寒冷地区水工建筑物冻害分析及防治实例

1、寒冷地区水工混凝土构筑物冻害分析及防治实例一、前言我国幅员辽阔，纬度、海拔变化较大，存在广大的寒冷地区。处在寒冷地区的水工构筑物，在冬季运行过程中往往会发生冻害现象，从而影响水工构筑物的耐久性和正常使用。水工构筑物冻害成因有很多，主要分为内因和外因,其中地基土的冻胀、融沉、冰冻及长期冻融循环等是自然规律所产生的破坏作用属冻害的内因;而设计不合理、施工技术不正确和工程管理不好等原因是人为因素,属造成水工构筑物冻害的外因。我们在进行寒冷地区的水工构筑物的建设过程中除了要避免外因所造成的冻害外，还要尽量减小内因对水工构筑物的影响。本文主要分析了水工构筑物冻害的内因，结合工程实例提出了针对各种主要冻害

2、内因防治的办法。二、主要冻害原因分析1、低温引起的水工混凝土冻融破坏混凝土的冻融破坏是指水工混凝土建筑物已硬化的混凝土在浸水饱和及潮湿的条件下,由于环境温度的变化,使混凝土内部的孔隙水冻结膨胀、融解松驰产生的疲劳应力而造成的混凝土由表及里逐渐剥蚀的破坏现象,它是寒冷地区水工混凝土建筑物破坏的主要类型。特别是中小型建筑物,混凝土因冻融作用而产生的剥蚀几乎占100%。冻融破坏主要发生在建筑物的水位变化区、溢流处、取水口及挡土墙等处。混凝土的冻融破坏从发生原因来看，主要是有以下两个原因引起的：（1）在低温浸水条件下混凝土冻融循环破坏。这种破坏的基本特征是：已硬化的混凝土在低温常温的循环条件下，混凝土

3、内部的微孔、微裂隙和毛细孔内的水从液态到固态往复循环,经过多次冻结和融解产生微变形,使混凝土内部逐渐受到损伤。（2）早龄期受冻融破坏。这种破坏的主要特征是：混凝土内部在受冻之前,没有足够的抗压强度，微孔内和毛细孔内的游离水(105可蒸发掉)冻结,表现为强度的降低以及引起外形的变化。另外，一些工程在秋季停水以后施工，由于混凝土龄期较短气温达到零下而产生冰冻，春季融化后混凝土疏松发生了破坏。还有在冬期施工中掺用一些含盐的防冻剂，这类防冻剂对混凝土的抗冻耐久性能也有不良的影响。2、水工构筑物因为地基冻涨、融沉引起的破坏地基土中的水冻结成冰时体积膨胀,当这种膨胀足以引起土颗粒间的相对位移时,就形成冻结

4、时土体积的膨胀,即称之为土的冻胀。受水工构筑物基础和侧壁的约束膨胀的冻土会对相应的位置产生较大的法向压应力。另外，由于冰冻作用水工构筑物基础、侧壁与冻土产生胶结力,对土的冻胀产生了切向约束作用,在不均匀冻胀的作用下,对水工构筑物基础、侧壁产生较大的切向剪应力。这些法向压应力和切向剪应力统称冻胀力。当冻胀力足以造成水工构筑物产生不允许变形或者丧失稳定性时,构筑物则产生冻胀破坏。而另一方面，冻土中存在的冰在融化以后体积缩小,使土在自重作用下产生一定量的下沉,冰变成水后,在自重和外荷载作用下沿孔隙排出,从而使土进一步压缩下沉。由于水工构筑物各部分地基土的土质和含水量的不均匀,并且融化深度也不一样,因

5、而造成构筑物各部分的不均匀沉降,当沉降量超过构筑物的允许变形量时,构筑物则会破坏，这种破坏称为融沉破坏。3、水工构筑物由于冰荷载所引起的破坏在寒冷地区,冬季河流、水库、湖泊等水域、以及露天水池、输水渠等都有不同程度的结冰、封冻、解冻的过程,冰层厚度自0.31.5m不等。在封冻、解冻期间,水工建筑物因受静冰压力或动冰压力作用而造成破坏,特别是水库、大型蓄水池工程更为严重。4、大型水工构筑物低温变形引起的破坏大型的水工构筑物或体形较细长的水工构筑物（如输水涵洞、渡槽等）在低温的影响下一般会发生较大的线性变形。受地基或其它相连构筑物的约束，并将产生较大的内部应力，从而发生破坏。三、冻害的主要防治措施

6、既然寒冷地区的水工建筑物在冬季严寒的影响下，可能从多个方面发生冻害，而影响正常使用及耐久性。那么我们在设计、施工以及使用过程中应该采取哪些措施，尽可能的减少冻害的发生呢？下面我们就从各个引起冻害的主要原因来注意分析一下。1、 水工混凝土的冻融破坏寒冷地区的水工混凝土发生冻融破坏是一个由表及里、逐步深入的过程，那么混凝的表层就是防止混凝土发生冻融破坏的第一道也是最重要的一道防线。由于混凝土的冻融破坏主要是由于混凝土内部的微孔隙、微裂缝中的水发生冻融循环引起的，那么减少混凝土表层的孔隙和裂缝就减轻或避免冻融破坏的最好方法。11、 水工混凝土的孔隙混凝土作为一种水硬性材料，在制作过程中必然要加入一定

