5.4 冻融裂缝的预防
5.4.1 抗冻融冻预防工作内容
混凝土结构的耐久性设计应包括下列内容：
1）冻融环境作用等级。
2）抗冻耐久性指数。
3）形体构造设计。
4）保护层厚度。
5）胶凝材料。
6）配合比设计。
7）材料性能指标。
8）混凝土成型。
5.4.2 冻融环境作用等级
1.冻融环境
冻融环境是指混凝土结构或构件经受反复冻融作用的暴露环境。
冻融作用是指环境作用对结构和材料性能产生的影响。
冻融环境的环境类别是Ⅱ类，或者说Ⅱ类环境就是冻融环境。在冻融环境下，反复冻融会导致混凝土损伤。
与冻融有关的环境作用等级有三级：中度（C)、严重（D)、非常严重（E)。
Ⅱ-C——冻融环境中度作用等级；
Ⅱ-D——冻融环境严重作用等级；
Ⅱ-E——冻融环境非常严重作用等级。
1）冻融环境下混凝土结构的耐久性设计，应控制混凝土遭受长期冻融循环作用引起的损伤。
2）长期与水体直接接触并可能会发生冻融循环的混凝土结构构件，应考虑冻融作用。
3）冻融环境下混凝土构件在施工养护结束至初次受冻的时间不得少于一个月并避免与水接触。
4）冬期施工中混凝土接触负温时的强度应大于10N/mm2。
2.冻融环境作用等级
1）冻融环境对混凝土结构的环境作用等级分为三级，即：Ⅱ-C、Ⅱ-D、Ⅱ-E级，按表5-1确定。该表摘自《混凝土结构耐久性设计标准》GB/T 50476—2019（以下简称《耐规》）中表5.2.1。
表5-1 冻融环境的作用等级
注：1.冻融环境按最冷月平均气温划分：
微冻地区最冷月平均气温－3~2.5℃；
寒冷地区最冷月平均气温－8~－3℃；
严寒地区最冷月平均气温－8℃以下。
2.饱水程度
中度饱水指冰冻前处于潮湿状态或偶与雨、水等接触，混凝土内饱水程度不高；
高度饱水指冰冻前长期或频繁接触水或湿润土体，混凝土内高度水饱和。
3.无盐或有盐指冻结的水中是否含有盐类，包括海水中的氯盐、除冰盐和有机类融雪剂或其他盐类。
2）处于冻融环境、海水变动区的混凝土构件，其环境作用等级应根据当地调查确定。无调查资料时，微冻地区可按Ⅱ-C等级考虑，寒冷和严寒地区可按Ⅱ-D等级考虑；考虑浮冰撞击对构件的影响，可将环境作用等级提高一个等级。
3）位于冰冻线以上土中的混凝土结构构件，其环境作用等级应根据当地实际情况和经验确定；无调查资料或经验数据时，环境作用等级可按本书表5-1的规定降低一个等级。
4）直接接触积雪的混凝土墙、柱底部，宜适当提高环境作用等级，可比表5-1的规定提高一个等级。
5）最冷月平均气温高于2.5℃的地区，混凝土结构可不考虑冻融环境作用。在极端天气条件下，可能偶然遭受冻融作用的混凝土构件，其环境作用等级可按表5-1的Ⅱ-C等级确定。
5.4.3 抗冻耐久性指数
1.抗冻耐久性指数
采用标准试验方法、经规定次数快速冻融循环后混凝土的动弹性模量与初始动弹性模量的比值，通常用百分数表示。
2.抗冻耐久性指数确定
重要工程和大型工程，混凝土的抗冻耐久性指数不应低于表5-2（《耐规》中表5.3.3)的规定。
表5-2 混凝土的抗冻耐久性指数DF (%)
注：1.抗冻耐久性指数为混凝土试件经300次快速冻融循环后混凝土的动弹性模量E1与其初始值E0的比值，DF＝100×E1/E0；在达到300次循环之前E1已降至初始值的60%或试件重量损失已达到5%的试件，以此时的循环次数N计算其DF值，即DF＝100×0.6×N/300。
2.对于厚度小于150mm的薄壁混凝土构件，其DF值宜增加5%。
3.清水混凝土与装饰混凝土抗冻耐久性指数
笔者认为，清水混凝土和装饰混凝土在露天环境，有些构件造型复杂，有艺术功能，对裂缝和表面破坏更为敏感，在确定抗冻耐久性指数时宜适当提高。
4.GRC抗冻耐久性指数
目前GRC抗冻等级是按照行业标准《玻璃纤维增强水泥外墙板》JC/T 1057和《玻璃纤维增强水泥（GRC）装饰制品》JC/T 940的规定执行，抗冻性25次，即“冻融循环25次无起层、剥落现象”。此标准太低，实践中导致GRC构件冻融破坏较多。
