辽宁中小型水工建筑物水位变化区的冻害分析及防治措施

那 利，李 远

（1.辽宁省水利水电科学研究院，辽宁 沈阳 110003；2.辽宁江海水利工程公司，辽宁 沈阳 110003）

辽宁位于我国东北部，属于寒冷地区。辽宁地区一年中有4～6个月处于0℃以下，而且这期间一天之内经常出现正负温度交替变化；这一现象使得水工建筑物产生不同部位、不同形式和不同程度的破坏，特别是中小型水工建筑物的涵、闸、渡槽、桥梁、渠首和渠道等部位的破坏更为突出。

1 冻害现状及特征

由于水工建筑物的混凝土一般处于水环境或潮湿环境中，在长期的冻融循环、静冰压力和动冰压力的反复作用下，会引起混凝土各种不同的破坏特征；如混凝土表面剥蚀、疏松、脱落、钢筋网外露锈蚀、裂缝、断裂等，这些都会导致混凝土的抗压强度、抗渗性、抗碳化和抗冰冻等耐久性能的降低。

2 冻害分析

2.1 原材料因素

1）水泥。水泥早期强度高水化热较高、碱含量偏大、C3A偏高、细度较细、掺用助磨剂等，这些使早期混凝土内部易出现微裂纹从而为混凝土的破坏提供前期条件。在水工建筑物中不同的建筑物和不同的使用部位，水泥要求各不相同，如果水泥品种选择不当也可能为混凝土破坏提供条件。如在水位变化区外部或受水流冲刷的部位，选用矿渣硅酸盐水泥就不利于提高混凝土的抗冻性。混凝土中水泥用量过大也可能使混凝土出现早期微裂缝，对混凝土的冻融破坏造成潜在的危害。

2）骨料。如果有抗冻要求的混凝土中使用了含泥量大于3%的天然砂，会使混凝土的抗冻性降低，从而降低混凝土的冻融循环次数；粗骨料中含有泥也同样存在相同的危害。在粗骨料使用中选择了不连续的级配，这就需要提高砂的用量来填充粗骨料的空隙，随着砂用量的增加，单位用水量也要适当的提高来达到相同的工作度，使得混凝土本身的收缩和含水率提高，从而大大增加了混凝土破坏的几率。

3）掺和料。以粉煤灰为例，应用中选择了高钙灰，其中过多的游离氧化钙会造成混凝土安定性不良从而引起混凝土膨胀开裂，使得混凝土在冻融循环中破坏更加严重。

4）外加剂。外加剂中影响混凝土抗冻性的主要外加剂类型为引气型外加剂、防冻型外加剂、防水型外加剂等。如掺入少量引气减水剂，混凝土含气量偏小，使得混凝土抗冻性不能达到设计指标；若掺入的引气减水剂的量过大，在降低混凝土强度的同时，也同样会降低混凝土的抗冻性，从而影响混凝土的耐久性。水利工程在寒冷地区冬季施工时，必须掺加防冻型外加剂。

2.2 混凝土配合比因素

水灰比偏大、单位用水量偏多、砂率偏大、含气量偏小、石子级配不合理、坍落度偏大等都对混凝土的抗冻性都会产生不良的影响。

2.3 环境因素

水工混凝土一般处于自然界外部环境，其中包括：水环境或潮湿条件，海水冲刷与侵蚀条件，冬季有冰面冻胀和融冰的撞击条件，尤其在辽宁地区冬季温度变化比较频繁，使得混凝土受冻融次数较多，这些条件都影响着混凝土的抗冻性。

2.4 施工和养护条件因素

混凝土在施工和养护阶段都混凝土的抗冻性有着较大影响。在施工现场砂的含泥量偏大、配合比控制不严、单位用水量控制不当、人工搅拌不均、振捣不密实、不注重混凝土的养护等，特别是在冬季施工时混凝土中不掺加防冻型外加剂或现场的防冻措施不良，都会降低混凝土抗冻性。

