冰凍對水工混凝土破壞的原因分析及解決措施

鄒麗

【摘 要】本文對于水工混凝土受到冰凍損壞的情況進(jìn)行了講解，給出了其原因，并針對這些原因給出了一些防護(hù)措施和解決辦法。

【關(guān)鍵詞】水工混凝土；冰凍破壞；原因；防治

混凝土材料其有著吸水性，加上周圍的環(huán)境長期都是水，所有材料內(nèi)部的水分含量比較高，如果在低溫的條件下，就容易產(chǎn)生冰，冰的體積要大于水的體積，因此就會(huì)膨脹。當(dāng)膨脹的作用力超過了混凝土的應(yīng)力承受范圍就會(huì)破壞混凝土結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生裂縫，吸水性就會(huì)提升，周而復(fù)始的就會(huì)導(dǎo)致混凝土最終的損壞。混凝土冰凍破壞的情況在我國的北部地區(qū)屬于常見情況，各大、中、小混凝土工程中都有著不同程度的冰凍破壞情況。

1.冰凍對水工混凝土建筑物的破壞

水工混凝土建筑產(chǎn)生冰凍破壞，表面酥松，呈現(xiàn)片層脫落，建筑強(qiáng)度降低，影響其正常的使用。

混凝土是由水泥漿砂以及骨料組成，他們都是具有微細(xì)毛孔的多孔體。進(jìn)行混凝土攪拌的時(shí)候，需要保證期和易性，因此需要加入一些拌合水，其總量要大于水泥的水化水。這些多出來的水，就會(huì)滯留在混凝土中，在連通的毛細(xì)孔中，占據(jù)了一些體積。這些毛細(xì)孔水就是混凝土受到凍害的主要內(nèi)因。水在液體和固體的兩個(gè)狀態(tài)下，體積存在差異，水遇冷變成固體的時(shí)候，其體積要增加，因此產(chǎn)生膨脹，導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到破壞?；炷撂幱诒Ｋ疇顟B(tài)時(shí)，當(dāng)毛細(xì)孔中的水結(jié)冰，膠凝孔中的水就處于過冷狀態(tài)。因?yàn)榛炷量紫吨行纬杀说臏囟仍?78℃以下。膠凝孔中處于過冷狀態(tài)的水分因?yàn)槠湔羝麎焊哂谕瑴囟认卤恼羝麎憾蛎?xì)孔中冰的界面處滲透。于是在毛細(xì)孔中又產(chǎn)生一種滲透壓力。而且，膠凝水往毛細(xì)孔滲透的時(shí)候受到兩種壓力，當(dāng)他們超過了混凝土抗拉強(qiáng)度的時(shí)候，混凝土就出現(xiàn)裂痕，長期如此就會(huì)不斷的擴(kuò)大化，最終形成了破壞。

2.影響混凝土抗凍性的主要因素

混凝土抗凍性跟混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、水飽和情況、受凍期限、強(qiáng)度等等均有聯(lián)系?；炷恋膹?qiáng)度又是受到水灰比的影響，以及外加劑和養(yǎng)護(hù)措施的關(guān)聯(lián)。

2.1水灰比

水灰比是對混凝土孔隙和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響的最直接因素。水灰比的不斷提升，其水飽和孔體積就會(huì)增加，平均孔徑也會(huì)增加，混凝土就具有較低的抗凍性。國內(nèi)外對于不同環(huán)境下的混凝土最大水灰比和最小水泥用量都有詳細(xì)的規(guī)定。

2.2含氣量

含氣量是對混凝土抗凍性產(chǎn)生影響的主要因素，尤其是在添加引氣劑后產(chǎn)生的微細(xì)孔洞，對抗凍性具有非常大的提升。這些細(xì)微的氣孔相互沒有連通性，在毛細(xì)孔的水受凍的時(shí)候，能夠緩解期靜水壓力，起到降壓的目的?；炷潦軆鼋Y(jié)冰的時(shí)候，孔隙具有抑制水泥漿產(chǎn)生微小冰體的作用。

