丹东地区水工混凝土冻融破坏分析及防治措施.pdf

第 o 3期 ( 总第 3 4 5 期 ) 吉林水利 2 0 1 1 年 0 3月 【 文章 编号 】1 0 0 9 - 2 8 4 6( 2 O l 1 )0 3 - 0 0 5 3 - 0 4 丹东地区水工混凝土冻融破坏分析 及 防治措施 张海婴 ，张永先 ( 1 沈 阳标 准化研 究院 ，辽 宁 沈 阳 1 1 0 0 0 6 ； 2 辽宁省水利水电科 学研 究院，辽宁 沈阳 1 1 0 0 0 3 ) 摘 要】通过分析丹 东地 区水工混凝土 结构在正 、负温反 复循 环下遭 受冻融破坏 的原 因，提 出了水工混凝 土抗 冻害的防治措施 为控制水利工程质量提供 了参考依据 。 【 关键词 水工混凝土 ；冻融破 坏 ；水灰比 ；抗冻性 中图分类号 T V 4 3 1 文献标识码B 丹 东 位于 我 国东 北 部 ，属 于 寒 冷 地 区 ，一 年 中有 5 6个月处 于 0 以下。寒冷 的气候对水工 建 筑 物 造 成 了较 大 的 破 坏 ，主 要 表 现 为 冻 融 循 环 、冻胀破坏 以及融冰撞击破坏 。等等。本文主 要通过对冻融破坏现象的分析 提出了有利于水 利工 程建设 和 应用 的防治 技术 措 施 。 1 冻 融破坏现状及特征 由于水工 混 凝 土一 般 处 于水 环 境 或 潮 湿 环境 中，在长期的冻融循环 、融冰撞击和应力的反复 作用下 ，会引起混凝土各种不 同的破坏特征 ，如 混凝土表面剥蚀 、疏松、脱落 、空洞 、开裂 、钢 筋外露锈蚀等 。这些都会导致混凝土抗渗性 、抗 碳化和抗冰冻等耐久性 能的降低 。本文结合近年 来丹东地区水工建筑物检测过程 中出现 的冻害问 题 ，着 重介 绍 混凝 土冻 融 破 坏 现状 及 特 征 ，如 表 1 所 示 2 水工混凝土 冻融破 坏分析 2 1冻融破 坏 机理 目前国内外提 出的冻融破坏理论主要有静水 压经典理论 、渗透压理论 、冰凌镜理论 、基于过 冷液体的静水压修正理论 以及饱水度理论等。这 些理论 中 ，公认程 度较 高 的是 由美 国学者 T C P o w e r s 提出的静水压理论和渗透压理论。他认为 吸水饱和的混凝土在冻融过程 中遭受的破坏力 主 要有静水压力和渗透压力两部分 。混凝土在潮湿 条件下 。首先毛细孔吸满水 ，当混凝土搅拌成型 时都会带来一些大的空气泡 ，这些空气泡 内壁也 能吸附水 ，但在常压下很难吸满水 。总还能 留有 没有水的空间。在低 温下毛细孔 中水结成冰 ，体 积膨胀 趋 向于把未冻水推 向大 的空气泡方 向流 动 ，这 就形 成 静 水压 力 。 当冰 的饱 和 蒸 汽 压小 于 水 时 ，这 种压力 差又会 推动 未冻 水 向冻结 区迁 移 ，这就是渗透压。 总之 。混 凝 土 的 冻 融破 坏 过 程 是 比较 复杂 的 物理 变 化 过程 。这 种 过程 可 以描 述 为 ：在 某 一 冻 结温度下 ，水结 冰产生体积膨胀 ，过冷水发生迁 移 ，引起各种压力 ，当压力超过混凝土能承受的 应力 时，混凝土 内部孑 L 隙及微裂缝逐渐增大 ，扩 展并互相连通 。