浅谈混凝土衬砌渠道内积水表层冻融破坏及防治措施.pdf

5 8 水利建设与管理 2 0 1 0年第 2期 纛 潺凝 毫 键 硼 I慕遘 积 水 表 层 冻 融 爱 国潼鳓 张 灵瑛 ( 山西省汾河灌溉管理局 太原0 3 0 0 0 2 ) 【 摘要】 本文通过混凝土衬砌渠道 内积水表层经过冬季冻融的观测，介绍了冻融破坏对混凝土衬砌渠道的影响， 对混凝土冻融破坏机理进行了分析， 并提出了防治措施。 【 关键词】 混凝土衬砌渠道积水表层冻融破坏防治措施 冻融破坏是我国东北 、 西北和华北及高 山寒冷地区 水工混凝土建筑在运行过程中产生的主要病害。 本文通 过在灌 区新建混凝土衬砌 实验段渠道 内积水表层 一个 冬季冻融对混凝土衬砌渠道破坏程度 的观测 ， 对混凝土 冻融破坏机理进行了分析 ， 提出一些混凝土冻融破坏的 防治措施。 1 混凝 土 衬砌 渠 道 实验 段 不 同结 构 区域 划 分 及 施 工 时间 结合 近年汾河灌 区节水 工程 ，在一 坝灌 区西 干渠 混凝 土衬 砌渠 道 5 0 0 m实验 段进 行冬 季冻 融 观测 ， 该 渠段设 计为混 凝土加 土工膜衬 砌结构 ，梯形断 面 ， 每 5 m设一道横 向伸缩 缝 。根据 试验要 求 ， 将 5 0 0 m试验 渠段设 计为弧脚 梯形 断面 ，按 不 同混凝 土防渗厚 度 、 有无 土工膜及 8 1 0钢筋 网、施 工形式 等分为 l 3个 区域 。 根据 实际情况 ， 分 两年 施工完成 。 2 0 0 7年完成 了 的部分结构 型式 的施 工 ，当年投 入运行 ； 2 0 0 8年将观 测设 备按 要求 分别 埋设 在 不 同结构 的 1 3 个 区域 内 ， 并且按 照有关工 序进行施 工 ， 完成后也 于 当年 投入运 行 。表 1为 5 0 0 m试 验段 1 3种 混凝 土 防渗 结构 型式 情况 。 表 1 5 0 0 m试验段 1 3种混凝土防渗结构形式 结构种类 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 l 1 2 1 3 防渗长度 ( m) 1 5 2 5 2 5 2 5 2 5 2 5 2 5 2 5 2 5 1 4 5 2 5 9 0 2 5 混凝 土厚度 m) 8 1 0 1 0 1 0 1 0 1 2 1 2 1 2 1 2 2 0 1 5 1 5 1 5 加二 布一膜 有 有 有 无 无 无 无 有 有 有 有 有 有 加 t h 8 l O钢筋网 有 有 无 有 无 无 有 无 有 无 无 无 无 2 0 0 7年实施长度 5 l 5 1 5 1 5 1 5 1 5 1 5 1 5 1 5 l 2 5 1 5 7 5 1 5 2 0 0 8年实施长度 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 l 0 2 0 1 0 1 5 1 0 备 注 第 1 1种 ： 底 部现浇坡 部为 2 4 8 c mX 4 9 c mx l 5 c m预制板 第 1 3种 ： 底部现浇坡部为 4 9 c m x 4 O c mx l 5 e m预制板 2 混凝土衬砌实验段渠 道 内积水表层冻 融破坏 观测 混凝 土衬砌 实验段运 行情况 为 ： 2 0 0 7年完 成 的渠 段 ， 其早 春浇 、 晚春 浇 、 夏浇和秋 冬浇每 年行水 1 0 0余 天 ， 运行 了两个年份 ， 经过 了两个寒冷冬季的正常运行 ； 2 0 0 8年完成的渠段 ， 运行了一个年份 ， 经过 了一个寒冷 冬季 的正常运行 。通过一个冬季的仔细观测 比较 ， 发现 张灵瑛， 浅谈混凝土衬砌渠道 内积水表层冻融破坏及防治措施 5 9 混凝土衬砌实验段 渠道 内积水表层 一定范 围内冻融破 坏的程度不同。 2 1 浅水层( 水层厚度 l 0 1 5 c m) 表层冻融破坏现象 在实验段进行 了定期观测 ， 渠底水层厚度 1 0 1 5 e ra 时 ， 整个 冬季几 乎全部结冰 ， 其 表层 附近冻融破 坏现象 随 阴阳坡 、 工程运行时间长短等条件 而不 同。