冰冻对水工混凝土破坏的原因分析及解决措施

邹丽

【摘 要】本文对于水工混凝土受到冰冻损坏的情况进行了讲解，给出了其原因，并针对这些原因给出了一些防护措施和解决办法。

【关键词】水工混凝土；冰冻破坏；原因；防治

混凝土材料其有着吸水性，加上周围的环境长期都是水，所有材料内部的水分含量比较高，如果在低温的条件下，就容易产生冰，冰的体积要大于水的体积，因此就会膨胀。当膨胀的作用力超过了混凝土的应力承受范围就会破坏混凝土结构，产生裂缝，吸水性就会提升，周而复始的就会导致混凝土最终的损坏。混凝土冰冻破坏的情况在我国的北部地区属于常见情况，各大、中、小混凝土工程中都有着不同程度的冰冻破坏情况。

1.冰冻对水工混凝土建筑物的破坏

水工混凝土建筑产生冰冻破坏，表面酥松，呈现片层脱落，建筑强度降低，影响其正常的使用。

混凝土是由水泥浆砂以及骨料组成，他们都是具有微细毛孔的多孔体。进行混凝土搅拌的时候，需要保证期和易性，因此需要加入一些拌合水，其总量要大于水泥的水化水。这些多出来的水，就会滞留在混凝土中，在连通的毛细孔中，占据了一些体积。这些毛细孔水就是混凝土受到冻害的主要内因。水在液体和固体的两个状态下，体积存在差异，水遇冷变成固体的时候，其体积要增加，因此产生膨胀，导致内部结构受到破坏。混凝土处于保水状态时，当毛细孔中的水结冰，胶凝孔中的水就处于过冷状态。因为混凝土孔隙中形成冰核的温度在-78℃以下。胶凝孔中处于过冷状态的水分因为其蒸汽压高于同温度下冰的蒸汽压而向毛细孔中冰的界面处渗透。于是在毛细孔中又产生一种渗透压力。而且，胶凝水往毛细孔渗透的时候受到两种压力，当他们超过了混凝土抗拉强度的时候，混凝土就出现裂痕，长期如此就会不断的扩大化，最终形成了破坏。

2.影响混凝土抗冻性的主要因素

混凝土抗冻性跟混凝土的内部结构、水饱和情况、受冻期限、强度等等均有联系。混凝土的强度又是受到水灰比的影响，以及外加剂和养护措施的关联。

2.1水灰比

水灰比是对混凝土孔隙和结构产生影响的最直接因素。水灰比的不断提升，其水饱和孔体积就会增加，平均孔径也会增加，混凝土就具有较低的抗冻性。国内外对于不同环境下的混凝土最大水灰比和最小水泥用量都有详细的规定。

2.2含气量

含气量是对混凝土抗冻性产生影响的主要因素，尤其是在添加引气剂后产生的微细孔洞，对抗冻性具有非常大的提升。这些细微的气孔相互没有连通性，在毛细孔的水受冻的时候，能够缓解期静水压力，起到降压的目的。混凝土受冻结冰的时候，孔隙具有抑制水泥浆产生微小冰体的作用。

2.3混凝土的饱水状态

饱水程度也是混凝土冻害的关键因素。通常来说，含水量低于总孔隙体积的91.7%就不会形成冻结膨胀压力，这个是最大的饱水度。混凝土完全饱水的时候，是其冻结膨胀压力最大的时候。混凝土的饱水度和当地的环境以及气候还有混凝土结构有关系。

2.4混凝土受冻龄期

混凝土的抗冻性会随着龄期的增长而提升，混凝土的龄期越长，其水泥水化程度就越高，强度就越大，所有对于膨胀的抵抗力就越大。

2.5水泥品种及集料质量

水泥活性越大，混凝土的抗冻性就越好。普通硅酸盐水泥混凝土抗冻性比混合水泥混凝土的抗冻性要强。混凝土集料对混凝土抗冻性的影响主要是集料自身的抗冻性。

2.6外加剂及掺合料的影响

减水剂、引气剂及引气减水剂等外加剂具有高山混凝土抗冻性的作用。引气剂是增加混凝土含气量，减水剂是降低水灰比，让孔隙数量可以少一些，都是可以提升混凝土抗冻性的物质。

