嚴寒地區軟骨料對水工混凝土凍脹破壞原因分析

李志敏++董開松++楊敏慧++劉秀良++沈渭程++李臻

摘 要：本文通過實際工程事例和試驗數據，找到了嚴寒地區軟骨料對水工混凝土凍脹破壞原因分析，客觀地說明采用天然卵石配制有抗凍要求混凝土時，應特別注意軟弱卵石產生的可能破壞對建筑物耐久性影響，提出了卵石質量評定在滿足標準要求的同時，還應對其含有的軟骨料進行專項試驗，最終保證混凝土的抗凍性能滿足要求。

關鍵詞：軟骨料； 凍脹； 破壞； 原因

1.引言

處在嚴寒地區的水電站水工建筑物外部混凝土，不同程度存在局部凍脹破壞的現象；引起這類破壞的因素較多，但由于含量5%以內軟骨料本身的原因出現的凍脹破壞與一般大面積混凝土變酥、脫落的情況有所不同。這類原因引起的凍脹破壞成點狀鼓脹脫落，破壞的面積一般為1～2cm2，深度也在2cm以內，分布無規律，但其周邊混凝土卻完好無損，大面積破壞后類似混凝土鑿毛面。筆者在實際工作中遇到的XX發電廠這種破壞情況尤為為突出。下面通過XX電廠典型的工程實例來說明造成破壞的原因。XX發電廠總裝機容量4×300WM，4座冷卻塔作為主要的水工建筑物，一期1#、2#冷卻塔99年投運，二期3#、4#冷卻塔正在工程建設中； 1#、2#冷卻塔運行近3年時間，在塔體和人字柱上發現多處點狀鼓脹、剝落破壞；破壞在建筑物分布上，相同的環境條件和混凝土強度等級，有些部位破壞相對集中，有些部位零星分布成麻面；就此問題查閱了當時的施工檢驗記錄，也未發現造成實質性破壞的直接原因；為避免正在建設中的3#、4#冷卻塔發生類似情況，針對問題開展了分析和研究工作；查找工作從原材料著手，進行了原材料力學特性檢測，化學分析，原配合比相應參數復試和對建筑物鉆孔取芯分析試驗。逐步排除其它可能性，從中找出了導致破壞的真正原因。

2.試驗檢測與分析

2.1 試驗檢測情況

XX電廠1#、2#冷卻塔及預制構件設計混凝土等級為C30F150W8。該工程主要材料：水泥為鴛鴦牌32.5R級袋裝硅酸鹽水泥；粗細骨料全部采自當地涇河邊天然料，砂的細度摸數3.12，屬粗砂。試驗室按原混凝土設計配合比進行復試，水泥用量420㎏，水灰比取0.39，摻MNC—AE型引氣劑；檢測的混凝土含氣量為4.9%，抗壓強度d28 =39.9Mpa，完全滿足設計和有關規范要求。結合現場施工記錄調查，可以排除水泥、拌和水質量、混凝土養護、粗細骨料含泥量等因素的影響。工程中所用卵石、砂的主要力學指標及堿骨料反應試驗，逐項在試驗室進行了檢驗與試驗，結果也均滿足JGJ 52—2006含有抗凍要求骨料的行業標準。

從冷卻塔同條件預制構件和環板基礎分別鉆取一組φ=100mm柱狀芯樣，并與復試混凝土抗凍試件平行進行抗凍試驗，觀察混凝土破壞外部表現特征，尋找可能破壞原因再做進一步針對性工作。抗凍試驗依據標準要求采用快凍法；三組9個試件經過24次凍融循環，其中6個試件表面即出現凍脹開裂，5個出現在柱狀芯樣上，1個出現在復試抗凍試件上，試件破壞的外觀形態相同，只是縫寬大小有別。三組試件經過52次凍融循環，全部都出現凍脹開裂。沿脹裂面剖開可清楚的發現，破壞處均有黃色的強風化軟骨料，且軟骨料也脹裂為兩瓣，僅僅52次循環軟骨料酥如黃泥而失去強度，初步斷定破壞是由此引起的。

