严寒地区软骨料对水工混凝土冻胀破坏原因分析

李志敏++董开松++杨敏慧++刘秀良++沈渭程++李臻

摘 要：本文通过实际工程事例和试验数据，找到了严寒地区软骨料对水工混凝土冻胀破坏原因分析，客观地说明采用天然卵石配制有抗冻要求混凝土时，应特别注意软弱卵石产生的可能破坏对建筑物耐久性影响，提出了卵石质量评定在满足标准要求的同时，还应对其含有的软骨料进行专项试验，最终保证混凝土的抗冻性能满足要求。

关键词：软骨料； 冻胀； 破坏； 原因

1.引言

处在严寒地区的水电站水工建筑物外部混凝土，不同程度存在局部冻胀破坏的现象；引起这类破坏的因素较多，但由于含量5%以内软骨料本身的原因出现的冻胀破坏与一般大面积混凝土变酥、脱落的情况有所不同。这类原因引起的冻胀破坏成点状鼓胀脱落，破坏的面积一般为1～2cm2，深度也在2cm以内，分布无规律，但其周边混凝土却完好无损，大面积破坏后类似混凝土凿毛面。笔者在实际工作中遇到的XX发电厂这种破坏情况尤为为突出。下面通过XX电厂典型的工程实例来说明造成破坏的原因。XX发电厂总装机容量4×300WM，4座冷却塔作为主要的水工建筑物，一期1#、2#冷却塔99年投运，二期3#、4#冷却塔正在工程建设中； 1#、2#冷却塔运行近3年时间，在塔体和人字柱上发现多处点状鼓胀、剥落破坏；破坏在建筑物分布上，相同的环境条件和混凝土强度等级，有些部位破坏相对集中，有些部位零星分布成麻面；就此问题查阅了当时的施工检验记录，也未发现造成实质性破坏的直接原因；为避免正在建设中的3#、4#冷却塔发生类似情况，针对问题开展了分析和研究工作；查找工作从原材料着手，进行了原材料力学特性检测，化学分析，原配合比相应参数复试和对建筑物钻孔取芯分析试验。逐步排除其它可能性，从中找出了导致破坏的真正原因。

2.试验检测与分析

2.1 试验检测情况

XX电厂1#、2#冷却塔及预制构件设计混凝土等级为C30F150W8。该工程主要材料：水泥为鸳鸯牌32.5R级袋装硅酸盐水泥；粗细骨料全部采自当地泾河边天然料，砂的细度摸数3.12，属粗砂。试验室按原混凝土设计配合比进行复试，水泥用量420㎏，水灰比取0.39，掺MNC—AE型引气剂；检测的混凝土含气量为4.9%，抗压强度d28 =39.9Mpa，完全满足设计和有关规范要求。结合现场施工记录调查，可以排除水泥、拌和水质量、混凝土养护、粗细骨料含泥量等因素的影响。工程中所用卵石、砂的主要力学指标及碱骨料反应试验，逐项在试验室进行了检验与试验，结果也均满足JGJ 52—2006含有抗冻要求骨料的行业标准。

从冷却塔同条件预制构件和环板基础分别钻取一组φ=100mm柱状芯样，并与复试混凝土抗冻试件平行进行抗冻试验，观察混凝土破坏外部表现特征，寻找可能破坏原因再做进一步针对性工作。抗冻试验依据标准要求采用快冻法；三组9个试件经过24次冻融循环，其中6个试件表面即出现冻胀开裂，5个出现在柱状芯样上，1个出现在复试抗冻试件上，试件破坏的外观形态相同，只是缝宽大小有别。三组试件经过52次冻融循环，全部都出现冻胀开裂。沿胀裂面剖开可清楚的发现，破坏处均有黄色的强风化软骨料，且软骨料也胀裂为两瓣，仅仅52次循环软骨料酥如黄泥而失去强度，初步断定破坏是由此引起的。

