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水工建筑物的冻融破坏与防治措施,防冻混凝土

发布时间:2019-07-23 01:03编辑:自然地理浏览(113)

    摘要:混凝土工程发生破坏的原因是多种多样的。就冻融破坏而言,一般都是经过由表及里的过程,首先混凝土建筑物表层发生剥蚀,并逐渐向深层发展,直至混凝土产生酥松,失去强度,最后导政工程局部或整个工程破坏。据调查,发生破坏的工程部位大多在水位变化区,如挡水建筑物的迎水面,涵洞,进水闸以及混凝土渠道边坡等。由于工程的某一部位发生了破坏,首先破坏了工程的整体性,削弱了结构的受力能力,降低了工程效益,甚至导致工程报废或发生是敌。因此,水工混凝土建筑物的冻融破坏与防治是一个值得重视和研究的重要课题。

    在建筑行业中,有些施工人员往往把冬期施工的混凝土与结构设计有抗冻等级要求的混凝土都称为“抗冻混凝土”。笔者认为,冬期施工的混凝土,主要是采取技术措施预防混凝土浇筑后,在未达到受冻临界强度以前不发生冻胀破坏就达到了技术要求,应称为防冻混凝土。而结构设计有抗冻等级要求,混凝土自身应具有长期抵抗冻融循环能力的,才应称为抗冻混凝土。在相关标准规范中,查不到防冻混凝土的术语,仅能查到“掺防冻剂的混凝土”或“冬期施工的混凝土”等词语;抗冻混凝土在规范中的术语是:抗冻等级等于或大于F50级的混凝土。实际上这两种混凝土技术要求完全不同,但标准规范没有给出“防冻混凝土”的定义,或有些施工人员对标准规范学习不够,因此容易引起一些施工人员对这两种混凝土产生误解或混淆。譬如:误认为“抗冻混凝土就是掺防冻剂的混凝土”、或“大热天为什么要浇筑抗冻混凝土?”等。这些误解可能造成对抗冻混凝土的生产、浇筑和养护等环节的重视不够而影响到工程质量。防冻混凝土防冻混凝土的技术要求是:在冬期施工过程中,采取可靠的技术措施,使混凝土浇筑后尽早凝结硬化,并在未达到受冻临界强度以前不得发生冻胀破坏。当气温在0~4℃时,水的活性较低,水泥的水化反应极其缓慢,混凝土的强度发展不能达到要求。当温度低于0℃时,混凝土内部水分大部分冻结。水结成冰后产生9%的体积膨胀,混凝土结构将遭致永久性破坏;另外,水结成冰后,混凝土中没有足够的液态水参与水泥的水化反应,混凝土的强度增长极慢甚至停止。因此,冬期施工浇筑的混凝土宜掺入早强剂或防冻剂,并应在混凝土凝结硬化初期,采取适当的保温或增温措施,充分利用混凝土自身热量或外部热量(如电热法、暖棚法等),确保混凝土浇筑后的起始养护温度:严寒地区不低于10℃;寒冷地区不低于5℃,使混凝土强度具备正常增长的条件,尽快的获得受冻临界强度。冬期施工采取的技术措施①材料预热法:即先将水及砂、石预先加热,再用于搅拌混凝土;②蓄热保温法:即采用保温材料覆盖浇筑后的混凝土,使混凝土浇筑后在一定时间内保持不降温或缓慢降温;③暖棚法:即在施工现场搭建保温加热暖棚,使混凝土浇筑后在暖棚内正温环境条件下养护,有条件时最好搅拌、浇筑也在暖棚内进行;④掺入早强剂或防冻剂。此外,冬期施工的混凝土宜适当提高水泥用量,或采用早强水泥,以及采用高性能减水剂或高效减水剂,尽量减少用水量等技术措施。采取以上技术措施的目的,是为了控制和提高混凝土的出机温度和入模后温度,确保混凝土浇筑后强度具备正常增长的条件,在未达到受冻临界强度以前不发生冻害。关于早强剂和防冻剂当今世界混凝土破坏原因按重要性排列的顺序是:钢筋锈蚀、寒冷气候下的冻害、侵蚀环境的物理化学作用。