浅析混凝土冻融破坏及治理措施

描述：本文分析了混凝土的冻融破坏及影响混凝土抗冻性能的因素，并介绍唐河灌区在实践中处理混凝土的冻融破坏的方法。

摘要：本文分析了混凝土的冻融破坏及影响混凝土抗冻性能的因素，并介绍唐河灌区在实践中处理混凝土的冻融破坏的方法。

一、引言
混凝土是当代最主要的土木工程材料之一。

由于其良好的抗渗性、耐久性及原材料来源广且生产工艺简单、能耗低的特点被广泛应用于渠道衬砌及渠系建筑物的改造中。

唐河灌区在续建配套与节水改造工程中就大量的使用了混凝土及钢筋混凝土。

起到了很好的防渗及抗冲效果，使全灌区渠道轮灌周期减少了5～7天。

已实施的灌区节水工程衬砌段渠道水利用系数平均提高0.156，全灌区渠道水利用系数由0.42提高到0.443，减少了水量的损失。

但是我们也应该看到由于混凝土结构的工作环境比较恶劣，必然受到水流、气温、风砂等的影响。

当野外温度较低时，混凝土会因为冻融循环而发生破坏，由此需要很大的代价来维修和重建，这已成为灌区反复投入大量的人力、物力而未能根本解决的问题之一，造成极大的浪费。

二、混凝土的冻融破坏
（一）冻融破坏的特征
表面剥落是混凝土发生冻融破坏的显著特征，严重时可能露出石子。

在混凝土受冻过程中，冰冻应力使混凝土产生裂纹。

冰冻所产生的裂纹一般多而细小，因此，在单纯冻融破坏的场合，一般不会看到较粗大的裂缝。

但是，在冻融反复交替的情况下，这些细小的裂纹会不断地扩展，相互贯通，使得表层的砂浆或净浆脱落。

冻融破坏不仅引起混凝土表面剥落，而且导致混凝土力学性能的显著降低。

大量试验研究表明：随着冻融次数的增加，混凝土的强度特性均呈下降趋势，其中反映最敏感的是抗拉强度和抗折强度，即随着冻融次数的增加，混凝土的抗拉强度和抗折强度迅速下降，而抗压强度下降趋势较缓。

（二）影响混凝土抗冻性的因素
混凝土的抗冻性是指混凝土在含水饱和状态下能经受多次冻融循环而不破坏，同时强度不严重降低的性能而且其质量也不显著减小的性质。

影响混凝土抗冻性能的因素有以下几个方面的：一是水泥的品种；二是骨料的性质；三是混凝土的密实度；四是混凝土的强度等级；五是混凝土的孔隙构造和数量以及孔隙的
充水程度；六是混凝土的水灰比；七是混凝土结构的尺寸。

在相同条件下，混凝土构件的尺寸越小，混凝土构件越容易发生冻融破坏。

三、改善混凝土抗冻性的方法
（一）保证混凝土的施工质量
这是提高混凝土抗冻性最直接、有效的办法。

对混凝土的施工质量，我们必须做到严要求高标准，做到搅拌透彻、浇筑均匀、振捣密实，绝不允许出现蜂窝、麻面以及完工后注意加强养护。

（二）努力减小水灰比，提高混凝土密实度
水灰比的大小是影响混凝土密实度的主要因素，提高混凝土的抗冻性，必须从降低水灰比入手。

生产实践证明掺入水泥重量的0.5%～1.5%时，可以减少用水15%～25%，使混凝土的抗冻性提高10%左右。

（三）掺用引气剂和引气型减水剂
引气剂能改善混凝土坍落度、流动性和可塑性；提高混凝土的抗折强度，当含气量为3%～5%时，抗折强度提高10%～20%；大大提高混凝土抗冻性、抗盐渍性、抗渗性、耐硫酸盐侵蚀及抗碱集料反应性能。

掺入减水剂能显著改善混凝土的孔隙结构，使混凝土的透水性降低40%～80%，从而可提高抗渗、抗冻、抗化学腐蚀及抗锈蚀等能力，改善混凝土的耐久性。

常用的减水剂有木质素、糖蜜、MF复合剂、JG3等。

（四）使用聚合物浸渍混凝土
聚合物掺加量一般为水泥重量的 5～20%。

使用的聚合物一般为合成橡胶乳液，如氯丁胶乳（CR）、丁苯胶乳（SBR）、丁腈胶乳（NBR）；或热塑性树脂乳液，如聚丙烯酸酯类乳液（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进了普通混凝土的抗拉强度、耐磨、耐蚀、抗渗、抗冲击等性能，并改善混凝土的和易性。

（五）掺入防冻剂或早强剂
防冻剂可以大幅度降低拌合水的冰点，防止在塑性状态和早期混凝土内部水分结冰膨胀，冻伤混凝土且对混凝土强度性能没有明显危害。

防冻剂常用于负温条件下施工的混凝土。

目前国产防冻剂品种适用于0～–15℃的气温，当在更低的气温下施工时，应增加其他混凝土冬期施工的措施，如蓄热法、暖棚法以及原料预热法。

早强剂可促进水泥的水化和硬化进程，缩短混凝土的凝结时间，提高早期强度特别适用于冬期施工。

目前广泛使用的混凝土早强剂有三种，即氯
化物（如CaCl2、NaCl等），硫酸盐系（如Na2SO4、K2SO4等）和三乙醇胺系N（C2H4OH），但使用最多的是以它们为基材的复合早强剂。