2.3混凝土的飽水狀態(tài)

飽水程度也是混凝土凍害的關(guān)鍵因素。通常來說，含水量低于總孔隙體積的91.7%就不會(huì)形成凍結(jié)膨脹壓力，這個(gè)是最大的飽水度。混凝土完全飽水的時(shí)候，是其凍結(jié)膨脹壓力最大的時(shí)候?；炷恋娘査群彤?dāng)?shù)氐沫h(huán)境以及氣候還有混凝土結(jié)構(gòu)有關(guān)系。

2.4混凝土受凍齡期

混凝土的抗凍性會(huì)隨著齡期的增長而提升，混凝土的齡期越長，其水泥水化程度就越高，強(qiáng)度就越大，所有對于膨脹的抵抗力就越大。

2.5水泥品種及集料質(zhì)量

水泥活性越大，混凝土的抗凍性就越好。普通硅酸鹽水泥混凝土抗凍性比混合水泥混凝土的抗凍性要強(qiáng)?；炷良蠈炷量箖鲂缘挠绊懼饕羌献陨淼目箖鲂?。

2.6外加劑及摻合料的影響

減水劑、引氣劑及引氣減水劑等外加劑具有高山混凝土抗凍性的作用。引氣劑是增加混凝土含氣量，減水劑是降低水灰比，讓孔隙數(shù)量可以少一些，都是可以提升混凝土抗凍性的物質(zhì)。

3.冰凍對水工建筑物的破壞形式

水工建筑受到冰凍破壞的類型因?yàn)椴煌蛩囟a(chǎn)生了以下幾種類型：

3.1冰推破壞

當(dāng)水位的變化不大時(shí)，冰層膨脹時(shí)產(chǎn)生的靜冰壓力吧土壩的護(hù)坡給推起來，形成了破壞。我國的東北、西北等等寒冷地區(qū)的水庫就比較容易出現(xiàn)這樣的凍壞。冰推破壞程度受坡土的凍脹壓力大小以及坡土結(jié)構(gòu)有聯(lián)系。當(dāng)冰層的冰推力要大于抗冰推強(qiáng)度的時(shí)候，就會(huì)出現(xiàn)破壞現(xiàn)象。當(dāng)壩坡的抗冰推力大于冰層間的冰推力的時(shí)候，就會(huì)形成凍結(jié)面剪開的情況，這樣護(hù)坡不會(huì)受到嚴(yán)重的破壞。

3.2冰撥破壞

冰層和護(hù)坡破壞在一起，庫水位上升時(shí)，護(hù)坡板 （塊）、齒墻等被拔起，旋轉(zhuǎn)或松動(dòng)。庫水位下降時(shí)，因冰塊與護(hù)坡凍結(jié)在一起，護(hù)坡受到向冰面下降的彎矩，故護(hù)坡板翹起，齒墻向庫內(nèi)傾斜。庫水位下降愈快，冰拔現(xiàn)象愈嚴(yán)重，特別是當(dāng)護(hù)坡板（塊）尺寸很小時(shí)，表面粗糙或整體性差的預(yù)制板、塊石護(hù)坡等，其冰拔破壞更為嚴(yán)重。

3.3凍冰沖擊破壞

主要發(fā)生在初春解凍時(shí)，庫內(nèi)凍裂成塊，在風(fēng)力與水力作用下向壩坡涌進(jìn)，大量冰塊補(bǔ)推上壩坡甚至超過壩頂，導(dǎo)致壩坡及防浪墻被沖擊破壞。