3.冰冻对水工建筑物的破壞形式

水工建筑受到冰冻破坏的类型因为不同因素而产生了以下几种类型：

3.1冰推破坏

当水位的变化不大时，冰层膨胀时产生的静冰压力吧土坝的护坡给推起来，形成了破坏。我国的东北、西北等等寒冷地区的水库就比较容易出现这样的冻坏。冰推破坏程度受坡土的冻胀压力大小以及坡土结构有联系。当冰层的冰推力要大于抗冰推强度的时候，就会出现破坏现象。当坝坡的抗冰推力大于冰层间的冰推力的时候，就会形成冻结面剪开的情况，这样护坡不会受到严重的破坏。

3.2冰拨破坏

冰层和护坡破坏在一起，库水位上升时，护坡板 （块）、齿墙等被拔起，旋转或松动。库水位下降时，因冰块与护坡冻结在一起，护坡受到向冰面下降的弯矩，故护坡板翘起，齿墙向库内倾斜。库水位下降愈快，冰拔现象愈严重，特别是当护坡板（块）尺寸很小时，表面粗糙或整体性差的预制板、块石护坡等，其冰拔破坏更为严重。

3.3冻冰冲击破坏

主要发生在初春解冻时，库内冻裂成块，在风力与水力作用下向坝坡涌进，大量冰块补推上坝坡甚至超过坝顶，导致坝坡及防浪墙被冲击破坏。

4.水工建筑物冻害的防治措施

水工建筑物受冰害的主要部位有护坡、溢洪道闸门，输水，泄水建筑物的进水口闸门，拦栅及支架，以及进口两侧的导墙等。除在结构上采取防冻加强措施外，对已建工程可以采用其它必要的防冰冻措施。通过几年的工作，积累总结以下防治措施：

4.1掺用引气剂和减水剂及引气型减水剂

掺引气剂是提高混凝土抗冻性的主要措施。根据我国挛通部一航局对天津新港北坡堤的调查可知，不加引气剂的混凝土使用15年即出现表面剥落等冻害现象，而加引气剂的混凝土则无冻害。日本研究成功一种非引气型表面活性剂，掺量为水泥重量的2%-4%时，这种表面活性剂可使混凝土的耐久性指数提高50%-90%。这种外加剂是烃基及醇基胺类化合物，其引气量虽少，但气泡很细且均匀分散，因此对提高混凝土抗冻性非常有利。

4.2严格控制水灰比，提高混凝土密实性

水灰比是影响混凝土密实性的主要因素，为了提高混凝土的抗冻性也必须从降低水灰比人手。当前较为有效的方法是掺减水剂特别是高效减水剂。许多研究成果及生产实践证明掺入水泥重量的0.5%-1.5%的高效减水剂可以减少用水量15%-25%，使混凝土强度提高20%-50%，抗冻性也能相应的提高。

4.3加强早期养护或掺入防冻剂防止混凝土早期受冻

目前我国常使用的还是蒸汽养护法，但耗汽量很大。早强剂、防冻剂目前仍以氯盐、亚硝酸盐为主。三乙醇胺复合早强剂使用也较普遍。近几年我国开始研制和应用无氯盐早强减水剂和防冻剂。中国建筑科学研究院混凝土研究所研制成功的S9型早强减水剂和防冻剂均不含氯盐和铬盐，对钢筋无锈蚀作用，在负温条件下使混凝土具有较强的抗冻害能力，从而能保证冬季正常施工。

4.4防止建筑物周边结冰的措施

4.4.1挠动水面防冻法。

主要方法有压力充气法，压力充水法，调节水位法及加热法等。

①压力充气法，是通过压缩空气使表层和下层强制对流，防止建筑物前的水冻结。

②压力充水法，是用潜水泵把库内温度较高的水抽上来，用管道上穿有小孔布设在建筑物周边进行喷射，挠动和加热（下转第189页）（上接第102页）建筑物周边水体防止结冰。

③调节水位法，是使库水位上升速度每昼夜大于4-5cm时，可以防止结冰。

4.4.2加热防冻法：有热风法，电热法和热水法

①热风法，是通过喷风管上的大量小孔，将热风送到加热部位，适用于闸门槽侧边，底部和背面。此法防冻效果好，维修容易，但设备费用高，用电量大。

②电热法，是用电热管等电红加热器，直接或部接使物体加热，优点是设备简单，加热效果好，适用于闸槽侧壁和底部，但易断红。外露时易损坏。

③热水法，是用管道将热水（汽）通至需要防冻部位，需要锅炉及较长保温管道、热量损失大，费用较高。 [科]