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(qū)在實(shí)踐中處理混凝土的凍融破壞的方法。

關(guān)鍵詞：混凝土；凍融破壞；預(yù)防；修補(bǔ)；措施

一、引言

混凝土是當(dāng)代最主要的土木工程材料之一。由于其良好的抗?jié)B性、耐久性及原材料來(lái)源廣且生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、能耗低的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于渠道襯砌及渠系建筑物的改造中。

唐河灌區(qū)在續(xù)建配套與節(jié)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(qū)渠道輪灌周期減少了5～7天。已實(shí)施的灌區(qū)節(jié)水工程襯砌段渠道水利用系數(shù)平均提高0.156，全灌區(qū)渠道水利用系數(shù)由0.42提高到0.443，減少了水量的損失。但是我們也應(yīng)該看到由于混凝土結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境比較惡劣，必然受到水流、氣溫、風(fēng)砂等的影響。當(dāng)野外溫度較低時(shí)，混凝土?xí)驗(yàn)閮鋈谘h(huán)而發(fā)生破壞，由此需要很大的代價(jià)來(lái)維修和重建，這已成為灌區(qū)反復(fù)投入大量的人力、物力而未能根本解決的問(wèn)題之一，造成極大的浪費(fèi)。

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(fā)生凍融破壞的顯著特征，嚴(yán)重時(shí)可能露出石子。在混凝土受凍過(guò)程中，冰凍應(yīng)力使混凝土產(chǎn)生裂紋。冰凍所產(chǎn)生的裂紋一般多而細(xì)小，因此，在單純凍融破壞的場(chǎng)合，一般不會(huì)看到較粗大的裂縫。但是，在凍融反復(fù)交替的情況下，這些細(xì)小的裂紋會(huì)不斷地?cái)U(kuò)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(dǎo)致混凝土力學(xué)性能的顯著降低。大量試驗(yàn)研究表明：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) ，其中反映最敏感的是抗拉強(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。

（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(tài)下能經(jīng)受多次凍融循環(huán)而不破壞，同時(shí)強(qiáng)度不嚴(yán)重降低的性能而且其質(zhì)量也不顯著減小的性質(zhì)。影響混凝土抗凍性能的因素有以下幾個(gè)方面的：一是水泥的品種；二是骨料的性質(zhì)；三是混凝土的密實(shí)度；四是混凝土的強(qiáng)度等級(jí)；五是混凝土的孔隙構(gòu)造和數(shù)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(jié)構(gòu)的尺寸。在相同條件下， 混凝土構(gòu)件的尺寸越小， 混凝土構(gòu)件越容易發(fā)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(zhì)量

這是提高混凝土抗凍性最直接、有效的辦法。對(duì)混凝土的施工質(zhì)量，我們必須做到嚴(yán)要求高標(biāo)準(zhǔn)，做到攪拌透徹、澆筑均勻、振搗密實(shí)，絕不允許出現(xiàn)蜂窩、麻面以及完工后注意加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)。

（二）努力減小水灰比，提高混凝土密實(shí)度

水灰比的大小是影響混凝土密實(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。生產(chǎn)實(shí)踐證明摻入水泥重量的0.5%～1.5%時(shí)，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(dòng)性和可塑性；提高混凝土的抗折強(qiáng)度，當(dāng)含氣量為3%～5%時(shí)，抗折強(qiáng)度提高10%～20%；大大提高混凝土抗凍性、抗鹽漬性、抗?jié)B性、耐硫酸鹽侵蝕及抗堿集料反應(yīng)性能。摻入減水劑能顯著改善混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，使混凝土的透水性降低40%～80%，從而可提高抗?jié)B、抗凍、抗化學(xué)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(zhì)素、糖蜜、MF復(fù)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(jìn)了普通混凝土的抗拉強(qiáng)度、耐磨、耐蝕、抗?jié)B、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(qiáng)劑

防凍劑可以大幅度降低拌合水的冰點(diǎn)，防止在塑性狀態(tài)和早期混凝土內(nèi)部水分結(jié)冰膨脹，凍傷混凝土且對(duì)混凝土強(qiáng)度性能沒(méi)有明顯危害。防凍劑常用于負(fù)溫條件下施工的混凝土。目前國(guó)產(chǎn)防凍劑品種適用于0～–15℃的氣溫，當(dāng)在更低的氣溫下施工時(shí)，應(yīng)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(yù)熱法。早強(qiáng)劑可促進(jìn)水泥的水化和硬化進(jìn)程，縮短混凝土的凝結(jié)時(shí)間，提高早期強(qiáng)度特別適用于冬期施工。目前廣泛使用的混凝土早強(qiáng)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?yōu)榛牡膹?fù)合早強(qiáng)劑。近幾年來(lái)工程中使用的無(wú)氯鹽早強(qiáng)減水劑和防凍劑，對(duì)鋼筋無(wú)銹蝕作用，在–10℃左右氣溫條件下使用，使混凝土具有較強(qiáng)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(shí)，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(zhǔn)混凝土，氣孔結(jié)構(gòu)有很大的改善。硅粉對(duì)抗凍耐久性有顯著的效果。

