浅谈混凝土衬砌渠道内积水表层冻融破坏及防治措施

张灵瑛

（山西省汾河灌溉管理局 太原 030002）

冻融破坏是我国东北、西北和华北及高山寒冷地区水工混凝土建筑在运行过程中产生的主要病害。本文通过在灌区新建混凝土衬砌实验段渠道内积水表层一个冬季冻融对混凝土衬砌渠道破坏程度的观测，对混凝土冻融破坏机理进行了分析，提出一些混凝土冻融破坏的防治措施。

1 混凝土衬砌渠道实验段不同结构区域划分及施工时间

结合近年汾河灌区节水工程，在一坝灌区西干渠混凝土衬砌渠道500m实验段进行冬季冻融观测，该渠段设计为混凝土加土工膜衬砌结构，梯形断面，每5m设一道横向伸缩缝。根据试验要求，将500m试验渠段设计为弧脚梯形断面，按不同混凝土防渗厚度、有无土工膜及φ8@10钢筋网、施工形式等分为13个区域。根据实际情况，分两年施工完成。2007年完成了的部分结构型式的施工，当年投入运行；2008年将观测设备按要求分别埋设在不同结构的13个区域内，并且按照有关工序进行施工，完成后也于当年投入运行。表1为500m试验段13种混凝土防渗结构型式情况。

表1 500m试验段13种混凝土防渗结构形式

2 混凝土衬砌实验段渠道内积水表层冻融破坏观测

混凝土衬砌实验段运行情况为：2007年完成的渠段，其早春浇、晚春浇、夏浇和秋冬浇每年行水100余天，运行了两个年份，经过了两个寒冷冬季的正常运行；2008年完成的渠段，运行了一个年份，经过了一个寒冷冬季的正常运行 。通过一个冬季的仔细观测比较，发现混凝土衬砌实验段渠道内积水表层一定范围内冻融破坏的程度不同。

2.1 浅水层（水层厚度10～15cm）表层冻融破坏现象

在实验段进行了定期观测，渠底水层厚度10～15cm时，整个冬季几乎全部结冰，其表层附近冻融破坏现象随阴阳坡、工程运行时间长短等条件而不同。分别反映在阳坡坡脚即结冰表层上下10cm范围内冻融破坏较严重，破坏形状特征为部分表面混凝土剥蚀、酥松剥落，渠底没有发生破坏；工程运行时间长即2007年实施的渠段水层表层冻融破坏较严重。而阴坡结冰表层附近冻融破坏现象较轻，大部分未出现冻融破坏，只有少许渠段在水层表层附近出现轻微的表面混凝土剥蚀现象；工程运行时间短即2008年实施的渠段水层表层冻融破坏较轻。

2.2 深水层（水层厚度50～60cm）表层冻融破坏现象

在实验段，为观测方便，在第1种结构处打堰，使其水深达到50～60cm，然后进行定期观测。整个冬季50～60cm水层也几乎全部结冰，其表层附近冻融破坏现象随阴阳坡、工程运行时间长短等条件下也不同。分别反映在阳坡坡面距渠底50～60cm即结冰表层上下8cm范围内冻融破坏较严重，破坏形状特征也是部分表面混凝土剥蚀、酥松剥落，但结冰表层15cm以下未发现有冻融破坏现象，渠底没有发生冻融破坏；工程运行时间长即2007年实施的渠段水层表层冻融破坏较严重。而阴坡结冰表层附近冻融破坏现象较轻，大部分未出现冻融破坏，只有少许渠段在水层表层附近出现轻微的表面混凝土剥蚀现象；工程运行时间短即2008年实施的渠段水层表层冻融破坏也较轻。表2为500m试验段13结构水层表层冻融破坏比较情况。

表2 500m试验段13结构水层表层冻融破坏比较

3 混凝土冻融破坏机理分析

吸水饱和的混凝土在冻融过程中，遭受的破坏应力主要由两部分组成。一是当混凝土中的毛细孔水在某负温下发生物态变化，由水转变成冰时，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；二是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。凝胶孔水形成冰核的温度在－78℃以下，因而由冰与过冷水的饱和蒸汽压差和过冷水之间的盐分浓度差引起水分迁移而形成渗透压力。