GRC孔隙率大，抗冻性能比混凝土差；再加上构件积雪积冰积水的造型多，易冻融破坏的凸出造型多，且由于是薄壁构件，一旦冻融破坏，构件无法修复，只能报废。笔者认为应参照装饰混凝土来确定抗冻耐久性指数，并采用同样的试验方法。
5.4.4 形体构造设计
1.形体设计避免积雪积冰积水
1）室外构件设计应尽可能避免易积水积雪的形体，做好构件造型和构造设计。
2）受雨淋或可能积水的混凝土构件顶面应做成斜面，斜面应消除结构挠度和预应力反拱对排水的影响。
3）受雨淋的室外悬挑构件外侧边下沿，应做滴水槽、鹰嘴等防止雨水淌向构件底面的构造措施。
4）屋面应专门设置排水系统等防止积水或将水直接排向下部构件混凝土表面的措施。
5）非线性曲面的凹面最容易积雪积冰积水，排水必须顺畅。
6）在混凝土结构构件与上覆的露天面层之间，应设置防水层。
7）构件的水平面必须考虑排水坡度，且不宜过缓。
2.混凝土表面防护
易积雪积冰积水的表面，如阳台、线脚等探出构件的顶面；直接接触积雪的混凝土墙、柱底部；宜设置表面防护措施，如防水卷材、防水砂浆和表面防水涂层及硅烷浸渍等。表面涂层最低保护年限应达到10年；硅烷浸渍最低保护年限应达到15年。预防钢筋锈蚀的措施参见第6章。
3.构件设计尽可能避免尖凸造型
凸出构造特别容易冻融破坏，越是小的凸出构造越容易破坏，因此尽可能避免尖细的凸出造型，因为尖细凸出造型制作或施工时很难做到密实。
4.悬臂构件梁-板结构
《混凝土结构设计规范》要求处于二、三类环境中的悬臂构件宜采用悬臂梁-板的结构形式，或在其上表面设置防护层。
5.薄壁构件加厚
《耐规》要求冻融环境中混凝土结构的薄壁构件，宜增加构件厚度或采取有效的防腐蚀附加措施。
6.D、E等级防范
环境作用等级为D、E的混凝土构件，应采取下列减小环境作用的措施：
1）减少混凝土结构构件表面的暴露面积。
2）避免表面的凹凸变化。
3）宜将构件的棱角做成圆形。
7.裂缝控制
抗冻混凝土表面裂缝最大宽度计算值不应超过：
1）环境作用等级C和等级D下不超过0.2mm。
2）环境作用等级E下不超过0.15mm。
8.其他
1）可能遭受碰撞的混凝土结构，应设置防止出现碰撞的预警设施和避免碰撞损伤的防护措施。
2）施工缝、伸缩缝等连接缝的设置宜避开局部环境作用不利的部位，当不能避开不利部位时应采取防护措施。
3）暴露在混凝土结构构件外的吊环、紧固件、连接件等金属部件，其表面应采用防腐措施。
5.4.5 保护层厚度
1.保护层厚度的确定
冻融环境中的配筋混凝土结构构件，其普通钢筋的混凝土保护层最小厚度与相应的混凝土强度等级、最大水胶比应符合表5-3（《耐规》表5.3.2）的规定。其中，有盐冻融环境中钢筋的混凝土保护层最小厚度，应按氯化物环境的有关规定执行。
表5-3 冻融环境中混凝土材料与钢筋的保护层最小厚度c（单位：mm)
注：1.采取表面防水处理的附加措施时，可降低大体积混凝土对最低强度等级和最大水胶比的抗冻要求。
2.预制构件的保护层厚度可比表中规定值减少5mm。
2.保护层厚度的实现
应确保混凝土施工环节保护层厚度符合质量要求。
5.4.6 胶凝材料
胶凝材料是混凝土原材料中具有胶结作用的水泥和粉煤灰、硅灰、粒化高炉矿渣粉等矿物掺合料的总称。
《耐规》附录B给出了单位体积混凝土胶凝材料的用量，见表5-4（《耐规》表B-1）。
表5-4 单位体积混凝土胶凝材料用量
注：1.表中数据适用于最大骨料粒径为20mm的情况。骨料粒径较大时，宜适当降低胶凝材料用量；骨料粒径较小时，可适当增加胶凝材料用量。
2.引气混凝土与非引气混凝土胶凝材料用量相同。
3.当胶凝材料中矿物掺合料掺量大于20%时，最大胶凝比不应大于0.45。
配筋混凝土的胶凝材料中，矿物掺合料用量占胶凝材料总量的比值应根据环境类别与作用等级、混凝土水胶比、钢筋的混凝土保护层厚度以及混凝土施工养护期限等因素综合确定，对于防冻融混凝土应符合下列规定：
