

三、混凝土凍融破壞的防治

(一)正確選擇混凝土抗凍等級

應(yīng)根據(jù)混凝土工程所在地區(qū)的氣溫情況，每年凍融循環(huán)次數(shù)、混凝土的種類及使用部位、水介質(zhì)、混凝土構(gòu)件的重要性等條件，按照SL211-98《水工建筑物抗冰設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的指標(biāo)，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,可以將混凝土抗凍等級提高一級。

(二)使用質(zhì)量優(yōu)良的原材料

選用質(zhì)量優(yōu)良原材料是防止混凝土凍融破壞的重要措施。應(yīng)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(qiáng)度等級宜不低于42.5Mpa；選用質(zhì)地堅實(shí)、吸水率低、軟弱顆粒含量少、含泥量低、粒徑適當(dāng)且片狀顆粒含量少的骨料；適量摻入硅粉、優(yōu)質(zhì)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(jié)石中形成眾多的互不連通的微細(xì)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(jié)時的膨脹變形，從而提高混凝土的抗凍性；實(shí)踐證明, 摻有引氣劑的混凝土比不摻引氣劑的混凝土后退10～15年出現(xiàn)表面剝落等凍害現(xiàn)象。日本研究成功一種非引氣型表面活性劑, 摻量為水泥重量2%～4%時, 可使混凝土的耐久指數(shù)提高50%～90%。

密實(shí)度是混凝土強(qiáng)度的主要指標(biāo),水灰比是影響密實(shí)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(dāng)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。生產(chǎn)實(shí)踐證明摻入水泥重量的0.5%～1.5%的減水劑,可以減少用水15%～25%, 使混凝土強(qiáng)度提高20%～30%, 抗凍性提高10%左右。

(四)新型材料的應(yīng)用

20世紀(jì)80年代以來美國合成材料化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)了一種纖維絲(稱FIBERMESH)，并將其應(yīng)用于混凝土建筑物，通過大量材料性能和工程結(jié)構(gòu)試驗，現(xiàn)已得到廣泛應(yīng)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，能增強(qiáng)混凝土的韌性和早期抗拉強(qiáng)度，減少表面裂紋和開裂寬度，極大地提高了其抗凍害能力。河北石津灌區(qū)的室內(nèi)試驗表明，在每立方米混凝土中摻人0.9kg的聚丙烯纖維，其抗裂能力提高100%～150%，抗?jié)B能力提高70%，抗沖刷能力提高50%～100%，3～28d齡期抗壓強(qiáng)度提高15%～30%。黑龍江省香磨山灌區(qū)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，可見這種材料是北方灌區(qū)較理想的防滲防凍脹材料。

(五)嚴(yán)格控制混凝土施工質(zhì)量

加強(qiáng)施工管理，嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，確?；炷辆鶆蛎軐?shí)。對引氣混凝土，應(yīng)采用機(jī)械攪拌方式，攪拌時間為2～3 min。對于非引氣混凝土,應(yīng)采用真空模板,等混凝土發(fā)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、非常致密的保護(hù)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℃。應(yīng)預(yù)防混凝土在運(yùn)輸過程中產(chǎn)生凍結(jié)現(xiàn)象，不能把混凝土澆筑在結(jié)冰的基面上。

(六)及時做好混凝土“三護(hù)”工作

在高溫季節(jié)，混凝土澆筑完畢后宜遮蓋表面，并及時灑水養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時段一般為14～28d，以保證混凝土強(qiáng)度正常增長。在低溫季節(jié)，澆筑完畢的外露混凝土表面應(yīng)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(shè)施暢通；冬季可以不積水的混凝土建筑物，在冰凍期到來之前應(yīng)排空積水；對于有抗?jié)B要求的水工混凝土來說，若裂縫寬度大于0.05mm，則必然滲水，應(yīng)及時修補(bǔ)。大多數(shù)水工混凝土凍融破壞的建筑物，可采用鑿舊補(bǔ)新的方法進(jìn)行修補(bǔ)加固處理，即把已遭凍融破壞的混凝土鑿除，再澆筑新的高抗凍融破壞能力的混凝土。為了確保新老混凝土的結(jié)合良好，需要在清除已破壞的混凝土之后，在堅固的老混凝土表面鉆孔并埋設(shè)錨筋。當(dāng)錨筋與老混凝土之間產(chǎn)生一定強(qiáng)度后，清洗混凝土表面，保持表面潤濕不積水，涂刷一定厚度的無機(jī)凝膠，再澆筑新混凝土抗凍層即可。