辽宁西部地区水工混凝土冻融破坏分析及治理技术措施研究

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摘要：通过分析辽宁西部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。

关键字：水工混凝土；冻融破坏；水灰比；抗冻性

中图分类号： TU528 文献标识码： A 文章编号：

1引言

辽宁位于我国东北部，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。本文主要通过对辽宁西部地区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。

2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。本文结合近年来辽宁西部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。

辽宁西部地区水工混凝土建筑物冻融破坏特征

3水工混凝土冻融破坏分析

3.1冻融破坏机理

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，混凝土内部孔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。

3.2混凝土本身因素

3.2.1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、C3A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。

（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。

3.2.2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、坍落度偏大等都对混凝土的抗冻性都会产生不良的影响。

3.2.3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，尤其在辽宁西部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。

3.2.4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。

3.2.5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。

4防治措施

4.1混凝土本身防治措施

4.1.1原材料控制措施

（1）水泥：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混凝土，宜选用中热硅酸盐水泥或硅酸盐水泥；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；

（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。

（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。

（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间、抗压强度。

4.1.2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。

（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。

（7）有抗冻要求的混凝土，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80%。

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。

（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20d，有特殊要求的混凝土可以延长养护时间。

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。可用于混凝土表面防护材料如下：

1、SK通用型水泥基渗透型防水涂料，该材料由普通硅酸盐水泥、特种水泥、石英砂、多种添加剂等原材料组成，可直接应用于混凝土表面，其生成物能渗入混凝土的微孔和缝隙中，在混凝土表面形成附着力极强的密实、坚硬涂层，进一步起到防水、抗冰冻作用；施工方便，易于涂刷，不流挂，立面和顶面施工性能好。

2、SK-PCS复合防水材料，该材料由有机材料和无机材料复合而成的双组分的环保型防水材料，它既具有有机材料弹性变形性能好又具有无机材料耐久性好等优点。可以全面提高混凝土的抗渗能力，延缓混凝土的碳化，提高混凝土的耐久性。该材料施工简单方便，可喷涂或涂刷，并可直接在潮湿面上施工。

3、喷涂聚脲弹性体材料，该材料的主要特性是：无毒、优异的综合力学性能、较高的抗冲耐磨性、良好的防渗效果、较好的低温柔性、耐腐蚀性：在水、酸、碱、油等介质中长期浸泡，性能不降低；固化反应速度极快，解决了以往喷涂工艺中易产生的流挂现象，可在任意曲面、斜面及垂直面上喷涂成型，涂层表面平整、光滑，对基材形成良好的保护和装饰作用。

3.6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0.5～1.5m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）冬季排干渠道、涵管、渡槽等内的积水。

5结论

辽宁西部地区水工混凝土冻害原因与其它北方寒区有相似之处，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。但由于冬季辽宁西部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，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。

参考文献：

[1]长江水利委员会长江科学院（主编）. DL/T 5330-2005水工混凝土配合比设计规程[S]. 北京：中国电力出版社,2006.

[2]中国水利水电科学研究院,南京水利科学研究院（主编）. SL 352-2006水工混凝土试验规程[S]. 北京：中国水利水电出版社,2006.

[3]东北勘测设计研究院（主编）. DL/T 5082-1998水工建筑物抗冻设计规范[S]. 北京：中国电力出版社,2004.