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)在實踐中處理混凝土的凍融破壞的方法。

關鍵詞：混凝土；凍融破壞；預防；修補；措施

一、引言

混凝土是當代最主要的土木工程材料之一。由于其良好的抗?jié)B性、耐久性及原材料來源廣且生產工藝簡單、能耗低的特點被廣泛應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。已實施的灌區(qū)節(jié)水工程襯砌段渠道水利用系數平均提高0.156，全灌區(qū)渠道水利用系數由0.42提高到0.443，減少了水量的損失。但是我們也應該看到由于混凝土結構的工作環(huán)境比較惡劣，必然受到水流、氣溫、風砂等的影響。當野外溫度較低時，混凝土會因為凍融循環(huán)而發(fā)生破壞，由此需要很大的代價來維修和重建，這已成為灌區(qū)反復投入大量的人力、物力而未能根本解決的問題之一，造成極大的浪費。

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，嚴重時可能露出石子。在混凝土受凍過程中，冰凍應力使混凝土產生裂紋。冰凍所產生的裂紋一般多而細小，因此，在單純凍融破壞的場合，一般不會看到較粗大的裂縫。但是，在凍融反復交替的情況下，這些細小的裂紋會不斷地擴展，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，而且導致混凝土力學性能的顯著降低。大量試驗研究表明：隨著凍融次數的增加，混凝土的強度特性均呈下降趨勢 ，其中反映最敏感的是抗拉強度和抗折強度，即隨著凍融次數的增加，混凝土的抗拉強度和抗折強度迅速下降，而抗壓強度下降趨勢較緩。

（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)下能經受多次凍融循環(huán)而不破壞，同時強度不嚴重降低的性能而且其質量也不顯著減小的性質。影響混凝土抗凍性能的因素有以下幾個方面的：一是水泥的品種；二是骨料的性質；三是混凝土的密實度；四是混凝土的強度等級；五是混凝土的孔隙構造和數量以及孔隙的充水程度；六是混凝土的水灰比；七是混凝土結構的尺寸。在相同條件下， 混凝土構件的尺寸越小， 混凝土構件越容易發(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量

這是提高混凝土抗凍性最直接、有效的辦法。對混凝土的施工質量，我們必須做到嚴要求高標準，做到攪拌透徹、澆筑均勻、振搗密實，絕不允許出現(xiàn)蜂窩、麻面以及完工后注意加強養(yǎng)護。

（二）努力減小水灰比，提高混凝土密實度

水灰比的大小是影響混凝土密實度的主要因素，提高混凝土的抗凍性，必須從降低水灰比入手。生產實踐證明摻入水泥重量的0.5%～1.5%時，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、流動性和可塑性；提高混凝土的抗折強度，當含氣量為3%～5%時，抗折強度提高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性能。摻入減水劑能顯著改善混凝土的孔隙結構，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素、糖蜜、MF復合劑、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了普通混凝土的抗拉強度、耐磨、耐蝕、抗?jié)B、抗沖擊等性能，并改善混凝土的和易性。

（五）摻入防凍劑或早強劑

防凍劑可以大幅度降低拌合水的冰點，防止在塑性狀態(tài)和早期混凝土內部水分結冰膨脹，凍傷混凝土且對混凝土強度性能沒有明顯危害。防凍劑常用于負溫條件下施工的混凝土。目前國產防凍劑品種適用于0～–15℃的氣溫，當在更低的氣溫下施工時，應增加其他混凝土冬期施工的措施，如蓄熱法、暖棚法以及原料預熱法。早強劑可促進水泥的水化和硬化進程，縮短混凝土的凝結時間，提高早期強度特別適用于冬期施工。目前廣泛使用的混凝土早強劑有三種，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牡膹秃显鐝妱＝鼛啄陙砉こ讨惺褂玫臒o氯鹽早強減水劑和防凍劑，對鋼筋無銹蝕作用，在–10℃左右氣溫條件下使用，使混凝土具有較強的抗凍害能力，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，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混凝土，氣孔結構有很大的改善。硅粉對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，設計灌溉面積70萬畝，有效灌溉面積42.5萬畝，為國家大II型灌區(qū)。灌區(qū)內配套工程毀壞嚴重，建筑物老化失修，渠道滲漏嚴重，水量損失較大，我們從2005年起爭取到國家資金9130萬元，對唐河灌區(qū)進行了節(jié)水改造工程建設。灌區(qū)屬溫帶大陸性季風氣候，冬季溫度較低，極端最低溫度更是達到-20℃。因此灌區(qū)內渠道混凝土襯砌表面的凍融破壞現(xiàn)象較為突出。我們在實際工作中也極為重視，經過我們的反復研究、實踐，結合灌區(qū)正在進行節(jié)水改造工程建設實踐及國內外先進的混凝土表面加固技術，取得了以下幾點經驗。我們可以從以下兩個方面入手。

（一）在混凝土施工前采取相關措施預防凍害

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，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），二是應根據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，三是嚴格控制混凝土的配合比，應根據工程需要和現(xiàn)場環(huán)境，參考有關資料并通過實驗確定相關參數。

（二）在凍害發(fā)生以后采取以下修補加固的措施

①水泥砂漿修補，適用于輕微的表層破壞，砂漿強度不得低于原混凝土強度，以相同為宜。②預縮砂漿修補，常用語修補處于高流速區(qū)的表層缺陷③鋼纖維噴射混凝土修補法，在具體操作時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。在采用強制式攪拌機拌合時，要尤其注意加料時絕不能直接將鋼纖維加到膠凝材料中，否則會結團。④噴漿混凝土修補法，噴混凝土與普通混凝土相比，具有密實性好、強度高、快速、高效、不用模板以及把運輸、澆筑、振搗結合在一起的優(yōu)點。⑤壓漿混凝土修補，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，亦可用于水下加固。最后，在實際工作中具體選用哪種修補辦法還應根據實際情況確定，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《渠道防滲工程技術規(guī)范》（SL18-2004）結合實際地形特點，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，強度為C15，抗?jié)B等級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。襯砌混凝土順水流方向每隔4m設橫向伸縮縫1道，縱橫向伸縮縫寬度均為2cm，縫內填建筑油膏。施工中我們嚴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規(guī)范，混凝土必須振搗密實。由于是在冬季施工，雖然我們采取了一些冬期措施，可是因為施工時的溫度急劇下降加之不久后灌區(qū)進行了冬灌，使混凝土襯砌面長時間浸泡在水里。當來年春灌結束后，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的方法，在實際工作中，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、老砂漿及鋼板粘結強度高的優(yōu)點，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、結語

誠然，混凝土凍融的問題比較復雜，而且受許多因素的影響，其檢測手段與預防對策還有待于進一步分析研究。這就要求我們對待混凝土凍融問題要更加謹慎，多做實驗，從實際出發(fā)，找準問題的關鍵才能更加有效的指導實踐。

參考文獻：

[1]張士萍，鄧敏，唐明述.混凝土凍融循環(huán)破壞研究進展[J].材料科學與工程學報，2008（06）.

[2]全國一級建造師執(zhí)業(yè)資格考試用書編寫委員會.水利水電工程管理與實務[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

（作者單位：河北省保定市西大洋水庫管理處）