4.水工建筑物凍害的防治措施

水工建筑物受冰害的主要部位有護(hù)坡、溢洪道閘門，輸水，泄水建筑物的進(jìn)水口閘門，攔柵及支架，以及進(jìn)口兩側(cè)的導(dǎo)墻等。除在結(jié)構(gòu)上采取防凍加強(qiáng)措施外，對已建工程可以采用其它必要的防冰凍措施。通過幾年的工作，積累總結(jié)以下防治措施：

4.1摻用引氣劑和減水劑及引氣型減水劑

摻引氣劑是提高混凝土抗凍性的主要措施。根據(jù)我國攣通部一航局對天津新港北坡堤的調(diào)查可知，不加引氣劑的混凝土使用15年即出現(xiàn)表面剝落等凍害現(xiàn)象，而加引氣劑的混凝土則無凍害。日本研究成功一種非引氣型表面活性劑，摻量為水泥重量的2%-4%時(shí)，這種表面活性劑可使混凝土的耐久性指數(shù)提高50%-90%。這種外加劑是烴基及醇基胺類化合物，其引氣量雖少，但氣泡很細(xì)且均勻分散，因此對提高混凝土抗凍性非常有利。

4.2嚴(yán)格控制水灰比，提高混凝土密實(shí)性

水灰比是影響混凝土密實(shí)性的主要因素，為了提高混凝土的抗凍性也必須從降低水灰比人手。當(dāng)前較為有效的方法是摻減水劑特別是高效減水劑。許多研究成果及生產(chǎn)實(shí)踐證明摻入水泥重量的0.5%-1.5%的高效減水劑可以減少用水量15%-25%，使混凝土強(qiáng)度提高20%-50%，抗凍性也能相應(yīng)的提高。

4.3加強(qiáng)早期養(yǎng)護(hù)或摻入防凍劑防止混凝土早期受凍

目前我國常使用的還是蒸汽養(yǎng)護(hù)法，但耗汽量很大。早強(qiáng)劑、防凍劑目前仍以氯鹽、亞硝酸鹽為主。三乙醇胺復(fù)合早強(qiáng)劑使用也較普遍。近幾年我國開始研制和應(yīng)用無氯鹽早強(qiáng)減水劑和防凍劑。中國建筑科學(xué)研究院混凝土研究所研制成功的S9型早強(qiáng)減水劑和防凍劑均不含氯鹽和鉻鹽，對鋼筋無銹蝕作用，在負(fù)溫條件下使混凝土具有較強(qiáng)的抗凍害能力，從而能保證冬季正常施工。

4.4防止建筑物周邊結(jié)冰的措施

4.4.1撓動(dòng)水面防凍法。

主要方法有壓力充氣法，壓力充水法，調(diào)節(jié)水位法及加熱法等。

①壓力充氣法，是通過壓縮空氣使表層和下層強(qiáng)制對流，防止建筑物前的水凍結(jié)。

②壓力充水法，是用潛水泵把庫內(nèi)溫度較高的水抽上來，用管道上穿有小孔布設(shè)在建筑物周邊進(jìn)行噴射，撓動(dòng)和加熱（下轉(zhuǎn)第189頁）（上接第102頁）建筑物周邊水體防止結(jié)冰。

③調(diào)節(jié)水位法，是使庫水位上升速度每晝夜大于4-5cm時(shí)，可以防止結(jié)冰。

4.4.2加熱防凍法：有熱風(fēng)法，電熱法和熱水法

①熱風(fēng)法，是通過噴風(fēng)管上的大量小孔，將熱風(fēng)送到加熱部位，適用于閘門槽側(cè)邊，底部和背面。此法防凍效果好，維修容易，但設(shè)備費(fèi)用高，用電量大。

②電熱法，是用電熱管等電紅加熱器，直接或部接使物體加熱，優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單，加熱效果好，適用于閘槽側(cè)壁和底部，但易斷紅。外露時(shí)易損壞。

③熱水法，是用管道將熱水（汽）通至需要防凍部位，需要鍋爐及較長保溫管道、熱量損失大，費(fèi)用較高。 [科]