分别反映 在 阳坡坡脚 即结冰 表层上 下 l O o m范 围内冻融 破坏较 严重 ，破坏形状特征 为部分表 面混凝 土剥蚀 、酥松剥 落 ， 渠底 没有发 生破坏 ； 工 程运行 时 间长 即 2 0 0 7年 实 施 的渠段水层表层冻融 破坏较严重 。而阴坡结冰表层 附近冻融破坏现象较轻 ， 大部 分未出现冻融破 坏 ， 只有 少许渠段在水层表层 附近出现轻微 的表 面混凝土剥蚀 现象 ； 工程运行时 间短 即 2 0 0 8年实施 的渠段 水层表层 冻融破坏较轻 。 2 - 2 深水层( 水层厚度 5 0 6 0 c m) 表层冻融破坏现象 在实验段 ， 为观测方便 ， 在第 1 种结构处打堰 ， 使其水 深达到 5 0 6 0 c m 然后进行定期观测。整个冬季 5 0 6 0 e m 水层也几乎全 部结冰 ，其表层附近冻融破坏现象随阴阳 坡 、 工程运行时间长短等条件下也不同。分别反映在 阳坡 坡面距渠底 5 0 6 0 c m 即结冰表层上下 8 e m范围内冻融破 坏较严重 ， 破坏形状特征也是部分表面混凝土剥蚀 、 酥松 剥落， 但结冰表层 l 5 c m以下未发现有冻融破坏现象 ， 渠底 没有发生冻融破坏 ；工程运行时间长即 2 0 0 7年实施的渠 段水层表层冻融破坏较严重。 而阴坡结冰表层附近冻融破 坏现象较轻 ， 大部分未 出现冻融破坏 ， 只有少许渠段在水 层表层附近出现轻微的表面混凝土剥蚀现象； 工程运行时 间短即 2 0 0 8年实施的渠段水层表层冻融破坏也较轻。 表 2 为 5 0 0 m试验段 1 3 结构水层表层冻融破坏 比较情况。 表 2 5 0 0 m试验段 1 3结构水层表层冻融破坏比较 结构种类 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 O l 1 1 2 l 3 防渗长度( m) 1 5 2 5 2 5 2 5 2 5 2 5 2 5 2 5 2 5 1 4 5 2 5 9 0 2 5 阳坡冻融破坏长度( m 1 6 1 7 1 5 1 3 6 1 2 8 1 3 1 1 9 5 5 3 2 5 阴坡冻融破坏长度( m) 5 8 8 7 3 6 5 7 9 3 6 3 1 5 3 浅水层冻融破坏面积( m2 ) 2 2 5 4 6 4 1 8 3 6 2 6 4 4 2 6 2 4 9 4 1 6 深水层冻融破坏面积( m 2 ) 1 8 2 3 5 2 8 1 4 2 7 2 3 2 9 2 0 1 2 7 1 _ 2 3 混凝 土冻 融破 坏机理分析 吸水饱和的混凝土在冻融过程中， 遭受的破坏应力主 要由两部分组成。 一是当混凝土中的毛细孔水在某负温下 发生物态变化 ， 由水转变成冰时 ， 体积膨胀 9 ， 因受毛细 孔壁约束形成膨胀压力 ， 从而在孔周围的微观结构中产生 拉应力 ； 二是当毛细孔水结成冰时 ， 由凝胶孔 中过冷水在 混凝土微观结构中的迁移和重分布引起的渗管压。由于表 面张力的作用 ， 混凝土毛细孔隙中水的冰点随着孔径的减 小而降低。 凝胶孔水形成冰核的温度在一 7 8 C 以下 ， 因而由 冰与过冷水 的饱 和蒸汽压差和过冷水之间的盐分浓度差 引起水分迁移而形成渗透压力。 另外凝胶不断增多 ， 形成更大膨胀 压力 ， 当混 凝土 受冻 时 ， 这两种压力会损伤混凝土 内部 微观结构 ， 只有 当经过反 复多次 的冻融循 环以后 ， 由于损伤逐步积 累、 不断扩大 ， 发展 成互相 连通的裂缝 ， 使 混凝土 的强度逐 步降低 ， 最后甚 至完全丧失 。从实 际中不难 看 出， 处在 干燥 条件的混凝 土显 然不存在冻融破 坏的问题 ，所 以 饱 水状态 是混凝 土发 生冻融破 坏 的必要条 件之一 ， 混 凝土水 化结硬后 ，内部有很 多毛细孔 。在浇 筑混凝土 时 ， 为得到必要 的和易性 ， 用水 量往往会 比水 泥水化所 需要 的水多些 ， 多余 的水分就 留在混凝土毛细孔 中。另 一 必要条件是外界气 温正负变化 ，使 混凝土孔 隙中的 水反复发生冻融循环 ，低温时水分 因结冰产生体积膨 胀 ， 引起 混凝 土 内部结构 破坏 ， 反 复冻融 多次 ， 就会使 混凝 土的损伤累积达 到一定程度而 引起 结构破坏 。这 两个必要 条件 ，决定 了混凝 土冻融破坏是从 混凝土表 面开始 的层层剥蚀破坏 。 