引滦明渠混凝土板护坡冻融破坏机理及防治

2010-08-15齐德海

山西建筑 2010年10期

齐德海朱雷

1 问题

混凝土板护坡因造价低,糙率小,施工工期短,板可在施工现场附近加工,施工方便,便于管理,适应性广泛而得到推广,引滦明渠护坡也已广泛使用。2002年引滦尔王庄管理处下游明渠防洪闸至北京排污河倒虹吸进口段就是用混凝土板护坡。护坡板使用的混凝土砌块规格为40 cm×40 cm×10 cm,混凝土抗压强度为C20。从2002年护坡建成使用到现在,在明渠渠口冬季水位运行线处(黄海高程0.05 cm～0.25 cm)发生冻融破坏,砌块表面混凝土出现脱落,麻面现象,露出内骨料。冻融破坏是我国北方地区水工混凝土建筑在运行过程中产生的主要病害,对于水闸、明渠混凝土砌块护坡中小型水工混凝土建筑物,冻融破坏的地区范围较为广泛。水工建筑物多以混凝土结构组成,而这些混凝土结构多处在气候恶劣的环境中,气温等影响因素颇多。混凝土的冻融破坏较为常见,致使许多水工建筑物的运行寿命大为缩短,造成极大浪费。

2 冻融破坏机理分析

2.1 普通混凝土冻融过程宏观特性

混凝土的抗冻性是混凝土受到物理作用(干湿变化、温度变化、冻融变化等)而产生的特性,是反映混凝土耐久性的重要指标之一。对混凝土的抗冻性不能单纯理解为抵抗冻融的性质,对混凝土冻融破坏的机理,目前的认识尚不完全一致,按照公认程度较高的:

1)当混凝土中的毛细孔水在某负温下发生物态变化,由水转变成冰,体积膨胀9%,因受毛细孔壁约束形成膨胀压力,从而在孔周围的微观结构中产生拉应力;

2)当毛细孔水结成冰时,由凝胶孔中过冷水在混凝土微观结构中的迁移和重分布引起的渗管压。由于表面张力的作用,混凝土毛细孔隙中水的冰点随着孔径的减小而降低。随着冻融次数的增加,混凝土的强度特性均呈下降趋势,其中反应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。

饱和面干吸水率是混凝土毛细孔隙率的一个间接指标,也是混凝土密实程度的一种标志,一般情况下,混凝土密实度越差,即孔隙率越大,则饱和面干吸水率越高;反之,密实度越高,孔隙率越小,其吸水率也就越低,混凝土的饱和面干吸水率的计算方法如下:将混凝土浸泡水到饱和(一般泡3 d～4 d达饱和,试件重量不再增加),擦去表面浮水至面干后称重,再行烘干至恒重,饱和面干试件与干试件的重量差与干试件的重量比,即为混凝土试件的饱和面干吸水率。混凝土随着冻融破坏的发生,普通混凝土,其吸水率呈逐步增加的趋势。这从宏观上说明,混凝土在冻融破坏过程中内部孔隙是逐步增加的,而密实度是逐步下降的,这与宏观强度的下降是一致的。

2.2 高强混凝土冻融特性

1)高强混凝土具有很高的抗冻能力,经600次冻融循环后,其动弹模仍在90%以上,而且混凝土表面不产生脱皮剥落现象,失重率为负值。采用超低水灰比和高效减水剂而制作的高强混凝土(R＞80 MPa),同样可以具备非常高的抗冻融能力,抗冻标号可达D600以上。

2)高强混凝土由于水灰比很小,因此混凝土的密实度很高,冻融前混凝土的饱和面干吸水率仅 0.79%,比普通混凝土(5.56%)和引气混凝土(4.85%)要低 5倍～7倍,正由于高强混凝土具有超常的密实度,因此也就具备了超常的抗冻性。

2.3 冻结温度和冻融速率对混凝土冻融破坏的影响

冻结温度对混凝土的冻融破坏有明显的影响。据有关资料介绍,当冻结温度为-17℃时,普通混凝土只能承受7个冻融循环,当冻结温度提高到-10℃时冻融循环增加到12个,而当冻结温度提高到-5℃时,混凝土承受的冻融循环数将大幅度提高,即提高到了133次,由此可以看到冻结温度由-5℃降低到-10℃时,混凝土的冻融破坏效果将出现一个突变,也即当混凝土中最低冻结温度达-10℃时,冻融破坏的力量将明显加大。因此对于混凝土冻结温度有可能达到-10℃或更低温度的建筑物,必须设计较高的抗冻标号。

引气混凝土在冻融过程中,水化产物的结构状态发生了明显变化,即由冻融前的堆积状密实体逐步变成疏松状态,且水化产物结构中出现了微裂缝,这些微裂缝数量和宽度随着冻融过程的增加而增多和加宽。冻结速率对混凝土的冻融破坏有一定的影响,冻结速率提高,冻融破坏力加大,混凝土容易破坏。