近几年来工程中使用的无氯盐早强减水剂和防冻剂，对钢筋无锈蚀作用，在–10℃左右气温条件下使用，使混凝土具有较强的抗冻害能力，从而保证冬季施工。

（六）适量的掺入矿物掺合料
比如掺入硅粉、矿渣粉煤灰等。

有研究表明：随着矿渣掺量的增加，其混凝土的抗冻融性能愈差，但掺合比例合适时，抗冻性能与普通混凝土相比有较大改善；图像识别算法在相同含气量的情况下，掺15%的硅粉混凝土比不掺硅粉的基准混凝土，气孔结构有很大的改善。

硅粉对抗冻耐久性有显著的效果。

四、唐河灌区处理混凝土冻融破坏的一些做法
唐河灌区位于保定市西南，设计灌溉面积70万亩，有效灌溉面积42.5万亩，为国家大II型灌区。

灌区内配套工程毁坏严重，建筑物老化失修，渠道渗漏严重，水量损失较大，我们从2005年起争取到国家资金9130万元，对唐河灌区进行了节水改造工程建设。

灌区属温带大陆性季风气候，冬季温度较低，极端最低温度更是达到-20℃。

因此灌区内渠道混凝土衬砌表面的冻融破坏现象较为突出。

我们在实际工作中也极为重视，经过我们的反复研究、实践，结合灌区正在进行节水改造工程建设实践及国内外先进的混凝土表面加固技术，取得了以下几点经验。

我们可以从以下两个方面入手。

（一）在混凝土施工前采取相关措施预防冻害
一是在从混凝土的骨料选择入手，通常骨料宜选择不含有害杂质，且骨料中云母、硫化物、硫酸盐、氯盐等含量符合规范要求的II类（砂，粗骨料），二是应根据混凝土的适用范围选择合适的水泥，如有抗冻要求的混凝土应优先选择硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、硅酸盐大坝水泥并掺用引气剂或塑化剂，以提高混凝土的抗冻性，三是严格控制混凝土的配合比，应根据工程需要和现场环境，参考有关资料并通过实验确定相关参数。

（二）在冻害发生以后采取以下修补加固的措施
①水泥砂浆修补，适用于轻微的表层破坏，砂浆强度不得低于原混凝土强度，以相同为宜。

②预缩砂浆修补，常用语修补处于高流速区的表层缺陷③钢纤维喷射混凝土修补法，在具体操作时需要注意各原材料的投放顺序，推荐采用以下顺序：砂、石、钢纤维、水泥、外加剂、水。

在采用强制式搅拌机拌合时，要尤其注意加料时绝不能直接将钢纤维加到胶凝材料中，否则会结团。

④喷浆混凝土修
补法，喷混凝土与普通混凝土相比，具有密实性好、强度高、快速、高效、不用模板以及把运输、浇筑、振捣结合在一起的优点。

⑤压浆混凝土修补，压浆混凝土与普通混凝土相比，具有收缩率小，拌合工作量小的优点，亦可用于水下加固。

最后，在实际工作中具体选用哪种修补办法还应根据实际情况确定，不能一概而论。

（三）唐河灌区处理冻融破坏的实例
在唐河灌区2008年度续建配套与节水改造工程中，根据《渠道防渗工程技术规范》（SL18-2004）结合实际地形特点，我们确定了总干四支渠的渠道衬砌形式——采用现浇混凝土衬砌。

渠道防渗采用厚度为250px，强度为C15，抗渗等级W6，抗冻F50混凝土衬砌，混凝土下为125px厚的聚乙烯泡沫塑料板。

衬砌混凝土顺水流方向每隔4m设横向伸缩缝1道，纵横向伸缩缝宽度均为50px，缝内填建筑油膏。

施工中我们严格要求施工单位按合同要求施工，混凝土的原材料必须符合相关规范，混凝土必须振捣密实。

由于是在冬季施工，虽然我们采取了一些冬期措施，可是因为施工时的温度急剧下降加之不久后灌区进行了冬灌，使混凝土衬砌面长时间浸泡在水里。

当来年春灌结束后，水位线以下的衬砌表面出现了裂缝以及表面脱落等现象，影响了渠道混凝土的使用寿命。

因此，我们采取了水泥砂浆修补的方法，在实际工作中，我们又加入了一种水泥改性剂——丙乳，使之改良为丙乳砂浆。

与普通砂浆相比，丙乳砂浆具有的极限拉伸率、抗拉强度均显著提高，而其抗拉弹模降低，收缩小，与混凝土面、老砂浆及钢板粘结强度高的优点，我们采用的丙乳砂浆配合比为：灰砂比1：1；灰乳比 1：
0.15，取得了良好的效果。

五、结语
诚然，混凝土冻融的问题比较复杂，而且受许多因素的影响，其检测手段与预防对策还有待于进一步分析研究。

这就要求我们对待混凝土冻融问题要更加谨慎，多做实验，从实际出发，找准问题的关键才能更加有效的指导实践。