实验段渠道积水表层经过冬季冻融对衬砌渠道的混 6 0 张灵瑛 浅谈混凝土衬砌 渠道 内积水表层冻融破坏及 防治措施 凝土表面剥蚀现象就说明了这一点， 阳坡积水层表层附近 冻融循环较阴坡冻融循环时间长、 次数多， 所以阳坡积水 层表层附近冻融破坏比阴坡严重。 4 影 响混凝土冻融破坏的主要 因素 影响混凝土冻融破坏的因素是多方面的。 a 组成混凝土的主要材料性质的影响。混凝土集料 中的某些活性矿物与混凝土微孔 中的碱性溶液产生化学 反应称为碱集料反应。碱集料反应产生的碱一硅酸盐凝 胶 ， 吸水后会产生膨胀 ， 体积可增大 3 4倍 ， 从而使混凝 土的剥落 、 开裂 、 强度降低 ， 甚至导致破坏。如水泥品种、 水泥中不同矿物成分对混凝土的耐久性影响较大 ，又如 骨料 的影响，除了骨料本身的质量对混凝土的抗冻性的 影响以外 ，骨料的渗透性和吸湿性对混凝土的抗冻性也 有决定性的作用 ； 实验段分两年进行施工 ， 由于混凝土的 主要材料水泥及骨料不是当年采用 的品种 ，所以两 年的工程外观颜色深浅有一些 区别 ，深颜色是前一年施 工的， 浅颜色是当年施工的 ， 深颜色的部分冻融破坏较浅 颜色的严重。 b 外加剂的影响。 在混凝土施工过程中掺人引气剂或 减水剂对改善混凝土的内部结构 、 改善混凝土的内部孔隙 结构可起 到缓冲冻胀 的作用 ， 大大降低了冻胀应力 ， 提高 了混凝土的抗冻性。 e 施工工艺的影响。 配合 比， 混凝土的施工 、 硬化条件 等都与混凝土的耐久性有密切的关系 ， 同时混凝土中的单 位用水量是影响混凝土抗冻性的一个重要因素。 d 施工质量的影响。混凝土施工质量的好坏 ， 将影响 它的抗冻性。 e 水位变化的影响。 寒冷季节水位变化会引起混凝 土的严重冻融破坏 ，由于实验段在冬季前的 1 1 月 中下 旬进行 了灌溉供水 ， 供水完成后有部分水没有及 时排退 干净 ， 因此产生了渠道 内积水表层有部分冻融破坏现象 发生 。 5 混凝土冻融破坏 的防治措 施 混凝土冻融破坏对工程危害较大 ， 破坏形状特征有表 面酥松剥蚀脱落、 深层冻融裂缝及冻胀破坏结构等。 因此 ， 应该多方面采取措施进行防治。 f1 优化结构设计和建筑材料选择。结合当地气候条 件 ， 将混凝土 的设计强度提高， 并因地制宜选择密实度较 高的骨料 ； 水泥选用抗冻能力较强的普遍硅酸盐水泥和水 工专用水泥，杜绝使用火山灰质硅酸盐水泥和矿渣水泥， 水泥标号必须大于 3 2 5号 ， 从各种原材料上保证建筑抗冻 要求。 b 做好工艺控制 ， 提高工程施工质量。为了保证施工 质量 ， 应该采取多种工艺控制措施。首先严格按照设计配 合比拌和水泥砂浆 ， 降低水灰 比， 减少混凝土中多余 的水 分， 正确填加防冻剂和其他复合外加剂。 其次 ， 严把施工质 量关 ， 不允许出现蜂窝、 麻面 ， 做到振捣密实并且表面要压 实光滑 ， 冬季施工时 ， 应加强养护 ， 防止早期受冻， 从质量 上满足防渗防冻要求。 e 加强渠道运 行管理 。渠道冬季运行 治理是减少 渠道冻融不 可忽视 的重要环节 。由于每年冬季 灌溉结 束 时气候较低 ， 要尽快 做好 渠道排 水 ， 尽量不 积水 ， 减 少对混凝土衬砌渠道及建 筑物的渗入 。对渠道 两侧 向 渠 内渗水较 多的部位 ， 采取对渠墙外填土夯实 的措施 ， 降低墙外土体 的含水 量 ，把冻土膨胀和渠 道中水体结 冰对渠坡 的破坏减少 到最 低程度 。发现有冻融破 坏现 象 时应该及 时采取修补措施 ， 以延长工程 的使用寿命 ， 保证正常运用。 6 结语 通过 实验段 渠道 内积水表层 一个冬季冻融 对混凝 土衬砌渠道破坏程 度的观测 ，基本 了解 了混凝 土衬砌 渠道冬季冻融破坏 的过程和程度 ，对今 后研究和解决 混凝 土衬砌 渠道防渗防冻 问题及应 采取的防治措施有 着很大 的帮助。可 以得 出以下结论 ： 对于灌溉渠道及水 工建筑物混凝土冻融破坏 ， 应坚持 防重于治的原则 。首 先根据混凝 土所处 的环境 ， 合理进行配合 比设计 ( 水泥 品种 的选择 、 外加剂 的选用等 ) ； 其次是严 把施工 质量 关 ， 加强工 程运行 中的养护管理 ， 发现冻 融破坏 及时采 取 防范保护 和修补措施 ， 以延长工程 的使用 寿命 ， 保证 工程正常运行。A