浅谈堆石混凝土在高抗冻指标要求工程的应用

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发布时间: 2023-08-30

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一、前言

抗冻性是混凝土耐久性最重要的指标之一，在寒冷地区，冻融破坏成为混凝土结构寿命缩短、甚至破坏的主要因素。我国黄河以北、西北高原地区大多处于寒冷地区，在这些地区的水工、港工、道路和桥梁等工程中，冻融破坏是其运行过程中的主要病害。为了解决这一难题，需要通过提高混凝土的抗冻指标来抵御低温气候所带来的不利影响。

堆石混凝土技术发明至今已二十年，在国内工程应用超过750万方，既有贵州、福建、湖南等气候温和地区，也有青海、甘肃、河北等寒冷地区。与常规混凝土、碾压混凝土等混凝土材料相同，堆石混凝土在寒冷地区同样需要提高自身的设计抗冻指标。本文结合堆石混凝土抗冻性能检测方法、提高抗冻性能的基本方法，以及部分工程应用实例进行浅述，不当之处还请批评指正。

二、堆石混凝土抗冻性能检测方法

堆石混凝土是一种引入了超大粒径骨料的多级配混凝土，真实工程中堆石料的最大粒径可达1m以上。由于真实尺度的堆石混凝土试件过大，所以无法采用标准抗冻试验进行检测与评价，不仅堆石混凝土，真实尺度的全级配混凝土和碾压混凝土（三、四级配）也遇到相同的问题。现行水利水电行业相关标准中均采用了湿筛混凝土进行抗冻性能检测，并用湿筛混凝土的抗冻性能代表全级配混凝土和碾压混凝土（三、四级配）抗冻性能的技术方案。相应的，用于充填堆石空隙的高自密实性能混凝土就相当于全级配混凝土或者碾压混凝土的湿筛混凝土，因此现行堆石混凝土相关标准中，也类似规定了用高自密实性能混凝土的抗冻性能代表堆石混凝土抗冻性能。由于高自密实性能混凝土使用的是一级配骨料，因此可以使用标准抗冻试验检测评价其抗冻性能。

针对堆石混凝土的抗冻性能，清华大学水利系也尝试性的开展了一些试验研究，在堆石混凝土的单边冻融试验中，堆石混凝土的质量损失率、吸水率、动弹模等指标上均与高自密实性能混凝土相当，且略优于高自密实性能混凝土；而在堆石混凝土的单元体快速冻融试验中，堆石混凝土与高自密实性能混凝土在经历相同的冻融次数后，二者的质量损失率和强度损失率也基本相当。综合两种试验结果，堆石混凝土的抗冻性能与浇筑的高自密实性能混凝土相当，这也在一定程度上辅证了用高自密实性能混凝土的抗冻性能来表征堆石混凝土抗冻性能的合理性。

三、提高混凝土抗冻性能的基本方法

由于堆石混凝土的抗冻性能与高自密实性能混凝土的抗冻性能密切相关，因此配制高抗冻等级的高自密实性能混凝土是保证堆石混凝土抗冻性能的关键因素。从已建、在建堆石混凝土工程的抗冻检测结果来看，高自密实性能混凝土是可以满足各个地区不同抗冻等级要求的，工程中应用的最高抗冻等级为F350。对十余座高抗冻指标（F150以上）的高自密实性能混凝土配合比进行汇总，F200及以下水泥用量为180~240kg/m³，F250及以上为240~310kg/m³，总骨料用量为1550~1650 kg/m³。

影响高自密实性能混凝土抗冻等级的因素与常规混凝土基本一致，主要包括含气量、水灰比、抗压强度、掺合料与骨料级配、受冻龄期等，本文着重阐述含气量、水灰比及抗压强度的影响关系。

1、提高含气量

混凝土内部气孔分为与外界连通的气孔和独立封闭的气孔，与外界连通的气孔是影响混凝土抗冻性能的主要因素。在外加剂中加入消泡组分，消除混凝土内部与外接连通的有害气孔，又在外加剂中加入引气组分，引入混凝土内部均匀、稳定、封闭的有利气孔，当混凝土反复经受冻融作用时，内部密集气孔可以截断渗水通道，使水分不易渗入内部。同时气泡有一定的适应变形能力，帮助缓解混凝土产生的冻涨应力，抑制冻融破坏。

2、降低水灰比

混凝土拌制所用的部分水并没有完全参与混凝土内部水化反应，这部分水挥发掉后会在混凝土内部留下气孔，水灰比较大则留下气孔数量越多，不利于实现混凝土高抗冻性能指标；水灰比越小，混凝土内部孔隙率越低，越容易实现混凝土高抗冻性能指标。为了降低混凝土内部结构孔洞的开口孔径和孔隙率，通过掺入高性能减水剂降低混凝土的水灰比。

3、提高混凝土抗压强度

混凝土抗压强度越高，表明混凝土内部填充越密实，内部空隙结构就越小，不会形成贯通性的孔隙结构，减少自由水的存在，增强了高自密实性能混凝土的抗冻性。因此可从高自密实性能混凝土的配合比下手，通过提高水泥掺量、提高粗骨料用量等提高混凝土密实度和抗压强度。

4、部分高抗冻指标要求的堆石混凝土工程汇总

结合目前全国已建在建工程实践，特别是以青海那河二级电站、西藏金桥水电站、青海满坪水库等高寒地区堆石混凝土坝陆续建成，实证了堆石混凝土完全可以满足高抗冻要求。

表1 部分高抗冻等级堆石混凝土工程