2.2 抗凍破壞原因分析

1）抗凍破壞究竟是什么原因造成的呢？經過仔細分析和研究，確定從料場中專門選取黃色強風化軟骨料進行力學指標試驗，試驗結果與天然混合料的結果對比見下表：

從上表中顯然可以看出，按JGJ 52—2006質量標準衡量，配制有抗凍要求C35級混凝土，所用天然混合料與其密切相關的主要力學指標是滿足標準（比重≥2.5（kg/m3），壓碎指標≤16、吸水率≤2.5）的要求，但實際工程中骨料在抗凍方面卻出現了一些問題；這個工程事例充分說明有抗凍要求的骨料，在滿足質量評定標準的前提下，還應嚴格控制軟骨料含量，尤其是那些含量不高，吸水率卻較大的骨料。這類軟骨料質量輕，力學指標檢測中比重和壓碎指標的滿足性要求幾乎完全由品質好的骨料承擔，而骨料中70%以上的水卻由不到5%的軟骨料吸入，天然混合料中這種品質差別較大，平均分攤后檢測結果卻滿足質量標準，掩蓋了存在的問題，影響了本工程骨料對混凝土抗凍問題的及早發現。因此有抗凍要求的混凝土，使用天然骨料時，除進行正常質量檢驗外，還應對軟骨料的特性進行檢測和試驗，避免類似問題發生。

2）天然混合料中的黃色強風化軟骨料是導致冷卻塔出現凍脹破壞的根源，這一點試驗數據也得以證明。從環板基礎鉆取的一組φ=100mm柱狀芯樣，混凝土的實際抗壓強度為40.54Mpa。根據抗壓強度R、抗拉強度RL的經驗公式 （RL=0.58 3√R2），得出單位面積混凝土抗拉強度RL=6.84 Mpa。該類軟骨料的吸水率為17.3%，水結冰體積增加9 %產生單位平方厘米的凍脹力約為100 Mpa，則飽和狀態軟骨料的凍脹力約為17.3 Mpa （軟骨料面積中水的面積可以認為占單位面積的17.3%），因此單位面積軟骨料的凍脹力是混凝土抗拉強度RL 的2.53倍，造成混凝土凍融脹裂破壞。就該組樣中52次凍融循環后裂縫寬最小的一個試件而言，從凍裂面撥開發現裂面上主要有2塊同材質軟骨料，斷面直徑分別約為14mm、12mm，累計面積約為420.76 mm 2，凍脹力約為7.28Mpa>RL=6.84 Mpa，導致表面混凝土鼓脹脫落。凍脹力大于混凝土抗拉強度，使得軟骨料周邊混凝土開裂，凍融過程裂縫逐漸發展而外部混凝土開裂破壞。

4.結論

1） 對嚴寒地區有抗凍要求的混凝土，在骨料滿足質量評定標準的前提下，還應嚴格控制軟骨料含量，尤其是那些含量不高，吸水率卻較大的骨料。

2） 使用天然骨料時，除進行正常質量檢驗外，還應對軟骨料的特性進行檢測和試驗，才能確保骨料在應用中不發生問題。

3） 混凝土的抗凍性能不僅有混凝土生產時含氣量的控制，而且還有對軟骨料的要求，這樣才能保證混凝土的抗凍性能滿足要求，確保建筑物耐久性滿足要求。

參考文獻

[1] 水工混凝土試驗規程.DL/5150—2001

[2] 普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》 JGJ 52—2006

摘 要：本文通過實際工程事例和試驗數據，找到了嚴寒地區軟骨料對水工混凝土凍脹破壞原因分析，客觀地說明采用天然卵石配制有抗凍要求混凝土時，應特別注意軟弱卵石產生的可能破壞對建筑物耐久性影響，提出了卵石質量評定在滿足標準要求的同時，還應對其含有的軟骨料進行專項試驗，最終保證混凝土的抗凍性能滿足要求。

關鍵詞：軟骨料； 凍脹； 破壞； 原因

1.引言

處在嚴寒地區的水電站水工建筑物外部混凝土，不同程度存在局部凍脹破壞的現象；引起這類破壞的因素較多，但由于含量5%以內軟骨料本身的原因出現的凍脹破壞與一般大面積混凝土變酥、脫落的情況有所不同。這類原因引起的凍脹破壞成點狀鼓脹脫落，破壞的面積一般為1～2cm2，深度也在2cm以內，分布無規律，但其周邊混凝土卻完好無損，大面積破壞后類似混凝土鑿毛面。筆者在實際工作中遇到的XX發電廠這種破壞情況尤為為突出。下面通過XX電廠典型的工程實例來說明造成破壞的原因。XX發電廠總裝機容量4×300WM，4座冷卻塔作為主要的水工建筑物，一期1#、2#冷卻塔99年投運，二期3#、4#冷卻塔正在工程建設中； 1#、2#冷卻塔運行近3年時間，在塔體和人字柱上發現多處點狀鼓脹、剝落破壞；破壞在建筑物分布上，相同的環境條件和混凝土強度等級，有些部位破壞相對集中，有些部位零星分布成麻面；就此問題查閱了當時的施工檢驗記錄，也未發現造成實質性破壞的直接原因；為避免正在建設中的3#、4#冷卻塔發生類似情況，針對問題開展了分析和研究工作；查找工作從原材料著手，進行了原材料力學特性檢測，化學分析，原配合比相應參數復試和對建筑物鉆孔取芯分析試驗。逐步排除其它可能性，從中找出了導致破壞的真正原因。