四、唐河灌區(qū)處理混凝土凍融破壞的一些做法

唐河灌區(qū)位于保定市西南，設(shè)計(jì)灌溉面積70萬(wàn)畝，有效灌溉面積42.5萬(wàn)畝，為國(guó)家大II型灌區(qū)。灌區(qū)內(nèi)配套工程毀壞嚴(yán)重，建筑物老化失修，渠道滲漏嚴(yán)重，水量損失較大，我們從2005年起爭(zhēng)取到國(guó)家資金9130萬(wàn)元，對(duì)唐河灌區(qū)進(jìn)行了節(jié)水改造工程建設(shè)。灌區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季溫度較低，極端最低溫度更是達(dá)到-20℃。因此灌區(qū)內(nèi)渠道混凝土襯砌表面的凍融破壞現(xiàn)象較為突出。我們?cè)趯?shí)際工作中也極為重視，經(jīng)過(guò)我們的反復(fù)研究、實(shí)踐，結(jié)合灌區(qū)正在進(jìn)行節(jié)水改造工程建設(shè)實(shí)踐及國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的混凝土表面加固技術(shù)，取得了以下幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)。我們可以從以下兩個(gè)方面入手。

（一）在混凝土施工前采取相關(guān)措施預(yù)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(zhì)，且骨料中云母、硫化物、硫酸鹽、氯鹽等含量符合規(guī)范要求的II類（砂，粗骨料），二是應(yīng)根據(jù)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(yīng)優(yōu)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(yán)格控制混凝土的配合比，應(yīng)根據(jù)工程需要和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，參考有關(guān)資料并通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定相關(guān)參數(shù)。

（二）在凍害發(fā)生以后采取以下修補(bǔ)加固的措施

①水泥砂漿修補(bǔ)，適用于輕微的表層破壞，砂漿強(qiáng)度不得低于原混凝土強(qiáng)度，以相同為宜。②預(yù)縮砂漿修補(bǔ)，常用語(yǔ)修補(bǔ)處于高流速區(qū)的表層缺陷③鋼纖維噴射混凝土修補(bǔ)法，在具體操作時(shí)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(qiáng)制式攪拌機(jī)拌合時(shí)，要尤其注意加料時(shí)絕不能直接將鋼纖維加到膠凝材料中，否則會(huì)結(jié)團(tuán)。④噴漿混凝土修補(bǔ)法，噴混凝土與普通混凝土相比，具有密實(shí)性好、強(qiáng)度高、快速、高效、不用模板以及把運(yùn)輸、澆筑、振搗結(jié)合在一起的優(yōu)點(diǎn)。⑤壓漿混凝土修補(bǔ)，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(yōu)點(diǎn)，亦可用于水下加固。最后，在實(shí)際工作中具體選用哪種修補(bǔ)辦法還應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況確定，不能一概而論。

（三）唐河灌區(qū)處理凍融破壞的實(shí)例

在唐河灌區(qū)2008年度續(xù)建配套與節(jié)水改造工程中，根據(jù)《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》（SL18-2004）結(jié)合實(shí)際地形特點(diǎn)，我們確定了總干四支渠的渠道襯砌形式——采用現(xiàn)澆混凝土襯砌。渠道防滲采用厚度為10cm，強(qiáng)度為C15，抗?jié)B等級(jí)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?biāo)鞣较蛎扛?m設(shè)橫向伸縮縫1道，縱橫向伸縮縫寬度均為2cm，縫內(nèi)填建筑油膏。施工中我們嚴(yán)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(guān)規(guī)范，混凝土必須振搗密實(shí)。由于是在冬季施工，雖然我們采取了一些冬期措施，可是因?yàn)槭┕r(shí)的溫度急劇下降加之不久后灌區(qū)進(jìn)行了冬灌，使混凝土襯砌面長(zhǎng)時(shí)間浸泡在水里。當(dāng)來(lái)年春灌結(jié)束后，水位線以下的襯砌表面出現(xiàn)了裂縫以及表面脫落等現(xiàn)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(bǔ)的方法，在實(shí)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(qiáng)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(jié)強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，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(jié)語(yǔ)

誠(chéng)然，混凝土凍融的問(wèn)題比較復(fù)雜，而且受許多因素的影響，其檢測(cè)手段與預(yù)防對(duì)策還有待于進(jìn)一步分析研究。這就要求我們對(duì)待混凝土凍融問(wèn)題要更加謹(jǐn)慎，多做實(shí)驗(yàn)，從實(shí)際出發(fā)，找準(zhǔn)問(wèn)題的關(guān)鍵才能更加有效的指導(dǎo)實(shí)踐。

參考文獻(xiàn)：

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（作者單位：河北省保定市西大洋水庫(kù)管理處）