2.2 抗冻破坏原因分析

1）抗冻破坏究竟是什么原因造成的呢？经过仔细分析和研究，确定从料场中专门选取黄色强风化软骨料进行力学指标试验，试验结果与天然混合料的结果对比见下表：

从上表中显然可以看出，按JGJ 52—2006质量标准衡量，配制有抗冻要求C35级混凝土，所用天然混合料与其密切相关的主要力学指标是满足标准（比重≥2.5（kg/m3），压碎指标≤16、吸水率≤2.5）的要求，但实际工程中骨料在抗冻方面却出现了一些问题；这个工程事例充分说明有抗冻要求的骨料，在满足质量评定标准的前提下，还应严格控制软骨料含量，尤其是那些含量不高，吸水率却较大的骨料。这类软骨料质量轻，力学指标检测中比重和压碎指标的满足性要求几乎完全由品质好的骨料承担，而骨料中70%以上的水却由不到5%的软骨料吸入，天然混合料中这种品质差别较大，平均分摊后检测结果却满足质量标准，掩盖了存在的问题，影响了本工程骨料对混凝土抗冻问题的及早发现。因此有抗冻要求的混凝土，使用天然骨料时，除进行正常质量检验外，还应对软骨料的特性进行检测和试验，避免类似问题发生。

2）天然混合料中的黄色强风化软骨料是导致冷却塔出现冻胀破坏的根源，这一点试验数据也得以证明。从环板基础钻取的一组φ=100mm柱状芯样，混凝土的实际抗压强度为40.54Mpa。根据抗压强度R、抗拉强度RL的经验公式 （RL=0.58 3√R2），得出单位面积混凝土抗拉强度RL=6.84 Mpa。该类软骨料的吸水率为17.3%，水结冰体积增加9 %产生单位平方厘米的冻胀力约为100 Mpa，则饱和状态软骨料的冻胀力约为17.3 Mpa （软骨料面积中水的面积可以认为占单位面积的17.3%），因此单位面积软骨料的冻胀力是混凝土抗拉强度RL 的2.53倍，造成混凝土冻融胀裂破坏。就该组样中52次冻融循环后裂缝宽最小的一个试件而言，从冻裂面拨开发现裂面上主要有2块同材质软骨料，断面直径分别约为14mm、12mm，累计面积约为420.76 mm 2，冻胀力约为7.28Mpa>RL=6.84 Mpa，导致表面混凝土鼓胀脱落。冻胀力大于混凝土抗拉强度，使得软骨料周边混凝土开裂，冻融过程裂缝逐渐发展而外部混凝土开裂破坏。

4.结论

1） 对严寒地区有抗冻要求的混凝土，在骨料满足质量评定标准的前提下，还应严格控制软骨料含量，尤其是那些含量不高，吸水率却较大的骨料。

2） 使用天然骨料时，除进行正常质量检验外，还应对软骨料的特性进行检测和试验，才能确保骨料在应用中不发生问题。

3） 混凝土的抗冻性能不仅有混凝土生产时含气量的控制，而且还有对软骨料的要求，这样才能保证混凝土的抗冻性能满足要求，确保建筑物耐久性满足要求。

参考文献

[1] 水工混凝土试验规程.DL/5150—2001

[2] 普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》 JGJ 52—2006

摘 要：本文通过实际工程事例和试验数据，找到了严寒地区软骨料对水工混凝土冻胀破坏原因分析，客观地说明采用天然卵石配制有抗冻要求混凝土时，应特别注意软弱卵石产生的可能破坏对建筑物耐久性影响，提出了卵石质量评定在满足标准要求的同时，还应对其含有的软骨料进行专项试验，最终保证混凝土的抗冻性能满足要求。

关键词：软骨料； 冻胀； 破坏； 原因

1.引言

处在严寒地区的水电站水工建筑物外部混凝土，不同程度存在局部冻胀破坏的现象；引起这类破坏的因素较多，但由于含量5%以内软骨料本身的原因出现的冻胀破坏与一般大面积混凝土变酥、脱落的情况有所不同。这类原因引起的冻胀破坏成点状鼓胀脱落，破坏的面积一般为1～2cm2，深度也在2cm以内，分布无规律，但其周边混凝土却完好无损，大面积破坏后类似混凝土凿毛面。笔者在实际工作中遇到的XX发电厂这种破坏情况尤为为突出。下面通过XX电厂典型的工程实例来说明造成破坏的原因。XX发电厂总装机容量4×300WM，4座冷却塔作为主要的水工建筑物，一期1#、2#冷却塔99年投运，二期3#、4#冷却塔正在工程建设中； 1#、2#冷却塔运行近3年时间，在塔体和人字柱上发现多处点状鼓胀、剥落破坏；破坏在建筑物分布上，相同的环境条件和混凝土强度等级，有些部位破坏相对集中，有些部位零星分布成麻面；就此问题查阅了当时的施工检验记录，也未发现造成实质性破坏的直接原因；为避免正在建设中的3#、4#冷却塔发生类似情况，针对问题开展了分析和研究工作；查找工作从原材料着手，进行了原材料力学特性检测，化学分析，原配合比相应参数复试和对建筑物钻孔取芯分析试验。逐步排除其它可能性，从中找出了导致破坏的真正原因。