2.試驗檢測與分析

2.1 試驗檢測情況

XX電廠1#、2#冷卻塔及預制構件設計混凝土等級為C30F150W8。該工程主要材料：水泥為鴛鴦牌32.5R級袋裝硅酸鹽水泥；粗細骨料全部采自當地涇河邊天然料，砂的細度摸數3.12，屬粗砂。試驗室按原混凝土設計配合比進行復試，水泥用量420㎏，水灰比取0.39，摻MNC—AE型引氣劑；檢測的混凝土含氣量為4.9%，抗壓強度d28 =39.9Mpa，完全滿足設計和有關規范要求。結合現場施工記錄調查，可以排除水泥、拌和水質量、混凝土養護、粗細骨料含泥量等因素的影響。工程中所用卵石、砂的主要力學指標及堿骨料反應試驗，逐項在試驗室進行了檢驗與試驗，結果也均滿足JGJ 52—2006含有抗凍要求骨料的行業標準。

從冷卻塔同條件預制構件和環板基礎分別鉆取一組φ=100mm柱狀芯樣，并與復試混凝土抗凍試件平行進行抗凍試驗，觀察混凝土破壞外部表現特征，尋找可能破壞原因再做進一步針對性工作。抗凍試驗依據標準要求采用快凍法；三組9個試件經過24次凍融循環，其中6個試件表面即出現凍脹開裂，5個出現在柱狀芯樣上，1個出現在復試抗凍試件上，試件破壞的外觀形態相同，只是縫寬大小有別。三組試件經過52次凍融循環，全部都出現凍脹開裂。沿脹裂面剖開可清楚的發現，破壞處均有黃色的強風化軟骨料，且軟骨料也脹裂為兩瓣，僅僅52次循環軟骨料酥如黃泥而失去強度，初步斷定破壞是由此引起的。

2.2 抗凍破壞原因分析

1）抗凍破壞究竟是什么原因造成的呢？經過仔細分析和研究，確定從料場中專門選取黃色強風化軟骨料進行力學指標試驗，試驗結果與天然混合料的結果對比見下表：

從上表中顯然可以看出，按JGJ 52—2006質量標準衡量，配制有抗凍要求C35級混凝土，所用天然混合料與其密切相關的主要力學指標是滿足標準（比重≥2.5（kg/m3），壓碎指標≤16、吸水率≤2.5）的要求，但實際工程中骨料在抗凍方面卻出現了一些問題；這個工程事例充分說明有抗凍要求的骨料，在滿足質量評定標準的前提下，還應嚴格控制軟骨料含量，尤其是那些含量不高，吸水率卻較大的骨料。這類軟骨料質量輕，力學指標檢測中比重和壓碎指標的滿足性要求幾乎完全由品質好的骨料承擔，而骨料中70%以上的水卻由不到5%的軟骨料吸入，天然混合料中這種品質差別較大，平均分攤后檢測結果卻滿足質量標準，掩蓋了存在的問題，影響了本工程骨料對混凝土抗凍問題的及早發現。因此有抗凍要求的混凝土，使用天然骨料時，除進行正常質量檢驗外，還應對軟骨料的特性進行檢測和試驗，避免類似問題發生。