因此,掺用早强剂或防冻剂的混凝土应注意要限制氯盐含量,氯盐是诱发钢筋锈蚀的一个很重要因素,预应力混凝土和钢筋混凝土应严格按有关标准规范规定控制混凝土中的最大氯离子含量,避免发生工程质量事故,造成巨大浪费,国内外许多工程已为此付出了惨重代价。①混凝土早强剂与组分能加速混凝土早期强度发展的外加剂称为早强剂。在实际使用中,大多为复配早强剂,无机盐类对混凝土后期强度不利;氯盐早强剂会引起钢筋锈蚀;硫酸盐早强剂可能产生体积膨胀,使混凝土耐久性降低;钠盐早强剂将增加混凝土中碱含量,与活性二氧化硅骨料产生碱—骨料反应。早强剂过量加入,虽然混凝土早期效果好,但后期强度损失大,盐析加剧影响混凝土饰面;增加混凝土导电性能及增大混凝土收缩开裂的危险。混凝土早强剂的主要组分有:氯化钠、氯化钙、硫酸钠、硫酸钙、硫酸铝、重铬酸钾、三乙醇胺、三异丙醇胺、甲醇、乙醇、甲酸钙、草酸锂、乙酸钠等。②混凝土防冻剂与组分能使混凝土在负温下硬化,并在规定养护条件下达到预期性能的外加剂称为防冻剂。防冻剂绝大多数是复合外加剂,应控制早强组分和防冻组分无机盐类的掺入量,否则使用不当会引起混凝土后期强度倒缩、钢筋锈蚀及碱—骨料反应发生。混凝土防冻剂的主要组分有:防冻组分(如亚硝酸钠、氯化钠、甲醇、尿素、氯化钙、碳酸钾等)、引气组分(如松香皂、松香热聚物、烷基磺酸钠等)、早强组分(如硫酸钠、氯化钙、硝酸钙、三乙醇胺等)、减水组分(如萘系、三聚氰胺、氨基磺酸等)。关于早强剂和防冻剂的选用我国现行标准《混凝土外加剂应用技术规范》(GB50119)第7.3.1条规定:①在日最低气温为0~-5℃,混凝土采用塑料薄膜和保温材料覆盖养护时,可采用早强剂或早强减水剂;②在日最低气温为-5~-10℃、-10~-15℃、-15~-20℃,采用上款保温措施时,宜分别采用规定温度为-5℃、-10℃、-15℃的防冻剂。冬期施工与受冻临界强度临界强度是冬期浇筑的混凝土在受冻以前必须达到的最低强度。我国行业标准《建筑工程冬期施工规程》JGJ104规定:根据当地多年气象资料统计,当室外日平均气温连续5d稳定低于5℃(日最低气温低于-30℃时)即进入冬期施工;当室外日平均气温连续5d高于50℃时解除冬期施工。该《规程》规定冬期浇筑的混凝土受冻临界强度为:①普通混凝土采用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥配制时,应为设计的混凝土强度标准值的30%;采用矿渣硅酸盐水泥配制时,应为设计的混凝土强度标准值的40%;但混凝土强度等级为C10及以下时不得小于5.0MPa。②掺用防冻剂的混凝土,当室外最低气温不低于-15℃时不得小于4.0MPa;当室外最低气温不低于-30℃时不得小于5.0MPa。混凝土中掺入合格的防冻剂后,能降低水的冰点,并改变了冰晶结构,使混凝土在负温条件下不会发生冻胀破坏,且仍有足够的液态水使水泥的水化作用得以继续进行;转入正温后,混凝土强度能进一步增长,达到或超过设计强度要求。因此,《规程》规定掺用防冻剂的混凝土受冻临界强度明显比不掺的低。抗冻混凝土抗冻混凝土是指结构设计要求混凝土具有长期抵抗冻融循环的耐久性能,即满足结构设计规定的抗冻级别。当抗冻混凝土在冬期环境下浇筑时,还必须采取冬期施工的技术措施。抗冻混凝土无论在什么季节施工,都必须掺引气剂来达到结构设计的抗冻级别要求,提高混凝土含气量(4%~6%)是提高混凝土抗冻性能最有效的技术措施。应用抗冻混凝土的工程主要有:水工、港口、桥梁及公路等抗冻等级和抗冻标号根据GB/T50082-2009标准,混凝土抗冻性能按试验方法不同,分抗冻等级和抗冻标号。