2.5 设计构造因素

设计中结构排水措施不顺畅、抗冻设计标号偏低等，都影响混凝土的抗冻性。

3 防治措施

3.1 原材料控制措施

1）水泥。根据工程不同的使用部位和工程环境条件选择合适水泥，选用的水泥强度等级应与混凝土的设计等级相适应。经常处于水流冲刷部位、水位变化区部位、溢流面及有抗冻要求的混凝土，宜选用中热硅酸盐水泥或硅酸盐水泥，也可选择使用普通硅酸盐水泥，同时优先选用强度等级较高的水泥；在冬季施工时，宜优先选用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。

2）骨料。应优选洁净、级配良好的中砂和级配良好、孔隙率较小的粗骨料，同时水工混凝土应采用非碱活性的骨料。此外，有抗冻要求的混凝土还应严格控制骨料的含泥量和坚固性。

3）掺和料。在水工混凝土中掺入掺和料，具有改善混凝土性能，提高混凝土质量，减小混凝土水化热，抑制碱骨料反应，节约水泥用量，降低成本等作用。以粉煤灰为例，优质粉煤灰可以降低水泥的水化热，并且水化放热峰值也相应的有所降低，水化放热的时间也得到相应的推迟，其在水工大体积混凝土中应用最为明显。

4）外加剂。外加剂的选择应根据混凝土性能要求、施工需要，结合工程原材料的实际情况进行适应性试验，然后根据试验确定外加剂的种类和掺量。例如，有抗冻要求的混凝土必须掺加引气型外加剂，能提高混凝土的和易性和抗冻性，并严格控制了混凝土的含气量；冬季施工时必须掺加防冻型外加剂，能提高混凝土早期强度，从而减少混凝土的早期冻害；有防水要求的混凝土必须掺加防水型外加剂；大体积混凝土应掺加缓凝型外加剂等等。

3.2 混凝土配合比控制措施

1）水灰比。依据设计的强度等级和耐久性，通过试验选择合适的水灰比。DL/T5082-1998《水工建筑物抗冻设计规范》中提出了小型工程抗冻混凝土的水灰比要求（见表1）。对于大体积混凝土，在选择水胶比时，大体积内部的常态混凝土的胶凝材料用量不宜低于140 kg/m3，水泥熟料不宜低于70 kg/m3，在大体积永久建筑物碾压混凝土总胶凝材料用量不宜低于130 kg/m3。

表1 小型工程抗冻混凝土水灰比要求

2）在满足工作性的前提下，选用较少的用水量。

3）选用最优砂率，既能保证混凝土具有良好的和易性，又能达到工程要求的工作性、最小用水量和最大拌合物密度。

4）粗骨料选用最大粒径较大的骨料和最佳连续级配，同时控制粗骨料最大用量，可以降低混凝土的收缩。

5）根据设计或工程要求，通过试验选择合适的坍落度。

6）依据抗冻性设计标号，合理控制混凝土含气量。DL/T5082-1998《水工建筑物抗冻设计规范》中提出了小型工程抗冻混凝土含气量要求（见表 2）。

表2 小型工程抗冻混凝土含气量要求

7）有抗冻要求的混凝土，在要求的冻融次数的试验中其相对动弹模量宜控制在不小于80%。

3.3 环境防治措施

水工混凝土处于水环境、水或融冰冲刷环境中，提高外层混凝土的强度等级、抗冲刷能力、抗冻标号等级及抗渗等级，从而达到提高混凝土对环境的抵抗能力。

3.4 施工和养护防治措施

1）在混凝土拌和时，严格控制配合比的材料用量，骨料的含水率和含泥量，出机时的混凝土坍落度和含气量。

2）混凝土在运输过程中，应尽量减小运输时间和转运次数，以减小混凝土的坍落度和含气量的损失；在高温或低温下，混凝土应采取遮盖或保温措施，以降低气候对混凝土质量的影响。