2）天然混合料中的黃色強風化軟骨料是導致冷卻塔出現凍脹破壞的根源，這一點試驗數據也得以證明。從環板基礎鉆取的一組φ=100mm柱狀芯樣，混凝土的實際抗壓強度為40.54Mpa。根據抗壓強度R、抗拉強度RL的經驗公式 （RL=0.58 3√R2），得出單位面積混凝土抗拉強度RL=6.84 Mpa。該類軟骨料的吸水率為17.3%，水結冰體積增加9 %產生單位平方厘米的凍脹力約為100 Mpa，則飽和狀態軟骨料的凍脹力約為17.3 Mpa （軟骨料面積中水的面積可以認為占單位面積的17.3%），因此單位面積軟骨料的凍脹力是混凝土抗拉強度RL 的2.53倍，造成混凝土凍融脹裂破壞。就該組樣中52次凍融循環后裂縫寬最小的一個試件而言，從凍裂面撥開發現裂面上主要有2塊同材質軟骨料，斷面直徑分別約為14mm、12mm，累計面積約為420.76 mm 2，凍脹力約為7.28Mpa>RL=6.84 Mpa，導致表面混凝土鼓脹脫落。凍脹力大于混凝土抗拉強度，使得軟骨料周邊混凝土開裂，凍融過程裂縫逐漸發展而外部混凝土開裂破壞。

4.結論

1） 對嚴寒地區有抗凍要求的混凝土，在骨料滿足質量評定標準的前提下，還應嚴格控制軟骨料含量，尤其是那些含量不高，吸水率卻較大的骨料。

2） 使用天然骨料時，除進行正常質量檢驗外，還應對軟骨料的特性進行檢測和試驗，才能確保骨料在應用中不發生問題。

3） 混凝土的抗凍性能不僅有混凝土生產時含氣量的控制，而且還有對軟骨料的要求，這樣才能保證混凝土的抗凍性能滿足要求，確保建筑物耐久性滿足要求。

參考文獻

[1] 水工混凝土試驗規程.DL/5150—2001

[2] 普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》 JGJ 52—2006

摘 要：本文通過實際工程事例和試驗數據，找到了嚴寒地區軟骨料對水工混凝土凍脹破壞原因分析，客觀地說明采用天然卵石配制有抗凍要求混凝土時，應特別注意軟弱卵石產生的可能破壞對建筑物耐久性影響，提出了卵石質量評定在滿足標準要求的同時，還應對其含有的軟骨料進行專項試驗，最終保證混凝土的抗凍性能滿足要求。

關鍵詞：軟骨料； 凍脹； 破壞； 原因

1.引言

處在嚴寒地區的水電站水工建筑物外部混凝土，不同程度存在局部凍脹破壞的現象；引起這類破壞的因素較多，但由于含量5%以內軟骨料本身的原因出現的凍脹破壞與一般大面積混凝土變酥、脫落的情況有所不同。這類原因引起的凍脹破壞成點狀鼓脹脫落，破壞的面積一般為1～2cm2，深度也在2cm以內，分布無規律，但其周邊混凝土卻完好無損，大面積破壞后類似混凝土鑿毛面。筆者在實際工作中遇到的XX發電廠這種破壞情況尤為為突出。下面通過XX電廠典型的工程實例來說明造成破壞的原因。XX發電廠總裝機容量4×300WM，4座冷卻塔作為主要的水工建筑物，一期1#、2#冷卻塔99年投運，二期3#、4#冷卻塔正在工程建設中； 1#、2#冷卻塔運行近3年時間，在塔體和人字柱上發現多處點狀鼓脹、剝落破壞；破壞在建筑物分布上，相同的環境條件和混凝土強度等級，有些部位破壞相對集中，有些部位零星分布成麻面；就此問題查閱了當時的施工檢驗記錄，也未發現造成實質性破壞的直接原因；為避免正在建設中的3#、4#冷卻塔發生類似情況，針對問題開展了分析和研究工作；查找工作從原材料著手，進行了原材料力學特性檢測，化學分析，原配合比相應參數復試和對建筑物鉆孔取芯分析試驗。逐步排除其它可能性，從中找出了導致破壞的真正原因。

2.試驗檢測與分析

2.1 試驗檢測情況

XX電廠1#、2#冷卻塔及預制構件設計混凝土等級為C30F150W8。該工程主要材料：水泥為鴛鴦牌32.5R級袋裝硅酸鹽水泥；粗細骨料全部采自當地涇河邊天然料，砂的細度摸數3.12，屬粗砂。試驗室按原混凝土設計配合比進行復試，水泥用量420㎏，水灰比取0.39，摻MNC—AE型引氣劑；檢測的混凝土含氣量為4.9%，抗壓強度d28 =39.9Mpa，完全滿足設計和有關規范要求。結合現場施工記錄調查，可以排除水泥、拌和水質量、混凝土養護、粗細骨料含泥量等因素的影響。工程中所用卵石、砂的主要力學指標及堿骨料反應試驗，逐項在試驗室進行了檢驗與試驗，結果也均滿足JGJ 52—2006含有抗凍要求骨料的行業標準。