抗冻等级用符号F表示,而抗冻标号是用符号D表示,两种方法均采用龄期28d的试件在吸水饱和后,检测其承受反复冻融循环下的性能变化。抗冻等级是以试件相对动弹性模量下降至不低于60%或者质量损失率不超过5%时的最大冻融循环次数来确定;抗冻标号是以抗压强度损失率不超过25%或者质量损失率不超过5%时的最大冻融循环次数来确定。常用的混凝土抗冻等级有:F50、F100、F150、F200、F250、F300等,分别表示混凝土能够承受反复冻融循环次数为50、100、150、200、250和300次。影响混凝土抗冻性的因素影响混凝土抗冻性的主要因素是平均气泡间距、水胶比、含气量、骨料和胶凝材料等。①平均气泡间距平均气泡间距是影响混凝土抗冻性最主要的因素,平均气泡间距越大,则冻融过程中毛细孔中的静水压力和渗透压力越大,混凝土的抗冻性越低;一般平均气泡间隔系数在500μm以下可获得高抗冻混凝土。②水胶比水胶比越大,混凝土中可冻水的含量越多,混凝土的结冰速度越快;气泡结构越差,平均气泡间距越大;混凝土强度越低,抵抗冻融的能力越差。水胶比在0.45~0.85范围内变化时,不掺引气剂的混凝土抗冻性变化不大,只有水胶比小于0.45以后,抗冻性才随水胶比的降低而明显提高;水胶比小于0.35的混凝土,即使不掺引气剂,也有较高的抗冻性。③含气量在一定范围内,含气量越多,混凝土的抗冻性越好。但含气量超过一定范围时,混凝土的抗冻性反而降低,原因是含气量增加在降低平均气泡间距的同时,降低了混凝土强度(混凝土含气量每增加1%抗压强度下降3%~5%)。一般当所用的天然骨料的最大粒径为10~40mm时,使新浇混凝土中的含气量达到4%~7%,可获得足够的抗冻性。④混凝土强度当静水压力和渗透压力超过混凝土的抗拉强度时,混凝土即产生冻融破坏。因此作为表征抵抗冻融破坏能力的混凝土强度对混凝土抗冻性也有影响。当含气量或平均气泡间距相同时,强度高的混凝土抗冻性高于强度低的混凝土。但相对而言,强度对混凝土抗冻性的影响程度远没有气泡结构大。⑤骨料当骨料吸水饱和,受冻后在骨料孔隙和骨料-水泥浆界面产生静力压力,超过骨料或界面强度时就产生冻害。因此,影响骨料抗冻性的主要因素是骨料吸水率和骨料尺寸。用吸水率大的骨料(如轻骨料)配制抗冻混凝土更依赖引气剂的掺入;骨料尺寸越大,受冻后越容易破坏,但细骨料对混凝土的抗冻性影响不大。此外,骨料的坚固性、风化程度、粘土含量、杂质含量等对混凝土抗冻性也有影响。⑥水泥品种和用量水泥中随混合材掺入量的增加,混凝土的抗冻性降低,因此抗冻混凝土用硅酸盐水泥配制要优于用其它品种的水泥。对于非引气混凝土,水泥品种和用量对混凝土抗冻性有一定的影响,而对于引气混凝土,这种影响不大。⑦混合材粉煤灰掺量在一定范围内,且强度和含气量相同的条件下,掺与不掺粉煤灰的混凝土抗冻性基本相同。但当粉煤灰掺量超过一定范围时,会降低混凝土的抗冻性。硅粉掺量不超过10%时,混凝土的抗冻性有所提高,超过15%时抗冻性则会明显降低。⑧养护混凝土浇筑后的早期养护对混凝土结构实体强度有明显的影响。笔者用C30泵送混凝土,成型150mm的立方体试件进行试验,从试验结果来看,浇水养护14d的试件抗压强度平均比不浇水养护的试件高4.4MPa,28d碳化厚度少1.5~2.0mm;不浇水试件对回弹推定强度的影响更大。充分说明养护方法对混凝土的抗冻性也有一定的影响。因此,混凝土浇筑后应及时采取有效的保湿养护措施,既增强又防裂,提高混凝土的耐久性。