强度逐渐降低 ，从而造成混凝土 破 坏 。 2 2 混 凝土 本身 因 素 2 2 1 原 材料 因素 ( 1 )水 泥 现阶段水泥早期 强度 高水化热较高 、碱含量 偏 大、C 3 A偏 高、细度较细 、掺用助磨剂等 ，这 些表现为混凝土施工早期混凝土 内部易 出现微裂 纹从而为混凝土的破坏提供前期条件。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，如果水泥品种选择 不当也可能为混 凝土破坏提供条件 。如在水位变化 区外部或受水 流冲刷 的部位 ，选用矿渣硅酸盐水泥就不利于提 高混凝土的抗冻性。在混凝土 中水泥用量过大也 可能使混凝土 出现早期微裂缝 ，对混凝土 的破坏 收稿 日期】2 O l l _ o l - 2 O 【 作者简介 张海婴 ( 1 9 7 8 - ) ，女，苗族 ，辽宁大连人 ，工程师 ，金融， 计算机 ，双学士 ，现从事标准化工作 。 一 53 吉林水利 丹东地区水工混凝土冻融破坏分析及防治措施 张海婴等 1 0 1 1年 o 3月 表 l 辽宁地区水工混凝土建筑 物冻融破坏特征 序号 名称 构件种类 冻害发生部位 冻害特征 冻 害环境 坝体 坝面迎 水坡 剥蚀 、 疏松 、 冰体顶推 进 口段构造 控制塔墩、 柱水位变化 区 剥蚀 、 疏松 、 混凝土脱落 、 钢筋外鳝锈蚀 、 冰块撞击 ， 1 水库 墩 、 柱发生歪斜 、 断裂 输水洞、 泄洪洞 边墙水位 变化 区、 底板 剥蚀 、 疏松、 混凝士脱落、 钢筋外露锈蚀、 冰块撞 击 尾水渠 底板 、 护岸 剥蚀、 疏松、 混凝土脱落 消力池 底板 剥 蚀、 疏松、 混凝土脱落 上、 下游 防护 护坡 ， 底板 ， 翼墙水位变化区 剥蚀、 疏松、 混凝 土脱落、 鼓 胀、 滑塌、 断裂 、 齿 墙歪斜 闸室 闸墩 、 混凝 土闸门面板水位变化区 剥蚀 、 疏松 、 混凝 土脱落、 断裂、 钢筋外露锈蚀 交通桥 、 工作桥 、 剥蚀、 疏松 、 混凝 土脱 落 墩 、 柱发生歪斜 、 断裂 、 2 水闸 墩 、柱水位变化区 检修桥 钢筋外 露锈 蚀 底板 、 尾槛 、 消力墩 、 散流墩、 海 漫、 剥 蚀、 疏松 、 混凝 土脱 落， 消力墩 发生歪斜 、 断裂 、 鼓 消能 防冲 防冲槽 、 辅助消能工框架 胀 钢筋 外露锈 蚀 岸坡 、 边墙 、 闸墩 、 剥蚀、 疏松 、 混凝 土脱 落 ， 鼓胀 ， 钢筋外露 锈蚀， 墩 、 3 泵站 引水渠 、提水池 混凝土 闸门面板水位变化区 柱发生歪斜 、断裂 渡槽 槽墩 、 槽 台、 上下游护岸、 剥 蚀、 疏松 、 混凝 土脱落 。 下游 消能工发生歪斜 、 冬季降水 渠系 出口段消能工 断裂 、 鼓胀 钢筋外露 锈蚀 4 建筑物 地 下水 、 渠系未排 混凝士衬砌渠道 护坡 、 渠底 剥蚀 、 疏松 、 混凝土脱落 干水 、冬季降水 造成潜在的危害。 ( 2 )骨料 如 果有 抗 冻要 求 的混 凝 土 中使 用 了含 泥量 大 于 3 的天然砂 ，会使混凝土 的抗冻性 降低 ，从 而降低混凝土的冻融循环次数 ；粗骨料 中含有泥 也 同样 存在 相 同的危 害 。