微精选

本文选自《商品混凝土》杂志2023年第10期

万建成，戚宝琳，姜达，姜常青，李艳芳

［摘 要］本文结合工程实例，详细地介绍了抗冻融混凝土的配制工艺，阐述了其在运输、储存、施工以及质量控制上的注意事项，对实际生产、施工过程如何保证和控制质量具有一定的指导意义。

［关键词］抗冻融混凝土；耐久性；配合比；质量控制

1 工程概况

威海市双岛湾科技城建设水运设计工程（十五标段）位于双岛湾西侧海岸（图1），南起青荣城际铁路，北至双岛大桥，岸线长度共1632.8m。岸线共分两部分：斜坡护岸段及直立护岸段。

护岸属于一般水工建筑物，设计使用年限为50年，结构安全等级为二级，结构重要性系数γ₀=1.0。

2 设计要求

采用了耐久性较好的抛石护岸结构。石料均选用不成片状、无严重风化和裂纹的块石。护面块石及基床块石饱和单轴极限抗压强度不低于50MPa；其他块石饱和单轴极限抗压强度不低于30MPa。

对于胸墙等大体积混凝土结构、处于水位变动区的预制混凝土方块和处于水位变动区的挡墙、踏步基础及无障碍坡道等钢筋混凝土结构混凝土，强度等级均采用C35F300。对处于表湿区（浪溅区和水位变动区）（高程在-0.5～2.7m之间）的钢筋混凝土构件迎水面应采用混凝土表面防腐涂层。图2为抗冻混凝土的浇筑现场。

3 混凝土的冻融破坏机理

含水或与水接触的混凝土在长期正负温度交替作用下出现的由表及里的剥蚀现象，称为冻融破坏。混凝土属于多孔结构类材料，在拌制混凝土时加入的拌合水要多于水泥水化用水，并以游离水的形式滞留于混凝土中形成毛细孔，这种孔隙中的自由水是导致混凝土遭受冻害的主要原因。当环境温度低于0℃时，混凝土表面孔隙中的水开始结冰。孔隙中的水分将会逐步冻结，形成冰涨压力和渗透压力，当这种压力超过混凝土能承受的应力时，混凝土产生由表及里的剥蚀破坏，从而降低混凝土强度。当环境温度升高时，混凝土内孔隙水解冻，细小孔隙及新产生细微裂纹因毛细现象而吸水饱满，与其相连的孔隙也会吸收一部分水。混凝土遭受冻融循环后，由于水在运动过程中造成的膨胀压力和渗透压力，原先一些封闭的孔互相联通，混凝土的内部组织变得疏松，造成了混凝土总孔隙率的增大，并且冻融次数越多，混凝土遭受的破坏程度也就越大，孔隙率也就越大。使得新裂缝不断产生，冻融循环发生一段时间后，混凝土就会逐渐产生结构破坏。

4 原材料要求

4.1 水泥

宜采用普通硅酸盐水泥或硅酸盐水泥，不宜采用火山灰质硅酸盐水泥，质量应符合现行国家标准《通用硅酸盐水泥》（GB 175—2007）的有关规定。普通硅酸盐水泥和硅酸盐水泥熟料中铝酸三钙含量宜在6%～12%。

为了提高水泥的韧性，降低水泥的脆性，应尽量提高水泥中的铁铝酸四钙和硅酸二钙含量，降低硅酸三钙和铝酸三钙的含量，进而提高混凝土抗冲耐磨性能。

4.2 掺合料

4.2.1 粉煤灰

可采用Ⅰ级或Ⅱ级粉煤灰，粉煤灰的质量符合表1的规定。

混凝土中掺加粉煤灰后，由于含碳量增加，多孔结构的碳粒具有较强的吸附能力，能减少拌合物中含气量。掺粉煤灰混凝土的抗冻性，必须保证混凝土中有一定的含气量，如果采用优质粉煤灰，粉煤灰混凝土含气量又合适，以及保证养护条件，其28d抗冻性不低于不掺粉煤灰混凝土。

4.2.2 磨细粒化高炉矿渣

可采用S95级，粒化高炉矿渣进场检验应符合现行国家标准《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》（GB/T 18046—2017）和现行行业标准《水运工程质量检验标准》（JTS 257—2008）的有关规定。其质量符合表2的规定。

掺入混凝土中可以提高混凝土的抗渗性以及对海水、酸与硫酸盐等的抗化学侵蚀能力，具有抑制碱—骨料反应等效果。

4.2.3 细骨料

细骨料应按现行行业标准《水运工程质量检验标准》（JTS 257—2008）的有关规定，按批检验颗粒级配、堆积密度、含泥量、泥块含量和氯离子含量等指标，必要时还应检验其他质量指标，如云母含量等。