另外凝胶不断增多，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，由于损伤逐步积累、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。从实际中不难看出，处在干燥条件的混凝土显然不存在冻融破坏的问题，所以饱水状态是混凝土发生冻融破坏的必要条件之一，混凝土水化结硬后，内部有很多毛细孔。在浇筑混凝土时，为得到必要的和易性，用水量往往会比水泥水化所需要的水多些，多余的水分就留在混凝土毛细孔中。另一必要条件是外界气温正负变化，使混凝土孔隙中的水反复发生冻融循环，低温时水分因结冰产生体积膨胀，引起混凝土内部结构破坏，反复冻融多次，就会使混凝土的损伤累积达到一定程度而引起结构破坏。这两个必要条件，决定了混凝土冻融破坏是从混凝土表面开始的层层剥蚀破坏。

实验段渠道积水表层经过冬季冻融对衬砌渠道的混凝土表面剥蚀现象就说明了这一点，阳坡积水层表层附近冻融循环较阴坡冻融循环时间长、次数多，所以阳坡积水层表层附近冻融破坏比阴坡严重。

4 影响混凝土冻融破坏的主要因素

影响混凝土冻融破坏的因素是多方面的。

a.组成混凝土的主要材料性质的影响。混凝土集料中的某些活性矿物与混凝土微孔中的碱性溶液产生化学反应称为碱集料反应。碱集料反应产生的碱—硅酸盐凝胶，吸水后会产生膨胀，体积可增大3～4倍，从而使混凝土的剥落、开裂、强度降低，甚至导致破坏。如水泥品种、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；实验段分两年进行施工，由于混凝土的主要材料——水泥及骨料不是当年采用的品种，所以两年的工程外观颜色深浅有一些区别，深颜色是前一年施工的，浅颜色是当年施工的，深颜色的部分冻融破坏较浅颜色的严重。

b.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，大大降低了冻胀应力，提高了混凝土的抗冻性。

c.施工工艺的影响。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。

d.施工质量的影响。混凝土施工质量的好坏，将影响它的抗冻性。

e.水位变化的影响。寒冷季节水位变化会引起混凝土的严重冻融破坏，由于实验段在冬季前的11月中下旬进行了灌溉供水，供水完成后有部分水没有及时排退干净，因此产生了渠道内积水表层有部分冻融破坏现象发生。

5 混凝土冻融破坏的防治措施

混凝土冻融破坏对工程危害较大，破坏形状特征有表面酥松剥蚀脱落、深层冻融裂缝及冻胀破坏结构等。因此，应该多方面采取措施进行防治。

a.优化结构设计和建筑材料选择。结合当地气候条件，将混凝土的设计强度提高，并因地制宜选择密实度较高的骨料；水泥选用抗冻能力较强的普遍硅酸盐水泥和水工专用水泥，杜绝使用火山灰质硅酸盐水泥和矿渣水泥，水泥标号必须大于32.5号，从各种原材料上保证建筑抗冻要求。

b.做好工艺控制，提高工程施工质量。为了保证施工质量，应该采取多种工艺控制措施。首先严格按照设计配合比拌和水泥砂浆，降低水灰比，减少混凝土中多余的水分，正确填加防冻剂和其他复合外加剂。其次，严把施工质量关，不允许出现蜂窝、麻面，做到振捣密实并且表面要压实光滑，冬季施工时，应加强养护，防止早期受冻，从质量上满足防渗防冻要求。

c.加强渠道运行管理。渠道冬季运行治理是减少渠道冻融不可忽视的重要环节。由于每年冬季灌溉结束时气候较低，要尽快做好渠道排水，尽量不积水，减少对混凝土衬砌渠道及建筑物的渗入。对渠道两侧向渠内渗水较多的部位，采取对渠墙外填土夯实的措施，降低墙外土体的含水量，把冻土膨胀和渠道中水体结冰对渠坡的破坏减少到最低程度。发现有冻融破坏现象时应该及时采取修补措施，以延长工程的使用寿命，保证正常运用。

6 结语

通过实验段渠道内积水表层一个冬季冻融对混凝土衬砌渠道破坏程度的观测，基本了解了混凝土衬砌渠道冬季冻融破坏的过程和程度，对今后研究和解决混凝土衬砌渠道防渗防冻问题及应采取的防治措施有着很大的帮助。可以得出以下结论：对于灌溉渠道及水工建筑物混凝土冻融破坏，应坚持防重于治的原则。首先根据混凝土所处的环境，合理进行配合比设计（水泥品种的选择、外加剂的选用等）；其次是严把施工质量关，加强工程运行中的养护管理，发现冻融破坏及时采取防范保护和修补措施，以延长工程的使用寿命，保证工程正常运行。