從冷卻塔同條件預制構件和環板基礎分別鉆取一組φ=100mm柱狀芯樣，并與復試混凝土抗凍試件平行進行抗凍試驗，觀察混凝土破壞外部表現特征，尋找可能破壞原因再做進一步針對性工作。抗凍試驗依據標準要求采用快凍法；三組9個試件經過24次凍融循環，其中6個試件表面即出現凍脹開裂，5個出現在柱狀芯樣上，1個出現在復試抗凍試件上，試件破壞的外觀形態相同，只是縫寬大小有別。三組試件經過52次凍融循環，全部都出現凍脹開裂。沿脹裂面剖開可清楚的發現，破壞處均有黃色的強風化軟骨料，且軟骨料也脹裂為兩瓣，僅僅52次循環軟骨料酥如黃泥而失去強度，初步斷定破壞是由此引起的。

2.2 抗凍破壞原因分析

1）抗凍破壞究竟是什么原因造成的呢？經過仔細分析和研究，確定從料場中專門選取黃色強風化軟骨料進行力學指標試驗，試驗結果與天然混合料的結果對比見下表：

從上表中顯然可以看出，按JGJ 52—2006質量標準衡量，配制有抗凍要求C35級混凝土，所用天然混合料與其密切相關的主要力學指標是滿足標準（比重≥2.5（kg/m3），壓碎指標≤16、吸水率≤2.5）的要求，但實際工程中骨料在抗凍方面卻出現了一些問題；這個工程事例充分說明有抗凍要求的骨料，在滿足質量評定標準的前提下，還應嚴格控制軟骨料含量，尤其是那些含量不高，吸水率卻較大的骨料。這類軟骨料質量輕，力學指標檢測中比重和壓碎指標的滿足性要求幾乎完全由品質好的骨料承擔，而骨料中70%以上的水卻由不到5%的軟骨料吸入，天然混合料中這種品質差別較大，平均分攤后檢測結果卻滿足質量標準，掩蓋了存在的問題，影響了本工程骨料對混凝土抗凍問題的及早發現。因此有抗凍要求的混凝土，使用天然骨料時，除進行正常質量檢驗外，還應對軟骨料的特性進行檢測和試驗，避免類似問題發生。

2）天然混合料中的黃色強風化軟骨料是導致冷卻塔出現凍脹破壞的根源，這一點試驗數據也得以證明。從環板基礎鉆取的一組φ=100mm柱狀芯樣，混凝土的實際抗壓強度為40.54Mpa。根據抗壓強度R、抗拉強度RL的經驗公式 （RL=0.58 3√R2），得出單位面積混凝土抗拉強度RL=6.84 Mpa。該類軟骨料的吸水率為17.3%，水結冰體積增加9 %產生單位平方厘米的凍脹力約為100 Mpa，則飽和狀態軟骨料的凍脹力約為17.3 Mpa （軟骨料面積中水的面積可以認為占單位面積的17.3%），因此單位面積軟骨料的凍脹力是混凝土抗拉強度RL 的2.53倍，造成混凝土凍融脹裂破壞。就該組樣中52次凍融循環后裂縫寬最小的一個試件而言，從凍裂面撥開發現裂面上主要有2塊同材質軟骨料，斷面直徑分別約為14mm、12mm，累計面積約為420.76 mm 2，凍脹力約為7.28Mpa>RL=6.84 Mpa，導致表面混凝土鼓脹脫落。凍脹力大于混凝土抗拉強度，使得軟骨料周邊混凝土開裂，凍融過程裂縫逐漸發展而外部混凝土開裂破壞。

4.結論

1） 對嚴寒地區有抗凍要求的混凝土，在骨料滿足質量評定標準的前提下，還應嚴格控制軟骨料含量，尤其是那些含量不高，吸水率卻較大的骨料。

2） 使用天然骨料時，除進行正常質量檢驗外，還應對軟骨料的特性進行檢測和試驗，才能確保骨料在應用中不發生問題。

3） 混凝土的抗凍性能不僅有混凝土生產時含氣量的控制，而且還有對軟骨料的要求，這樣才能保證混凝土的抗凍性能滿足要求，確保建筑物耐久性滿足要求。

參考文獻

[1] 水工混凝土試驗規程.DL/5150—2001

[2] 普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》 JGJ 52—2006