DR002 寒冷地区水工建筑物冻害分析及防治实例(已阅)

寒冷地区水工混凝土构筑物冻害分析

及防治实例

一、前言

我国幅员辽阔，纬度、海拔变化较大，存在广大的寒冷地区。处在寒冷地区的水工构筑物，在冬季运行过程中往往会发生冻害现象，从而影响水工构筑物的耐久性和正常使用。水工构筑物冻害成因有很多，主要分为内因和外因,其中地基土的冻胀、融沉、冰冻及长期冻融循环等是自然规律所产生的破坏作用属冻害的内因;而设计不合理、施工技术不正确和工程管理不好等原因是人为因素,属造成水工构筑物冻害的外因。我们在进行寒冷地区的水工构筑物的建设过程中除了要避免外因所造成的冻害外，还要尽量减小内因对水工构筑物的影响。本文主要分析了水工构筑物冻害的内因，结合工程实例提出了针对各种主要冻害内因防治的办法。

二、主要冻害原因分析

1、低温引起的水工混凝土冻融破坏

混凝土的冻融破坏是指水工混凝土建筑物已硬化的混凝土在浸水饱和及潮湿的条件下,由于环境温度的变化,使混凝土内部的孔隙水冻结膨胀、融解松驰产生的疲劳应力而造成的混凝土由表及里逐渐剥蚀的破坏现象,它是寒冷地区水工混凝土建筑物破坏的主要类型。特别是中小型建筑物,混凝土因冻融作用而产生的剥蚀几乎占100%。冻融破坏主要发生在建筑物的水位变化区、溢流处、取水口及挡土墙等处。混凝土的冻融破坏从发生原因来看，主要是有以下两个原因引起的：

（1）在低温浸水条件下混凝土冻融循环破坏。这种破坏的基本特征是：已硬化的混凝土在低温——常温的循环条件下，混凝土内部的微孔、微裂隙和毛细孔内的水从液态到固态往复循环,经过多次冻结和融解产生微变形,使混凝土内部逐渐受到损伤。

（2）早龄期受冻融破坏。这种破坏的主要特征是：混凝土内部在受冻之前,没有足够的抗压强度，微孔内和毛细孔内的游离水(105℃可蒸发掉)冻结,表现为强度的降低以及引起外形的变化。另外，一些工程在秋季停水以后施工，由于混凝土龄期较短气温达到零下而产生冰冻，春季融化后混凝土疏松发生了破坏。还有在冬期施工中掺用一些含盐的防冻剂，这类防冻剂对混凝土的抗冻耐久性能也有不良的影响。

2、水工构筑物因为地基冻涨、融沉引起的破坏

地基土中的水冻结成冰时体积膨胀,当这种膨胀足以引起土颗

粒间的相对位移时,就形成冻结时土体积的膨胀,即称之为土的冻胀。受水工构筑物基础和侧壁的约束膨胀的冻土会对相应的位置产生较

大的法向压应力。另外，由于冰冻作用水工构筑物基础、侧壁与冻土产生胶结力,对土的冻胀产生了切向约束作用,在不均匀冻胀的作用下,对水工构筑物基础、侧壁产生较大的切向剪应力。这些法向压应力和切向剪应力统称冻胀力。当冻胀力足以造成水工构筑物产生不允许变形或者丧失稳定性时,构筑物则产生冻胀破坏。而另一方面，冻土中存在的冰在融化以后体积缩小,使土在自重作用下产生一定量的下沉,冰变成水后,在自重和外荷载作用下沿孔隙排出,从而使土进一步压缩下沉。由于水工构筑物各部分地基土的土质和含水量的不均匀,并且融化深度也不一样,因而造成构筑物各部分的不均匀沉降,当沉

降量超过构筑物的允许变形量时,构筑物则会破坏，这种破坏称为融沉破坏。

3、水工构筑物由于冰荷载所引起的破坏

在寒冷地区,冬季河流、水库、湖泊等水域、以及露天水池、输水渠等都有不同程度的结冰、封冻、解冻的过程,冰层厚度自0.3～1.5m不等。在封冻、解冻期间,水工建筑物因受静冰压力或动冰压力作用而造成破坏,特别是水库、大型蓄水池工程更为严重。

4、大型水工构筑物低温变形引起的破坏

大型的水工构筑物或体形较细长的水工构筑物（如输水涵洞、渡槽等）在低温的影响下一般会发生较大的线性变形。受地基或其它相连构筑物的约束，并将产生较大的内部应力，从而发生破坏。三、冻害的主要防治措施

既然寒冷地区的水工建筑物在冬季严寒的影响下，可能从多个方面发生冻害，而影响正常使用及耐久性。那么我们在设计、施工以及使用过程中应该采取哪些措施，尽可能的减少冻害的发生呢？下面我们就从各个引起冻害的主要原因来注意分析一下。

1、水工混凝土的冻融破坏

寒冷地区的水工混凝土发生冻融破坏是一个由表及里、逐步深入的过程，那么混凝的表层就是防止混凝土发生冻融破坏的第一道也是最重要的一道防线。由于混凝土的冻融破坏主要是由于混凝土内部的微孔隙、微裂缝中的水发生冻融循环引起的，那么减少混凝土表层的孔隙和裂缝就减轻或避免冻融破坏的最好方法。

1．1、水工混凝土的孔隙

混凝土作为一种水硬性材料，在制作过程中必然要加入一定的

水分。而在硬化过程中减少水工混凝土的孔隙，一般采取严格控制水灰比,使用优质引气剂、复合引气剂等措施。

根据工程经验,提出以下建议:有抗冻要求的水工混凝土，在寒冷地区，对钢筋混凝土要达到F200，素混凝土要达到F150；在严寒地区，对钢筋混凝土要达到F300，素混凝土要达到F200。现阶段应当做到：①使用优质引气剂；②控制混凝土施工含气量在3%～5%；③严格控制水灰比,目前水灰比不能大于0.45；④有条件时要选用优质的掺和材料,如沸石粉、硅粉、矿渣、优质磨细粉煤灰等。

1．2、水工混凝土的裂缝

水工混凝土的裂缝的产生主要有以下几个原因：①表面龟裂。这类缝无规律，细、密、浅，大都是混凝土早期过快地失水干缩引起的。由于混凝土是一种多相的不均匀材料,构成混凝土的各种固体颗粒大小,密度不同。当施工不规范时,尤其是中小型工程,质量检查不认真,极易出现微裂缝。这种表面的龟裂若发生在水工混凝土结构的上部,对建筑物的危害并不很大,若发生在水位变化区由于冻融的作用,就会危及建筑物的安全。②贯穿性的裂缝。裂缝宽一般为0.5～2.0mm，长度1～2m或10m以上。这类裂缝一旦出现在水工混凝土构筑物中，特别是如果处在水位变化频繁冻融区，在冻融的影响下裂缝必将进一步发展，直至危及建筑物的安全。这种裂缝的产生，主要是混凝土内部应力较大引起的。也就是说，荷载、温度变化、基础不均匀沉降等原因综合作用所引起的应力一旦超出混凝土（或钢筋混凝土体系）的极限应力，必将产生这种贯穿性裂缝。

水工混凝土的裂缝，特别是寒区中小型水工混凝土建筑物的裂缝是主要病害原因之一。而有的裂缝具有极大的破坏性。为了减少裂