7、的水分。而在硬化过程中减少水工混凝土的孔隙，一般采取严格控制水灰比,使用优质引气剂、复合引气剂等措施。根据工程经验,提出以下建议:有抗冻要求的水工混凝土，在寒冷地区，对钢筋混凝土要达到F200，素混凝土要达到F150；在严寒地区，对钢筋混凝土要达到F300，素混凝土要达到F200。现阶段应当做到：使用优质引气剂；控制混凝土施工含气量在3%5%；严格控制水灰比,目前水灰比不能大于0.45；有条件时要选用优质的掺和材料,如沸石粉、硅粉、矿渣、优质磨细粉煤灰等。12、水工混凝土的裂缝水工混凝土的裂缝的产生主要有以下几个原因：表面龟裂。这类缝无规律，细、密、浅，大都是混凝土早期过快地失水干缩引起的。由

8、于混凝土是一种多相的不均匀材料,构成混凝土的各种固体颗粒大小,密度不同。当施工不规范时,尤其是中小型工程,质量检查不认真,极易出现微裂缝。这种表面的龟裂若发生在水工混凝土结构的上部,对建筑物的危害并不很大,若发生在水位变化区由于冻融的作用,就会危及建筑物的安全。贯穿性的裂缝。裂缝宽一般为0.52.0mm，长度12m或10m以上。这类裂缝一旦出现在水工混凝土构筑物中，特别是如果处在水位变化频繁冻融区，在冻融的影响下裂缝必将进一步发展，直至危及建筑物的安全。这种裂缝的产生，主要是混凝土内部应力较大引起的。也就是说，荷载、温度变化、基础不均匀沉降等原因综合作用所引起的应力一旦超出混凝土（或钢筋混凝土

9、体系）的极限应力，必将产生这种贯穿性裂缝。水工混凝土的裂缝，特别是寒区中小型水工混凝土建筑物的裂缝是主要病害原因之一。而有的裂缝具有极大的破坏性。为了减少裂缝所引起的水工混凝土冻害，在工程设计和施工过程中主要要注意以下几点：(1)在水工混凝土的设计过程中，要充分考虑各种可能发生的情况（如温度、沉降、混凝土徐变）所引起混凝土应力变化；详细计算特殊部位（如水池的边角、截面变化处、高低变化处）的应力变化状况；严格执行规范、标准要求的构造处理措施。(2)在施工过程中，严格控制混凝土的配合比、原材料质量、坍落度、拌和及施工质量；严格控制混凝土的养护及施工步骤、周期。(3)对于量大面广的中小型水工混凝土构

10、造物要积极推广已经成熟的保温措施来减缓或杜绝冻胀造成的混凝土裂缝；如条件允许，在水工混凝土表面可采用聚合物面层或聚合物砂浆护面。2、冻涨、融沉引起的冻害冻涨、融沉所引起的冻害，归根结底就是因为水在固、液两相变化过程中发生的体积变化所引起相连水工建筑物的应力超出设计极限应力说引起的破坏。可以归结为两种基本方法：消除或削减冻因措施，即地基处理措施；增强建筑物抵抗和适应冻融变形能力的措施，又称结构措施。下面就分别叙述一下这两种方法的具体经验措施。21、地基处理措施(1)换基：地基换土是应用最早、效果较好的防冻措施。将冻胀性地基土换成非冻胀性的砂、卵石、或在土中掺憎水物质，使土体憎水，避免冻胀；或回填

11、干容重1.65t/m3粘性土以便减轻冻胀；其中特别要注意的是部分冻土深度内的非基础结构构件（如基础框架梁、地下承重墙、填充墙、水池外挑阀门井、池壁等）下部（侧面）也需要处理，填入矿渣、炉渣等松散材料会有较好的效果。(2)采用保温材料防治冻害：把水、冰、雪、草、炉渣等覆盖于基础表面，或用承载力较大的保温材料铺砌于基础底面，一方面减小冻深，另一方面改变了基础下土体中的温度状态。22、结构处理措施（1）允许出现冻涨变形的构（建）筑物：允许出现冻涨变形的构（建）筑物其基础可以适当浅埋，但在结构设计过程中要注意将变形控制在结构准许的范围之内。具体在设计过程中可采取以下方法控制：a、上部结构可采用柔性结构