    关键词:水工建筑物;冻融破坏;防治措施

    众所周知,当混凝土达到一定强度后,长期处在睡下或一直出在干燥条件下,他是不会发生冻融破坏的。如果混凝土一直处于冻结状态,而不发生融解,混凝土也不会发生破坏。只有当混凝土处于湖湿状态并经频繁的冻融交替循环,达到一定程度后,才逐步发生破坏,而且随着冻融次数的增加,破坏愈来愈严重。

    长期以来,人们一直认为冻融破坏是由于混凝土毛细管内存在可动水,冻结后,水变冰,体积膨胀,产生冻胀应力,当冻胀里超过混凝土的抵抗力时,混凝土即发生破坏;引气混凝土之所以抗冻性能好,是因为混凝土内的微小气泡害断了混凝土内的毛细通道,提高了混凝土的抗渗能力,阻止了外界水分的侵入,减少了混凝土内的可冻水;另外由于这些微小气泡能起到松弛应力的作用,即气泡卸压的物理作用,增强了混凝土的抗冻能力。因此,减少混凝土内部可冻水的存在对提高混凝土的抗冻性是十分有效的。

    提高混凝土的抗冻性能,关健在于选择优良的混凝土配合比,原材料,掺用优质的引气剂,减少混凝土内有害毛细水,使混凝土内可冻水减少到最小程度,改善混凝土孔隙结构;另外要提高混凝土施工质量,增强混凝土的抗渗性,从而达到提高混凝土抗冻性的目的。

    掺用优质引气剂室内研究与长期工程实践表明,提高混凝土抗冻性的重要而又有效的措施之一是在混凝土中掺入一定量的引气剂或引起减水剂,并保证其具有足够的含气量。引气剂是一种具有憎水作用的表面活性物质,它可以明显地降低新伴混凝土伴和水的表面张力与表面能,使混凝土内部产生大量均匀稳定,互不连通的微小气泡,这些气泡切断了混凝土中的毛细通道,阻止里外界水分的侵入,减少了混凝土内的可冻水;另外它可使混凝土冻结时所产生的膨胀力得到缓解,起到卸压作用,从而大大提高了混凝土的抗冻性。此外,掺引气剂后,可以明显地改善混凝土的和易 性,便于施工;同时由于引气剂具有一定的减水作用,在保证坍落度不变的情况下,可减少混凝土的用水量,也就减少了混凝土中的可冻水,所以引气剂混凝土的抗冻性远比普通砼好得多。