在 粗 骨 料使 用 中选 择 了 不连续 的级配 ，这就需要提高砂的用量来填充粗 骨料 的空隙 ，随着砂用量 的增加 ，单位用水量也 要适 当的提高来达到相 同的工作度 ，使得混凝土 本身 的收缩和含水率提高 ，从而大大增加了混凝 土破坏的几率。 ( 3 )掺和料 以粉煤灰为例 ，在粉煤灰应用中选择了高钙 灰 其 中过多的游离氧化钙会造成混凝土安定性 不 良从而引起混凝土膨胀开裂 ，使得混凝土在冻 融循环中破坏更加严重。 ( 4 )外加剂 在外加剂的应用中如没有选择适合 的外加剂 和外加剂的掺量 。对混凝土会产 生不 良的影响 。 其中影响混凝土抗冻性的主要外加剂 为引气型外 加剂 、防冻型外加剂 、防水型外加剂等 。如掺入 少量的引气减水剂 ，混凝 土含气量则会小于标准 要求 ，使得混凝土抗冻性不能达到设计指标 ；若 掺人 的引气减水剂的量过大 ，会使混凝土的含气 量过大 。降低混凝土的强度 和抗冻性 ，从而影响 混 凝 土 的耐久 性 。在 寒冷 地 区冬 季施 工 时 ，必 须 掺加防冻型外加剂 ，如选择其他外加剂将使混凝 土早期遭受冻害。 5 4 2 2 2混凝 土 配合 比 因素 水灰 比偏大 、单位用水量偏 多、砂 率偏 大 、 含气量偏小 、石子级配不合理 、坍落度偏太等都 对 混凝 土 的抗冻 性都 会产 生不 良的影 响 。 2 2 3 环 境 因素 水工混凝 土一般处于 自然界外部环境 ，其中 包括 ：水环 境或潮 湿条件 ，海水 冲刷 与侵蚀 条 件 冬 季 有 冰 面冻 胀 和融 冰 的撞 击条 件 ，尤 其在 辽宁地 区冬季温度变化比较频繁 ，使得混凝土受 冻融次数较多 。这些条件都影响着混凝土 的抗冻 性 。 1 2 4 施工和养护条件因素 混凝土在施工和养护 阶段都混凝 土的抗冻性 有着较大影响。在施工现场砂的含泥量偏大 、配 合 比控制不严、单位用水量控制不当、人工搅拌 不均 、振捣不密实、不注重混凝土的养 护等 ，特 别是在冬季施工时混凝土中不掺加防冻 型外加剂 或 现场 的防冻措施 不 良 ，都会 降低混凝 土抗 冻 性 。 2 2 5 设计 构造 因素 设计 中结构 的排水措施不顺畅 、抗 冻设计标 号偏低等 。都影响混凝土的抗冻性。 3 防治措施 3 1 混 凝土 本身 防治 措 施 3 1 1 原材 料控 制措 施 ( I )水 泥 吉林水利 丹东地区水工混凝土冻融破坏分析及防治措施 张海婴等 2 0 I 1 年 O 3月 根据工程不 同的使用部位和工程环境条件选 择合适水泥 。选用 的水泥强度等级应与混凝土的 设计等级相适应 。具体要求为： 经常处于水流冲刷部位 、水 位变化 区部位 、 溢流面及有抗冻要求的部位的混凝土 ，宜选用 中 热硅酸盐水泥或硅酸盐水泥 ，也可选择使用普通 硅 酸盐水泥 ，同时优 先选用 强度等级 较高 的水 泥 ： 基础混凝土 、水下混凝土和大体积混凝 土内 部 ，宜选用中热硅酸盐水泥 ，也 可选择使用低热 矿渣硅酸盐水泥 、矿渣硅酸盐水泥 、火山灰质硅 酸盐水泥 、粉煤灰硅酸盐水泥、低热微膨胀水泥 和普通硅酸盐水泥 ； 当环境对混凝土有硫酸盐侵蚀时 ，应选用抗 硫 酸盐硅 酸盐 水 泥 ： 在冬季施工时 ，宜优先选用硅酸盐水泥或普 通硅 酸盐水 泥 。 ( 2 )骨料 应 优 选 洁净 、 级 配 良好 的 中 砂 和 级 配 良好 、 孔隙率较小的粗骨料 同时水工混凝土应采用 非 碱活性 的骨料 。此外 ，有抗冻要求的混凝土还应 严格 控制 骨料 的含 泥量 和坚 固性 。 ( 3 )矿 物 掺和 料 在水 工 混凝 土 中掺入 矿 物 掺 和料 ，具 有 改善 混凝土性能 ，提高混凝土质量 ，减小混凝土水化 热 ，抑制 碱 骨 料反 应 ，节 约水 泥用 量 。降低 成 本 等作用。以粉煤灰为例 ，优质粉煤灰 的加人可 以 降低水泥的水化热 ，并且水化放热峰值也相应的 有所 降低 ，水化放热 的时间也得到相应 的推迟 。 粉煤灰 的掺用在水工大体积混凝土 中应用最为明 显 ，不 但降低前 期 的水 化热 ，而且节 约水泥 用 量 。 ( 4 )外加剂 外加剂的选择应根据混凝土性 能要求 、施工 需要 ，结合工程原材料 的实际情况进行适应性试 验 ，然后根据试验确定外加剂 的种类和掺量 。例 如 ，有抗冻要 求 的混凝土必须 掺加 引气型外 加 剂 ，能提高混凝土的和易性和抗冻性 ，并严格控 制了混凝土 的含气量 ；冬季施工时必须掺加防冻 型外加剂 ，能提高混凝土早期强度 ，从而减少混 凝土的早期冻害 ；有防水要求的混凝土必须 掺加 防水型外加剂 ；大体积混凝土应 掺加缓凝型外加 剂等等。 ( 5 )水 混凝 土拌和用水 和养护用的水都不能影响混 凝 土 的凝 结 时问 、抗 压强 度 。 3 1 2混 凝土 配合 比控 制措施 ( 1 )水灰 比 依据设计 的强度等级和耐久性 。通过试验选 择合适 的水 灰 比。D L T 5 0 8 2 1 9 9 8 水 工建筑物 抗冻设计规范 中提 出了小型工程抗冻混凝土 的 水灰 比要求 ( 见表 2 ) 。对于大体积混凝土 ，在选 择水胶 比时 ，大体积 内部的常态混凝土 的胶凝材 料用量不宜低 于 1 4 0 k g m 3 ，水泥熟料不宜低于 7 O k g m 在大体积永久建筑物碾压混凝土总胶凝材 料用量不宜低于 1 3 0 k g m 3 。 表 2 小型工程抗 冻混凝土水灰 比要 求 ( 2 )在满足工作性的前提 下 ，选用较少 的用 水量。 ( 3 )选用最优砂率 ，既能保证混凝土具有 良 好的和易性 又能达到工程要求 的工作性 、最小 用水量和最大拌合物密度 。 ( 4 )粗骨料选 用最 大粒径较大 的骨料和最佳 连续 级配 ，同时控制粗 骨料最大用量 ，可 以降低 混凝 土 的 收缩 。 ( 5 )根据设计或工程要求 ，通过试验选择合 适的坍落度 。 ( 6 )依 据抗冻 性的设计标号 ，合理的控制混 凝土 的含气量 。D L T 5 0 8 2 1 9 9 8 水 工建 筑物抗 冻设计规范中提出了小型工程抗冻混凝土的含 气量要求( 如表 3所示 ) 。 表 3 小 型 工 程 抗 冻 混 凝 土 含 气 量 要 求 注 ：如含气量试样须经湿筛时 ，按湿筛后最 大 骨料 粒径 取用 相应 的含 气量 。 ( 7 )有抗冻要求 的 昆凝土 ，在要求 的冻融次 数 的试 验 中其 相 对 动 弹 模 量 宜 控 制 在 不 小 于 8 0 。 4 2环 境 防治措 施 水工混凝土处于水 环境 、水或融冰 冲刷环境 中，提 高外层 混凝土 的强度等级 、抗 冲刷 能力 、 抗冻标号等级及抗 渗等级 ，从而达到提高混凝土 对环境的抵抗能力。 4 3 施工和养护防治措施 ( 1 )在混凝土拌和时 ，严格控制配合 比的材 料用 量 ，骨料的含水率 和含泥量 ，出机时的混凝 土坍落度 和含气量。 ( 2 )混凝土在运输过程 中，应尽 量减小运输 时间和转运次数 ，以减小混凝土的坍落度和含气 量的损失 ；在高温或低 温下 ，混凝土应 采取遮盖 或保温措施 ，以降低气候对混凝土质量 的影响。 ( 3 )混凝土浇筑过程 中，基 面应清洗 干净无 承压力水 。在浇筑过程 中 ，出现和易性较差 时 ， 一 5 5 吉林水利 丹东地区水工混凝土冻融破坏分析及防治措施 张海婴等 2 0 1 1年 0 3月 严禁向混凝土中加水 ，应采用振捣等措施 。振捣 过程 中不能过振或漏振 ，过振会造成混凝 土离析 分层 ，漏振贝 易出现不密实 、产生空洞 ；特别是 对 于掺用粉煤灰的混凝土 ，由于其粘度较 高 ，易 于成型密实，如果振捣时间过长易 出现粉煤灰上 浮，从而造成拌和物 出现离析现象。 ( 4 )混凝土浇筑完毕 ，应及 时洒水养护 。保 持混凝 土表面湿润。为避免太阳光的暴 晒 需在 混凝土表面进行遮盖 ，并连续 的保持养护 。混凝 土 的养护时间不易少于 2 0 d ，有特殊要 求的混凝 土可以延长养护时间。在高温季节应加强混凝土 的湿润养护 ，在低温季节应加强混凝土早期养护 以防止 混凝土 的早 期冻 害 。 ( 5 )低温季节施工要求 ： 在施工前 ，对原 材料 、设 备进行保温处理 。 低温季节混凝土拌和用水应先加热 。骨料控制不 结冰 ，不混 入 冰雪 。在岩 基 或 老混 凝 土 上施 工 时 应 加 热至 正温 ，不 能有冻 层 ； 在低温条件下施工 ，可以适 当提高混凝土等 级或提高水泥用量 ： 在严寒或寒冷地区混凝土施工 ，必须掺人防 冻型外加剂 以提高混凝土早期强度 ，避 免出现混 凝 土早 期 的冻 害 ，并采 用 蓄 热法 或 暖棚 法 进 行保 温 。没 有 特 殊 要 求 的 工 程 。在 日平 均气 温低 于一 2 0 时 不宜施 工 。 4 4设计 构造 措施 适 当提高混凝土的抗冻标号 ，可提高混凝土 抗冻害能力。 4 5 表面 防护 防治 措施 在 混凝 土表 面涂 覆 防 护材 料 ，在 水 体 与混 凝 土 之间形 成 隔水膜 。 4 6 运行管理防治措施 1 )为防止混凝 土建筑物遭受静冰压力 、动 冰压 力的破坏 ，可采用 机械或人工破 冰的方法 ， 即沿建筑物前缘开凿 0 5 1 5 m宽的水槽， 使建筑 物与水面接触处形成不冻水槽 ，隔断冰压力的传 递 ： 2 )对 于大 冰块对建筑 物墩 、柱、闸孔的撞 击破坏 可采取破冰措施减小冰块尺寸 ，防止大 面积碰撞和人工导引冰块过闸等办法减少破坏 ； 3 )采用水下坝坡表 面铺塑料 薄膜 引滑 ，在 冰层 内人为造成滑动斜面 ，使 冰层膨胀时沿塑料 布所在的斜面滑动 。