2.试验检测与分析

2.1 试验检测情况

XX电厂1#、2#冷却塔及预制构件设计混凝土等级为C30F150W8。该工程主要材料：水泥为鸳鸯牌32.5R级袋装硅酸盐水泥；粗细骨料全部采自当地泾河边天然料，砂的细度摸数3.12，属粗砂。试验室按原混凝土设计配合比进行复试，水泥用量420㎏，水灰比取0.39，掺MNC—AE型引气剂；检测的混凝土含气量为4.9%，抗压强度d28 =39.9Mpa，完全满足设计和有关规范要求。结合现场施工记录调查，可以排除水泥、拌和水质量、混凝土养护、粗细骨料含泥量等因素的影响。工程中所用卵石、砂的主要力学指标及碱骨料反应试验，逐项在试验室进行了检验与试验，结果也均满足JGJ 52—2006含有抗冻要求骨料的行业标准。

从冷却塔同条件预制构件和环板基础分别钻取一组φ=100mm柱状芯样，并与复试混凝土抗冻试件平行进行抗冻试验，观察混凝土破坏外部表现特征，寻找可能破坏原因再做进一步针对性工作。抗冻试验依据标准要求采用快冻法；三组9个试件经过24次冻融循环，其中6个试件表面即出现冻胀开裂，5个出现在柱状芯样上，1个出现在复试抗冻试件上，试件破坏的外观形态相同，只是缝宽大小有别。三组试件经过52次冻融循环，全部都出现冻胀开裂。沿胀裂面剖开可清楚的发现，破坏处均有黄色的强风化软骨料，且软骨料也胀裂为两瓣，仅仅52次循环软骨料酥如黄泥而失去强度，初步断定破坏是由此引起的。

2.2 抗冻破坏原因分析

1）抗冻破坏究竟是什么原因造成的呢？经过仔细分析和研究，确定从料场中专门选取黄色强风化软骨料进行力学指标试验，试验结果与天然混合料的结果对比见下表：

从上表中显然可以看出，按JGJ 52—2006质量标准衡量，配制有抗冻要求C35级混凝土，所用天然混合料与其密切相关的主要力学指标是满足标准（比重≥2.5（kg/m3），压碎指标≤16、吸水率≤2.5）的要求，但实际工程中骨料在抗冻方面却出现了一些问题；这个工程事例充分说明有抗冻要求的骨料，在满足质量评定标准的前提下，还应严格控制软骨料含量，尤其是那些含量不高，吸水率却较大的骨料。这类软骨料质量轻，力学指标检测中比重和压碎指标的满足性要求几乎完全由品质好的骨料承担，而骨料中70%以上的水却由不到5%的软骨料吸入，天然混合料中这种品质差别较大，平均分摊后检测结果却满足质量标准，掩盖了存在的问题，影响了本工程骨料对混凝土抗冻问题的及早发现。因此有抗冻要求的混凝土，使用天然骨料时，除进行正常质量检验外，还应对软骨料的特性进行检测和试验，避免类似问题发生。