12、，尽量扩大正常使用的极限允许变形范围；b、增强基础或上部结构的刚度和整体性，计算可能出现的冻涨融沉所引起的结构内部应力，将其控制在结构强度允许的范围内；c、合理的分割结构、设置变形缝，在可能出现较大冻涨变形的部分将结构分为不同的单元，设置变形缝，以扩大结构允许变形避免结构破坏。（2）不允许冻涨变形的构（建）筑物：不允许冻涨变形的构（建）筑物必须控制因冻涨融沉所引起的结构变形，在结构设计过程中可采用以下方法：a、采用深基础，也就是说将基础置于冻土深度以下，从根本上避免了冻涨融沉所产生结构变形；b、如条件限制无法采用深基础，则可以采用锚固基础（例如：深桩基础、各种扩大基础）来约束冻涨融沉所产生结构

13、变形。3、冰荷载所引起的破坏冰荷载所引起的水工建筑物的破坏，主要表现在冰面冻结或融化过程中冰块对水工建筑物表面的碰撞、摩擦、挤压等外力作用。只要在设计过程中充分的考虑到以上情况所引起的结构应力，采取相应的构造措施；在施工过程中保证施工质量，确保与冰所接触的结构构件的强度、抗磨、抗冲击荷载性能，则这种冻害还是很容易避免的。4、大型水工构筑物低温变形引起的破坏从大型水工构筑物低温变形引起的破坏所引起的原因来分析，要避免这种原因所引起的冻害主要从以下两方面入手：4.1、在设计过程中充分考虑由于低温线性变形受约束或构筑物不同部分有较大温差温度变形差距较大等原因所引起的结构内力。在结构设计中将该荷载考虑

14、进去，增大结构强度、刚度，以避免结构产生破坏或较大变形。这种办法的优点是设计简单、施工方便，但是在有些情况下会造成较大的浪费甚至无法实施。4.2、另一方面就是在设计过程中尽量减小温度变形的产生或缩小不同部分的温度变形差。主要就是对结构外露部分采取有效可靠的保温措施。在工程实践中大多数情况都是这两种办法综合采用以达到稳定、可靠并且又经济的抗冻效果。四、防治措施的工程实例2007年内蒙古自治区北部海拉尔热电厂需建设一个污水处理站及中水处理站。该地区冬季最低气温为零下40C以下，年平均气温零下35 C，最低月平均气温零下2530 C。地下水位较高，冻土深度为地面以下1.5米。在该工程建设中主要需考虑

15、的防止冻害的水工构（建）筑物主要有如下几个：1、生化处理池：露天，池内水温保持在15以上，整体体积较大；2、澄清池、污泥浓缩池：由于工艺要求埋深较浅，位于冻土深度以上，整体体积较大；3、混凝沉淀池：全地上，露天，此内水温保持在10以上；4、取水口、排水口：半地下，露天，位于自然水体中，自然水体冬季自然封冻冰面厚度可达1.5米以上。为了防止冻害的发生，我们在设计建设过程中针对不同的水工构筑物的位置和特点，进行了由针对性地设计和施工措施。首先，从材料上入手，针对所有的与水接触的混凝土除满足强度要求外，根据不同情况分别提高混凝土抗渗等级至S8S10，抗冻等级F200F250。并且采取了如下措施：a、

16、针对施工单位提出混凝土施工温度控制的具体要求和混凝土养护的基本要求，控制外加剂的品种和掺量，确保混凝土收缩与膨胀相抵消；b、混凝土配合比设计时，在保证混凝土具有良好工作性的情况下，应尽可能的降低了混凝土的单位用水量，采用“三低（低砂率、低坍落度、低水胶比）二掺（掺高效减水剂和高性能引气剂）一高（高粉煤灰掺量）”的设计准则；c、施工过程中，对混凝土加强振捣，拆模后铺草浇水养护保湿；d、施工过程中加强了观察模板的位移和混凝土浇捣的密实情况，避免了漏振，过振，并且在第一次振捣后进行了第二次振捣；e、针对较大体积混凝土使用了普通硅酸水泥，还掺加了适量的粉煤灰；f、在设计和施工过程中，严格控制了碱活性的

17、砂石骨料，并且选用了低碱或无碱外加剂。其次，在设计过程中针对各种可能出现的低温引起的结构内部应力进行了充分的考虑，并增加了相应的构造措施。在结构设计过程中严格按照裂缝控制要求进行设计，分别将混凝土结构裂缝按照不同位置、要求按相应规范要求进行控制。对于所有露天池体的混凝土外壁增加100以上聚苯保温材料或240以上砖墙进行保温。对于基础位置较高的池体，对冻土深度以上地基采用级配砂石换填，并对地面以下池壁外侧至基础填入1500以上炉渣进行保温。再采取了上述措施后，该工程经过了冬季极低温度后，各方面均能满足要求，达到了较好的效果。五、结语综上所述，由于冻害影响，寒区水工建筑物耐久性过低的问题普遍存在，特别中小型水工混凝土建（构）筑物耐久性的问题更加严重。究其原因，单一类型破坏比较少见,大都是集中破坏的综合作用结果。而针对不同的冻害原因，我们如果在工程的设计、建设过程中重视起来采取合理、可靠的措施，是可以提高寒区水工建筑物耐久性从而满足使用要求的。冯绍初2009年3月参考文献：1.寒冷地区水工混凝土建筑物侵蚀破坏的类