混凝土抗冻性随云母含量增加而降低。这是由于渗入云母片之间及云母与水泥浆之间的空隙中的水，在冻融交替下加速了破坏作用。

4.2.4 粗骨料

应采用质地坚硬的碎石、 卵石或碎石与卵石的混合物作为粗骨料，其强度可用岩石抗压强度或压碎指标值进行检验。按现行行业标准《水运工程质量检验标准》（JTS 257—2008）的有关规定，按批检验颗粒级配、含泥量、针片状颗粒含量和压碎指标等，必要时还应检验其他质量指标。

石料中所含黏土对混凝土抗冻的影响非常明显。当含泥量为1%时，抗冻性的降低不很显著；当含泥量为3%～7%时，混凝土抗冻性显著降低。

4.2.5 外加剂

引气剂掺入混凝土后，大量的微小气泡均匀分布在混凝土内部，能够吸纳从附近孔隙中迁移的自由水，大大降低了因混凝土内部自由水结冰所产生的静水压力。在一定范围内，引气剂引入的气泡越多，泡径和气泡间距系数越小，就越有利于提高混凝土的抗冻耐久性。优质引气剂气泡平均直径小于20μm，气泡间距系数为0.1～0.2mm。

混凝土中掺入引气剂而引入的大量微小、均匀、稳定的气泡，可明显提高混凝土抗冻融能力，但含气量超过一定范围，又会明显地降低混凝土强度。因此，为保证混凝土的强度和抗冻性，需检测混凝土拌合物的含气量。

5 配合比设计

抗冻融混凝土配合比，应按现行行业标准《水运工程混凝土施工规范》（JTS 202—2011）的规定，通过计算和试配确定。

混凝土的施工配制强度应按下式确定：

f_cu,0=f_cu,k+1.645σ

式中：

f_cu,0——混凝土的施工配制强度，MPa；

f_cu,k——设计的混凝土强度标准值，MPa；

1.645——混凝土的强度保证率达95%时的概率度；

σ——施工单位的混凝土强度标准差，MPa。

提高混凝土抗冻性措施主要有掺加引气剂、严格控制水胶比等因素。

5.1 引气剂

应掺用引气剂，引气剂的掺量应通过试验确定，混凝土的含气量应符合表3的规定。

在混凝土中引入空气会造成混凝土的强度的降低，一般含气量每增加1%将会使强度降低3%～5%，掺入引气剂应相应降低2%～3%的砂率。

5.2 严格控制水胶比

混凝土的水胶比大、游离水多、孔隙多，密实度就小，因而会降低混凝土的抗冻能力。水胶比小，混凝土的密实度高、强度高、毛细孔数量少，其吸水率低，可以减小水冻结时产生的破坏力。同时，水胶比下降，混凝土浆体中可结冰水量也会下降。

在混凝土含气量相同条件下，混凝土抗冻等级随水胶比增大而降低，因此混凝土水胶比需根据混凝土抗冻要求严格控制。

5.3 确定配合比

5.3.1 混凝土所用材料

（1）水泥：采用烟台山水水泥有限公司P·O42.5R普通硅酸盐水泥，3d抗压强度为9.7MPa，3d抗压强度为53.6MPa，其它各项物理力学指标符合要求。

（2）碎石：采用威海诚枫贸易有限公司花岗岩5～31.5mm连续级配，掺配比例为：5～10mm : 10～ 20mm : 16～31.5mm = 20:40:40，各项物理力学性能指标符合要求。

（3）砂：采用威海市经区彬翔石材贸易商行细度模数为3.0中砂，级配良好。

（4）水：饮用水。

（5）掺合料：矿渣粉用作混凝土掺合料，具有比粉煤灰更高的活性，而且品质和均匀性更易保证。采用烟台冀东润泰建材有限公司S95级矿粉，矿粉中CaO+SiO₂+Al₂O₃的总含量为82.73%，SO₃含量为0.8%，烧失量为0.37%，活性指数7d为76%，28d为101.3%。比表面积为405m²/kg，流动度比99%，45μm筛余1.6%。矿渣粉的设计掺量为胶凝材料的20%。

（6）外加剂：采用威海市环翠区青丽建材有限公司QL-2聚羧酸引气型减水剂，无氯、低碱对水泥有较强的分散作用，能改善混凝土和易性，并减水率较大，能降低水灰比、增加密实度、提高混凝土的耐久性。