2）天然混合料中的黄色强风化软骨料是导致冷却塔出现冻胀破坏的根源，这一点试验数据也得以证明。从环板基础钻取的一组φ=100mm柱状芯样，混凝土的实际抗压强度为40.54Mpa。根据抗压强度R、抗拉强度RL的经验公式 （RL=0.58 3√R2），得出单位面积混凝土抗拉强度RL=6.84 Mpa。该类软骨料的吸水率为17.3%，水结冰体积增加9 %产生单位平方厘米的冻胀力约为100 Mpa，则饱和状态软骨料的冻胀力约为17.3 Mpa （软骨料面积中水的面积可以认为占单位面积的17.3%），因此单位面积软骨料的冻胀力是混凝土抗拉强度RL 的2.53倍，造成混凝土冻融胀裂破坏。就该组样中52次冻融循环后裂缝宽最小的一个试件而言，从冻裂面拨开发现裂面上主要有2块同材质软骨料，断面直径分别约为14mm、12mm，累计面积约为420.76 mm 2，冻胀力约为7.28Mpa>RL=6.84 Mpa，导致表面混凝土鼓胀脱落。冻胀力大于混凝土抗拉强度，使得软骨料周边混凝土开裂，冻融过程裂缝逐渐发展而外部混凝土开裂破坏。

4.结论

1） 对严寒地区有抗冻要求的混凝土，在骨料满足质量评定标准的前提下，还应严格控制软骨料含量，尤其是那些含量不高，吸水率却较大的骨料。

2） 使用天然骨料时，除进行正常质量检验外，还应对软骨料的特性进行检测和试验，才能确保骨料在应用中不发生问题。

3） 混凝土的抗冻性能不仅有混凝土生产时含气量的控制，而且还有对软骨料的要求，这样才能保证混凝土的抗冻性能满足要求，确保建筑物耐久性满足要求。

参考文献

[1] 水工混凝土试验规程.DL/5150—2001

[2] 普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》 JGJ 52—2006

摘 要：本文通过实际工程事例和试验数据，找到了严寒地区软骨料对水工混凝土冻胀破坏原因分析，客观地说明采用天然卵石配制有抗冻要求混凝土时，应特别注意软弱卵石产生的可能破坏对建筑物耐久性影响，提出了卵石质量评定在满足标准要求的同时，还应对其含有的软骨料进行专项试验，最终保证混凝土的抗冻性能满足要求。

关键词：软骨料； 冻胀； 破坏； 原因

1.引言

处在严寒地区的水电站水工建筑物外部混凝土，不同程度存在局部冻胀破坏的现象；引起这类破坏的因素较多，但由于含量5%以内软骨料本身的原因出现的冻胀破坏与一般大面积混凝土变酥、脱落的情况有所不同。这类原因引起的冻胀破坏成点状鼓胀脱落，破坏的面积一般为1～2cm2，深度也在2cm以内，分布无规律，但其周边混凝土却完好无损，大面积破坏后类似混凝土凿毛面。笔者在实际工作中遇到的XX发电厂这种破坏情况尤为为突出。下面通过XX电厂典型的工程实例来说明造成破坏的原因。XX发电厂总装机容量4×300WM，4座冷却塔作为主要的水工建筑物，一期1#、2#冷却塔99年投运，二期3#、4#冷却塔正在工程建设中； 1#、2#冷却塔运行近3年时间，在塔体和人字柱上发现多处点状鼓胀、剥落破坏；破坏在建筑物分布上，相同的环境条件和混凝土强度等级，有些部位破坏相对集中，有些部位零星分布成麻面；就此问题查阅了当时的施工检验记录，也未发现造成实质性破坏的直接原因；为避免正在建设中的3#、4#冷却塔发生类似情况，针对问题开展了分析和研究工作；查找工作从原材料着手，进行了原材料力学特性检测，化学分析，原配合比相应参数复试和对建筑物钻孔取芯分析试验。逐步排除其它可能性，从中找出了导致破坏的真正原因。

2.试验检测与分析

2.1 试验检测情况

XX电厂1#、2#冷却塔及预制构件设计混凝土等级为C30F150W8。该工程主要材料：水泥为鸳鸯牌32.5R级袋装硅酸盐水泥；粗细骨料全部采自当地泾河边天然料，砂的细度摸数3.12，属粗砂。试验室按原混凝土设计配合比进行复试，水泥用量420㎏，水灰比取0.39，掺MNC—AE型引气剂；检测的混凝土含气量为4.9%，抗压强度d28 =39.9Mpa，完全满足设计和有关规范要求。结合现场施工记录调查，可以排除水泥、拌和水质量、混凝土养护、粗细骨料含泥量等因素的影响。工程中所用卵石、砂的主要力学指标及碱骨料反应试验，逐项在试验室进行了检验与试验，结果也均满足JGJ 52—2006含有抗冻要求骨料的行业标准。