2.4 混凝土冻融破坏过程中水化产物成分的分析

1)混凝土在冻融破坏过程中,宏观特性呈逐步下降的趋势,主要反映在密实度的降低和强度的下降。其中抗拉强度和抗折强度反应最为敏感,当混凝土动弹模下降40%时,抗拉强度和抗折强度将下降50%～70%,这是一个值得重视的问题。

2)冻结温度越低和冻结速率越快,混凝土的冻融破坏力越强,冻结温度达-10℃时,是一个临界值,达到或低于这一临界值时要保证混凝土的抗冻耐久性,必须设计较高的抗冻标号。

3)高强混凝土具有非常高的密实性,其内部微孔含量很小,仅为普通混凝土的1/3左右,属凝胶孔,因此高强混凝土具有超常的抗冻性。

4)混凝土冻融过程中水化产物结构形态和成分的微观分析,混凝土的冻融破坏过程,实际上是水化产物结构由密实体到松散体的过程,而在这一发展过程中,又伴随着微裂缝的出现和发展,而且微裂缝不仅存在于水化产物结构中,也会使混凝土中的气泡壁产生开裂和破坏,这是导致混凝土冻融破坏的主要原因。另外凝胶不断增大,形成更大膨胀压力,当混凝土受冻时,这两种压力会损伤混凝土内部微观结构,只有当经过反复多次的冻融循环以后,损伤逐步积累不断扩大,发展成互相连通的裂缝,使混凝土的强度逐步降低,最后甚至完全丧失。由于混凝土在冻融破坏过程中,水化产物的成分基本保持不变,因此,混凝土的冻融破坏过程可以基本上认为是一个物理变化过程。

5)混凝土冻融破坏过程中微观分析的结果与宏观特性是互为印证的,由于混凝土微孔结构的增加以及微裂缝的增加和发展,从而导致了混凝土宏观强度的下降和密实度的降低(吸水率增加)。

3 冻融破坏影响及防治

3.1 混凝土冻融破坏影响因素

混凝土冻融破坏的影响因素:

1)组成混凝土的主要材料性质的影响,如:水泥的品种、水泥中不同矿物成分对混凝土的耐久性影响较大,又如骨料的影响,除了骨料本身的质量对混凝土的抗冻性的影响以外,骨料的渗透性和吸湿性对混凝土的抗冻性也有决定性的作用,由于湿度和强度的变化,会产生含针状物岩石体积的变化,这将会损坏已硬化的水泥砂浆和混凝土表面,同时骨料的化学性能对混凝土的耐久性也将产生一定的影响;

2)外加剂的影响,在混凝土施工过程中掺入引气剂或减水剂对改善混凝土的内部结构,改善混凝土的内部孔隙结构可起到缓冲冻胀的作用,大大降低冻胀应力,提高混凝土的抗冻性;

3)施工工艺影响,配合比、混凝土的施工、硬化条件等都与混凝土的耐久性有密切的关系,同时混凝土中的单位用水量是影响混凝土抗冻性的一个重要因素。此外混凝土的表面、边角和工作缝部位处于最不利的工作条件,所以混凝土表面加工情况以及工作缝的处理对混凝土的耐久性也有很大的影响;

4)受水位变化影响,寒冷季节水位变化会引起混凝土的严重冻融破坏需采取有力措施防止,因此冬季输水明渠应保持一定水位,尽量不要变化;

5)严格控制施工质量,混凝土施工质量的好坏将影响它的抗冻性,因此必须把好质量关,不允许出现蜂窝、麻面,力求密实,表面光滑。

3.2 混凝土冻融破坏的防治

对于混凝土冻融破坏的防治,总结出了如下几点:

预防措施:1)在混凝土施工中应根据不同情况选择含有不同矿物成分和不同性能的水泥、骨料和外加剂,从材料方面确保混凝土的耐久性;2)严格混凝土制作配合比,一定要根据结构类型和所处的环境条件,试验确定关键参数,主要是降低混凝土的水灰比,水泥水化所需水分仅为其重量的25%左右,若水量增加,多余的水就游离析出,析出孔隙,饱和后易受冻胀破坏;另外掺入引气型外加剂是提高混凝土抗冻性最有效的途径之一;3)在水位线部位使用高强度混凝土板以提高混凝土砌块的耐久性。

治理措施:1)水泥砂浆修补,适用于轻微的表层破坏;2)混凝土冻融破坏化较严重的部位,可采取拆旧补新方法,把旧板拆除重新换上新板;应当根据混凝土砌块所处的环境、位置和冻融破坏的程度以及原混凝土构件制作的主要材料性能综合选用不同的修补方法,才能获得较好的效果。