事故简介

某水电站大坝坝高33.2m，坝长134m，1960年建成投入运行。水电站在华北地区，一年内正负温交替次数为80～100次，在运行过程中，大坝上游面的水位变化区、溢流面、闸墩等部位出现了混凝土冻融剥蚀破坏，剥蚀破坏面积为300～500m²，剥蚀深度为4～6m。东北地区更是有许多水利工程、大坝出现冻融剥蚀破坏。

原因分析

水结冰时体积膨胀率为9%，过冷的水发生迁移，引起各种压力，当压力超过混凝土能承受的强度时，就会使混凝土内部空隙及微裂纹逐渐增大、扩展，相互连通，强度逐渐降低，混凝土表面剥蚀，造成混凝土破坏。如港工建筑物接触海水，其冻融破坏力将更大，破坏较严重的部位是潮差区和浪溅区，即容易受海水饱和又经受冻融循环的部位。

事故处理

为确保工程安全运行，将冻融剥蚀破坏的混凝土凿除，设锚筋，纵横间距600mm，双向锚入新老混凝土中，补强混凝土内设Φ16和Φ19钢筋网，间距250mm，外包抗冻混凝土。

预防措施

1）选择优质引气剂配制抗冻混凝土。在混凝土组成材料中，对抗冻性影响最显著的因素是外加剂。我国从20世纪50年代开始，为提高水工混凝土的抗冻性，成功研究出松香热聚物引气剂（当时称加气剂），并在水利、水电工程中广泛应用。引气剂的作用主要是在混凝土拌和过程中引进微小且不连通的气泡，这些气泡在硬化后的混凝土中可以缓解冻融过程中产生的冰胀压力和毛细孔水的渗透压力，从而提高混凝土的抗冻融能力。大量试验和工程实践证明，在掺用引气剂并使其混凝土含气量达到一定要求的情况下，混凝土的抗冻性可提高8～10倍。掺用引气剂使混凝土含气量增加，在提高混凝土抗冻性的同时，也会引起混凝土抗压强度的下降。试验证明，混凝土中含气量每增加1%，抗压强度降低3%～5%。因此，在混凝土拌和生产中，含气量是现场质量控制的重要内容之一。混凝土含气量的允许偏差范围应为设计要求值的±1%。例如：抗冻混凝土含气量设计要求值为5%，则其允许波动范围为4%～6%。

自20世纪70年代后期以来，港工和水工为提高混凝土抗冻性和探索气泡对抗冻性的影响，开展了硬化混凝土中气泡参数对混凝土抗冻性影响的研究，气泡参数主要包括气泡平均半径r，气泡比表面积α、单位体积气泡个数n及气泡间距系数L等。研究结果表明，混凝土在相同水灰比和相同含气量的情况下，由于气泡参数不同，其抗冻性也有较大的差别，如图5-4～图5-7所示。在气泡参数中，最主要的指标是气泡间距系数L。L越小，混凝土的抗冻性越高。国内外研究结果认为，气泡间距系数L≤250μm时，混凝土具有良好的抗冻性（300次冻融循环）。目前我国比较好的引气剂有松香树脂类和皂角类。

图5-4 混凝土气泡间距系数与抗冻性关系

图5-5 气泡平均半径与混凝土抗冻性的关系

2）除冰盐混凝土和抗冻混凝土不宜采用矿渣水泥和粉煤灰水泥，应采用硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥配制。实践证明，不同的水泥品种，对混凝土抗冻性有一定的影响。在水泥强度等级、配合比和外加剂等因素相同，水泥品种不同的情况下，混凝土的抗冻性排列大致如下：硅酸盐水泥＞普通硅酸盐水泥＞矿渣硅酸盐水泥>火山灰质硅酸盐水泥>粉煤灰硅酸盐水泥。一些熟料含量低的水泥，虽然有的早期强度高，但由于熟料含量太少，抗冻性也不高。

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图5-6 混凝土单位体积气泡个数与抗冻性关系

图5-7 普通混凝土中粉煤灰掺量与抗冻性的关系

3）控制粉煤灰用量。水工部门通过大量的实验研究证明，对于单独掺用粉煤灰的混凝土来说，除了采用硅酸盐水泥和小掺量优质粉煤灰（10%）的情况外，混凝土的抗冻性均随着粉煤灰掺量的增加而降低（图5-7）。如将粉煤灰和引气剂联合使用，那么粉煤灰混凝土也可以制成高抗冻的混凝土，但对于D300以上的高抗冻混凝土，粉煤灰的最高掺量一般不应超过30%。

4）掺硅粉提高混凝土抗冻性。硅粉是铁合金厂在冶炼硅铁过程中，从烟道中回收的粉状微粒。硅粉极细，平均粒径为0.12～0.16μm，且比表面积为20m²/g，是一般水泥粒径的1/100～1/80。硅粉的主要成分是活性二氧化硅，含量一般在90%以上。由于硅粉具有高活性、高细度的特点，因此在混凝土中掺用硅粉后能较大地促进水泥的二次水化，增加水化物，而且可使水泥的水化物均匀分布，同时也可改善水泥石与骨料接合面的状态。因此掺用硅粉可使混凝土强度得到显著提高。水工部门的研究成果表明，在混凝土中掺用硅粉后，还有利于气泡结构（气泡参数）的改善，如使气泡平均半径减小，气泡间距系数降低，从而使混凝土的抗冻性得到提高，见表5-2。

表5-2 硅粉对混凝土气泡参数和抗冻性的影响

5）严格控制混凝土水胶比。混凝土水胶比越大，毛细孔越多，密实度就越差，吸水率也越大，在冻融过程中产生的冻胀压力和渗透力就越大，因此混凝土的抗冻性也就越差。水工混凝土水胶比最大允许值见表5-3。

6）控制混凝土骨胶比。有较高抗冻要求的混凝土，水泥用量不能太低，砂石用量不能太多，见表5-4。

表5-3 水胶比最大允许值

表5-4 混凝土中骨胶比对抗冻性的影响