3）混凝土浇筑过程中，基面应清洗干净无承压力水。在浇筑过程中，出现和易性较差时，严禁向混凝土中加水，应采用振捣等措施。振捣过程中不能过振或漏振，过振会造成混凝土离析分层，漏振则易出现不密实、产生空洞；特别是对于掺用粉煤灰的混凝土，由于其粘度较高，易于成型密实，如果振捣时间过长易出现粉煤灰上浮，从而造成拌和物出现离析现象。

4）混凝土浇筑完毕，应及时洒水养护，保持混凝土表面湿润。为避免太阳光的暴晒，需在混凝土表面进行遮盖，并连续的保持养护。混凝土的养护时间不易少于20 d，有特殊要求的混凝土可以延长养护时间。在高温季节应加强混凝土的湿润养护，在低温季节应加强混凝土早期养护以防止混凝土的早期冻害。

3.5 设计构造措施

适当提高混凝土的抗冻标号，可提高混凝土抗冻害能力。

3.6 表面防护防治措施

在混凝土表面涂覆防护材料，在水体与混凝土之间形成隔水膜。

3.7 运行管理防治措施

1）为防止混凝土建筑物遭受静冰压力、动冰压力的破坏，可采用机械或人工破冰的方法，即沿建筑物前缘开凿0.5～1.5 m宽的水槽,使建筑物与水面接触处形成不冻水槽，隔断冰压力的传递。

2）对于大冰块对建筑物墩、柱、闸孔的撞击破坏，可采取破冰措施减小冰块尺寸，防止大面积碰撞和人工导引冰块过闸等办法减少破坏。

3）采用水下坝坡表面铺塑料薄膜引滑，在冰层内人为造成滑动斜面，使冰层膨胀时沿塑料布所在的斜面滑动，以消减冰压力。

4）调节水位法，根据中国新疆、黑龙江几座水库的经验，控制水库水位一定的升降速度，可消除冰压力破坏。

5）用压缩空气吹冰，即通过吹入压缩空气使上下层水强制对流或用潜水泵将温度较高的深层水抽上来，向建筑物正面喷射，维持建筑物周围水面不结冰。

6）电热法，即用电热管等加热器直接或间接使物体加热，此法效果好，但费用较高，只适用于小面积的门槽边侧和底部。有些国家试验用有机硅和氟化液及其他聚合物涂层减少防护面与冰的冻结力，或用防冻剂使水的冻结温度降至冬季气温以下，达到防冻目的。

7）冬季排干渠道、涵管、渡槽等内的积水。

4 结语

辽宁地区中小型水工建筑物水位变化区的冻害分析：

1）原材料性能指标不佳引起的冻害；其中，混凝土外加剂影响冻害较大，其次是骨料、掺和料及水泥。

2）混凝土配合比不合理引起的冻害。

3）水位变化区环境条件的变化引起的冻害，特别是辽宁地区冬季经历的正负温循环相对其他省更多，导致混凝土结构遭受冻害循环更加明显。

4）施工控制、条件较差和养护条件差引起的冻害。

5）水位变化区的设计构造不合理引起的冻害。

防治措施：提高混凝土本身性能（包括选用优质的原材料、合理的配合比及掺加引气型外加剂等），改善外部环境条件，严格控制施工和养护技术，提高设计结构的抗冻标号，以及执行合理的运行管理模式等措施。

［1］徐伯孟，等.DL/T5082-1998.水工建筑物抗冻设计规范［R］.中华人民共和国电力工业部，2004.

［2］余化.混凝土常用标准汇编［M］.北京：中国标准出版社出版发行，2005.12.

［3］黄大能.混凝土外加剂应用指南［M］.北京：中国计划出版社，2004.

［4］刘数华、李家正（译）.混凝土配合比设计［M］.北京：中国建筑工业出版社，2009.

［5］妖燕.新型高性能混凝土耐久性的研究与工程应用［M］.北京：中国建材工业出版社，2004.