从冷却塔同条件预制构件和环板基础分别钻取一组φ=100mm柱状芯样，并与复试混凝土抗冻试件平行进行抗冻试验，观察混凝土破坏外部表现特征，寻找可能破坏原因再做进一步针对性工作。抗冻试验依据标准要求采用快冻法；三组9个试件经过24次冻融循环，其中6个试件表面即出现冻胀开裂，5个出现在柱状芯样上，1个出现在复试抗冻试件上，试件破坏的外观形态相同，只是缝宽大小有别。三组试件经过52次冻融循环，全部都出现冻胀开裂。沿胀裂面剖开可清楚的发现，破坏处均有黄色的强风化软骨料，且软骨料也胀裂为两瓣，仅仅52次循环软骨料酥如黄泥而失去强度，初步断定破坏是由此引起的。

2.2 抗冻破坏原因分析

1）抗冻破坏究竟是什么原因造成的呢？经过仔细分析和研究，确定从料场中专门选取黄色强风化软骨料进行力学指标试验，试验结果与天然混合料的结果对比见下表：

从上表中显然可以看出，按JGJ 52—2006质量标准衡量，配制有抗冻要求C35级混凝土，所用天然混合料与其密切相关的主要力学指标是满足标准（比重≥2.5（kg/m3），压碎指标≤16、吸水率≤2.5）的要求，但实际工程中骨料在抗冻方面却出现了一些问题；这个工程事例充分说明有抗冻要求的骨料，在满足质量评定标准的前提下，还应严格控制软骨料含量，尤其是那些含量不高，吸水率却较大的骨料。这类软骨料质量轻，力学指标检测中比重和压碎指标的满足性要求几乎完全由品质好的骨料承担，而骨料中70%以上的水却由不到5%的软骨料吸入，天然混合料中这种品质差别较大，平均分摊后检测结果却满足质量标准，掩盖了存在的问题，影响了本工程骨料对混凝土抗冻问题的及早发现。因此有抗冻要求的混凝土，使用天然骨料时，除进行正常质量检验外，还应对软骨料的特性进行检测和试验，避免类似问题发生。

2）天然混合料中的黄色强风化软骨料是导致冷却塔出现冻胀破坏的根源，这一点试验数据也得以证明。从环板基础钻取的一组φ=100mm柱状芯样，混凝土的实际抗压强度为40.54Mpa。根据抗压强度R、抗拉强度RL的经验公式 （RL=0.58 3√R2），得出单位面积混凝土抗拉强度RL=6.84 Mpa。该类软骨料的吸水率为17.3%，水结冰体积增加9 %产生单位平方厘米的冻胀力约为100 Mpa，则饱和状态软骨料的冻胀力约为17.3 Mpa （软骨料面积中水的面积可以认为占单位面积的17.3%），因此单位面积软骨料的冻胀力是混凝土抗拉强度RL 的2.53倍，造成混凝土冻融胀裂破坏。就该组样中52次冻融循环后裂缝宽最小的一个试件而言，从冻裂面拨开发现裂面上主要有2块同材质软骨料，断面直径分别约为14mm、12mm，累计面积约为420.76 mm 2，冻胀力约为7.28Mpa>RL=6.84 Mpa，导致表面混凝土鼓胀脱落。冻胀力大于混凝土抗拉强度，使得软骨料周边混凝土开裂，冻融过程裂缝逐渐发展而外部混凝土开裂破坏。

4.结论

1） 对严寒地区有抗冻要求的混凝土，在骨料满足质量评定标准的前提下，还应严格控制软骨料含量，尤其是那些含量不高，吸水率却较大的骨料。

2） 使用天然骨料时，除进行正常质量检验外，还应对软骨料的特性进行检测和试验，才能确保骨料在应用中不发生问题。

3） 混凝土的抗冻性能不仅有混凝土生产时含气量的控制，而且还有对软骨料的要求，这样才能保证混凝土的抗冻性能满足要求，确保建筑物耐久性满足要求。

参考文献

[1] 水工混凝土试验规程.DL/5150—2001

[2] 普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》 JGJ 52—2006