设计坍落度180～220mm，含气量4～7%，抗冻标号F300，采用快冻法以龄期28天的试块在吸水饱和后，承受反复冻融循环，相对动弹性模量下降至60%或质量损失率达到5%时，以相应的冻融循环次数评定抗冻等级。

5.3.2 配合比参数

（1）确定水灰比W/C=0.416

（2）确定砂率ß_s=42.3%

（3）确定用水量m_w=170kg

（4）计算胶凝材料用量= 170/0.416 = 409(kg)

微硅粉掺量为409×20%=82(kg)

水泥用量为409-82=327(kg)

（5）计算砂石用量

假定每方混凝土的重量为2400kg，则：

m_s0+m_g0=2400-170-327-82-9.0=1812(kg)

m_s0=1812×42.3%=766(kg)

m_g0=1812×57.7%=1045(kg)

确定配合比见表4。

试拌实测拌合物坍落度200mm（图3），含气量6.2%（图4），表观密度2380m³/kg，不超过假定容重的0.2%，不需要校正。拌合物粘聚性、和易性、保水性良好。

6 抗冻试验结果

6.1 抗冻性能试验方法及标准

混凝土的冻融试验按照SL352—2006《水工混凝土试验规程》、GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》。采用快冻法，制作试件100mm×100mm×400mm的棱柱体，冻融循环一次时间为2～4h内完成，在冷冻和融化过程中，试件中心最低和最高温度应分别控制在(-18±2)℃和(5±2)℃内，评定指标为相对动弹性模量下降至60%或质量损失率达到5%。

6.2 抗冻性能试验结果

抗冻性能试验结果见表5。经检验，该配合比达到F300抗冻等级以上。

7 质量控制

7.1 搅拌

（1）在配合比设计时使用的是普通河砂（或机制砂），实际生产时由于在清洗砂的过程中加入适量絮凝剂，会有一定量的絮凝剂附着在河砂（或机制砂）的表面，对混凝土外加剂的掺量以及坍落度损失造成较大的影响。一般生产线会配备 3个外加剂罐，在固定抗冻融外加剂2.2%的掺量后，保证水胶比，用普通减水剂随时进行调整（含絮凝剂的砂需要增加外加剂掺量）。通过不同厂家的砂试验对比，外加剂的最高掺量达到3.1%。

（2）混凝土拌合物的坍落度和含气量，应在搅拌地点和浇筑地点分别取样检测，每一工作班应对坍落度至少检查 2次，含气量至少检查 1次。

7.2 运输

运输能力应与搅拌产量及浇筑进度相适应，并尽量缩短运输和工地滞留时间。如果出现坍落度损失较大的现象，不得私自加水，要用普通减水剂进行调整。

7.3 浇筑

高频振捣会引起混凝土含气量的损失，从而引起混凝土气泡参数的变化和抗冻性的下降。因此，施工时应严格控制振捣时间以免过振，保证混凝土的抗冻性满足设计要求。

7.4 养护

混凝土浇筑完毕后应及时加以覆盖，终凝后应保湿养护。使用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥时，潮湿养护不得少于14d。

8 结语

水运工程建筑物（构件）经常与水接触或处于潮湿环境中，混凝土冻融和钢筋腐蚀破坏比陆上要严重得多，特别是与海水接触的建筑物（构件）则处于更为严重的暴露条件下，由于受海水的物理化学作用、波浪和漂流固态物的撞击以及磨耗等各种有害作用而逐渐破损，其中最为突出的是处于水位变动区的冻融破坏和浪溅区的钢筋腐蚀破坏，混凝土的耐久性往往成为控制混凝土质量的主要指标。

具体实际施工要选择质量优良的骨料、满足质量与强度等级要求的水泥和掺合料、优质的引气剂，配合合理的配合比，严格控制配制工艺，并加强施工管理，确保混凝土抗冻能力，进而保证抗冻融混凝土的工程质量。

参考文献

[1] JTS 202—2011．水运工程混凝土施工规范[S]．

[2] JTS 151—2011．水运工程混凝土结构设计规范[S]．

[3] JTS 2022—2011．水运工程混凝土质量控制标准[S].

[4] JTS 257—2008．水运工程质量检验标准[S]．

[5] 黄国兴，陈改新，纪国晋，等．水工混凝土技术
[M]．北京：中国水利水电出版社．2014．

[6] 吴中如，顾冲时．重大水工混凝土结构病害检测与健康诊断[M]．北京：高等教育出版社，2007．

供稿人：万建成，戚宝琳，姜达等

编辑员：李海亮

审核人：孙继成，宁夏

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