以消减冰压力 ； 4 )调 节 水 位 法 ，根 据 中 国新 疆 、黑 龙 江 几 座水库 的经验 。控制水库水位一定的升降速度 ， 可消除冰压力破坏 ： 5 )用压缩空气 吹冰 ，即通过 吹入压缩 空气 使上下层水强制对流或用潜水泵将温度较高 的深 层水抽上来 ，向建筑物正面喷射 ，维持建筑物周 一 5 6一 围水面不结冰： 6 )电热法 ，即用 电热管等加 热器直接或 间 接使物体加热 ，此法效果好 ，但 费用较高 ，只适 用于小 面积的门槽边侧和底部 。有些国家试验用 有机硅和氟化液及其他聚合物涂层减少防护 面与 冰的冻结力 ，或用防冻剂使水的冻结温度降至冬 季气温以下 ，达到防冻 目的； 7 )冬 季排 干渠道 、涵管 、渡槽等 内部 的积 水 。 5 结论 丹东地 区水工混凝土冻害原 因与其 它北方寒 区有 相似之处 ，冻 害均 与混凝 土原材 料 、配合 比、施工和养护条件、环境和设计构造等 因素有 关 。但 由于冬季丹东地 区经历正负温循 环相对更 多 ，导致水工混凝土结构遭受冻融循 环会更强 ， 冻 害更 明显。本文针对如何解决水工混凝 冻害问 题 ，提 出了适宜的防治措施 ，即 ：提高混凝土本 身性能( 包括选用优质的原材料 、合理 的配合 比 等 ) ，改 善外部环境条件 ，严格控制施 工和养护 技术 ，提高设计结构 的抗冻标号 ，配合使用恰 当 的表 面 涂 覆 防护材 料 ，以及 执 行 合 理 的运 行 管 理 模式等措施 。至于哪一种或哪一组防治措施更经 济耐用 ，这就需要开展大量 的试验研究工作才能 找 到答 案 。口 参考文献 ： 【 1 】中国长江三峡 工程 开发 总公 司， 中国葛 洲坝水利水 电工程 集 团 公 司 ( 主编) D L I 5 1 4 4 2 0 o 1水工混凝土施工规 范 S 1北 京 ：中国电力 出版社， 2 o o 2 【 2 】长 江水利委 员会 长江科 学 院 ( 主编 ) D I T 5 3 3 0 2 0 0 5水工 混凝 土配合 比设计规程 f S 1 北京 ：中国电力 出版社，2 0 0 6 3 】中国水利水 电科 学研 究院， 南京水利 科 学研 究院( 主鳊 ) S L 3 5 2 2 0 o 6水工混凝 土试验 规程 f S 】北京 ：中国水利水 电 出 版 社 2 O o 6 【 4 东北勘 测设 计研 究院 ( 主编 ) DL ， r 5 0 8 2 - 1 9 9 8水 工建 筑物 抗冻设计规 范 【 S 】 北京 ：中国电力 出版社， 2 O o 4 【 5 】余化 混凝土 常用标 准汇编 【 MJ 北京 ： 中国标准 出版社 出 版 ， 2 0 o 5 ， 1 2 【 6 】黄大 能 混凝 土外加剂 应用指 南 【 M】北京 ： 中国计 划 出版 社 2 O o 4 【 6 】刘数 华， 李 家正 ( 译) 混凝 土配合 比设计 【 f 】 北 京 ：中 国 建筑工业 出版社， 2 0 o 9 【 7 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