    1.合理选择水灰比

    当水泥品种,标号与骨料一定时,混凝土强度与灰水比呈线性关系,水灰比混凝土强度相应得到提高,担水泥用测量随之增多。这样一方面砼成本要加大,另外因水泥用量过多,混凝土容易产生裂缝,对工程结构的安全也是不利的。试验与工程实践证明,强度对抗冻并无重大贡献,它与抗冻标号并不存在线性关系。强度高的混凝土其抗冻性未必就高;反之,强度不高(一般具有抗冻要求的混凝土强度不应低于20MPa)的混凝土其抗冻性能未必就差。其关键要看砼内是否含有足够的含气量和较少的可冻水。因此,靠增加水泥用量提高混凝土强度来达到提高抗冻能力是不可能实现的。

    对具有抗冻要求的混凝土工程,其水灰比不宜过大。水灰比过大,单位混凝土用水量增大,混凝土中多余的游离水,在混凝土硬化过程中逐步蒸发掉,生成大量的互相连通的毛细通道,使混凝土的密实性变差,其渗透性,吸水性增强混凝土则容易遭受动容破坏。水工混凝土施工规范根据混凝土工程的部位及所处的环境不同规定了不同的水灰比。如在寒冷地区,上下游水位变化区的混凝土,水灰比不大于0.5,温和地区不大于0.55;上下游水位以上,水灰比分别不大于0.6与0.65等。

    2.选用优质原材料组成混凝土的原材料本身,对混凝土抗冻性能有着直接影响。

    2.1水泥――水泥品种对混凝土抗冻性有一定影响,硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥抗冻性能较矿渣水泥火山灰水泥及粉煤灰水泥好。在硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥中掺入适量的粉煤灰或其它掺合料,抗冻性能明显降低,如果掺入适量的引气剂,使混凝土中含有足够的含气量其混泥土抗冻性不会受到影响。

    2.2引气剂――目前国内引气剂品种繁多,应选用经过签定的高质量引气剂应用前应经过室内试验。因有些引气剂对某种水泥适应性好能发挥引气剂的积极效果;而有些引气剂对某种水泥适应性差,掺入后非但不能发挥其 应有效果,甚至会产生不良后果;另外有些引气剂虽然能使混凝土产生足够的含气量,但气泡直径太大,不仅起不到割断混泥土毛细通道的作用甚至会加剧混凝土冻融破坏的过程。

    2.3骨料――骨料在混凝土中约占混泥土重的80%左右。骨料的质量好坏对混凝土强度,抗冻等各项性能均有直接影响。因此选用的骨料必须质地坚硬,并符合《水工混凝土施工规范》规定的各项技术指标。尤其要严格控制骨料的含泥量和吸水率等技术指标,否则对混泥土的抗冻极为不利。如果骨料吸水率过大骨料吸水饱和后这 部分多余水分,在骨料颗粒冻结时会产生体积膨胀,从而造成骨料和砂浆的冻融破坏。

    3.提高混凝土施工质量

    提高混凝土施工质量是保证混凝土抗冻性的关键,据调查新疆一些大型灌区的水利工程由于施工质量差,导致混凝土工程过早地发生冻融破坏,从而加速工程老化事例很多。因此,对新建混凝土工程的施工,应严格按《水工混凝土规范》的要求进行。从水泥、粗细骨料和引剂等原材料的质量控制到混凝土配料、拌和、浇筑、振捣和养护等各个施工环节-应层层把好质量关。对新拌混凝土及哽化后的混凝土应按有关规定进行质量控制与检验。发现问题随时改正,做到防患于未然。施工质量控制对混凝土工程的抗冻有举足轻重的作用。有了优良的原材料与良好的配合比,如果施工质量控制不好,要获得抗冻性能好的混凝土是不可能的。

    混凝土浇筑后,加强养护,是非常重要的一环,决不可忽视。养护充分,可减少混凝土表面裂缝,同时可提高混凝土的强度与抗冻性能;另外要注意避免混凝土早期受冻。对已遭受剥蚀破坏的混凝土,应及时进行修补,已经酥松的混凝土再进行修补已为时过晚,修补的关键是基底的粘结问题,基底粘结不牢,再好的修补材料也起不到加固的作用。

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