1）Ⅱ-C、Ⅱ-D、Ⅱ-E环境中的混凝土结构构件，可使用少量矿物掺合料，并可随水胶比的降低适当增加矿物掺和料用量。当混凝土的水胶比W/B≥0.45时，不宜使用矿物掺合料混凝土。
2）常温下硬化及C60以上的高强混凝土，可掺入不大于10%的石灰石粉或不大于5%的硅灰，以减小拌合物的黏性，并提高拌合物的抗离析能力。
5.4.7 配合比设计
1.最低强度等级
混凝土的强度等级与抗冻性能有关联，强度等级越高，抗冻性越好。
满足抗冻要求的混凝土最低强度等级见表5-5（摘自《耐规》表3.4.4)。
表5-5 满足抗冻要求的混凝土最低强度等级
2.各种混凝土抗冻融配合比设计的通用要求
1）须按照设计要求的抗冻等级进行配合比设计。
2）掺和细骨料如粉煤灰、硅灰、矿渣、偏高岭土等会提高混凝土的抗冻性能。
3）水胶比是指单位体积混凝土拌合物中用水量与胶凝材料总量的质量比。水胶比越大，孔隙率越高，抗冻性越差。
4）胶凝材料中含有不小于30%的矿物掺合料（含水泥中的混合材）及需要采取较低的水胶比和特殊施工措施的混凝土。
5）宜掺加减水剂降低水胶比。
6）掺引气剂可提高抗冻性能，含气量以4%~6%为宜；但可能会降低混凝土的强度。
7）水泥用量小对抗冻性不利，但对减少收缩变形有利，应权衡后取舍。
3.清水混凝土配合比设计
清水混凝土与其他建筑结构用的混凝土比较，直接裸露在自然环境中，对裂缝宽容度低，所以应专门设计水灰比低的配合比。不应照搬普通商品混凝土配合比。
4.预制混凝土配合比设计
预制混凝土没有长途运输和泵送环节，每个构件厂应专门设计配合比，降低含水量。不应照搬商品混凝土配合比。
5.装饰混凝土配合比设计
装饰混凝土配合比设计时应考虑彩色骨料用量和颜料掺量对混凝土强度和抗冻性能的不利影响。颜料掺量不应大于水泥重量的6%。
6.GRC配合比设计
1）水泥骨料比以1∶1为宜。
2）必须掺加短玻纤，不可只敷设玻纤网。
3）大型构件和墙板采用喷射工艺，玻纤含量不应低于水泥重量12%。
4）小型构件采用预混工艺，玻纤含量不应低于水泥重量的7%。
7.配合比试验
抗冻混凝土配合比设计必须经过试验达到强度和抗冻耐久指数后才能作为实际工程中采用的配合比。
5.4.8 材料性能
1）用作矿物掺合料的粉煤灰，其氧化钙含量不应大于10%。
2）冻融环境下用于引气混凝土的粉煤灰掺合料，其烧失量不应大于5%。
3）配筋混凝土中的骨料最大公称粒径应满足表5-6（《耐规》表B.3.1）的规定。
表5-6 配筋混凝土中骨料最大公称粒径（单位：mm)
4）混凝土骨料应满足骨料级配和粒形的要求，石子宜采用单粒级两级配或三级配，分级投料；级配后的骨料松堆空隙率不应大于43%。
5）混凝土用砂在开采、运输、堆放和使用过程中，应采取防止遭受海水污染或混用不合格海砂的措施。
6）砂的密度应在饱和面干状态下检测，理论配合比中砂的用量以饱和面干质量计。
7）应选用质量稳定且安定性好的水泥；避免使用过期或受潮水泥。
8）装饰混凝土和GRC选用袋装的白水泥或低碱水泥时格外注意防潮。
9）应选用坚硬的优质骨料，如花岗岩和优质石灰石等。
10）不宜选用燧石、页岩和砂岩骨料。
11）骨料含泥量控制在2%以下；粗骨料吸水率控制在2%以下。
12）细骨料吸水率控制在3%以下。
13）采用陶粒等轻质骨料时，应选用憎水性骨料。
14）使用非自来水，特别是盐碱地或海边井水时，须化验合格后才能使用。
15）选用外加剂时，减水、产生的效果和对强度的影响，必须经过试验验证。
16）颜料应选用无机颜料，并通过试验验证其对强度和抗冻性的影响。
17）混凝土表面防水材料，特别是防水砂浆和涂料，须通过抗冻性试验验证。
以下为针对GRC材料的要求。
18）耐碱玻纤的氧化锆含量不低于16%。
19）采用低碱水泥时，应考虑其对碳化收缩的不利影响。
20）用于GRC的预埋件和锚杆须进行热镀锌，镀层厚度可参照当地高压线塔。
5.4.9 混凝土成型
1.混凝土搅拌与运输
混凝土搅拌与浆料运输环节预防冻融裂缝的要点如下：
1）设定适宜的混凝土坍落度。
2）不符合坍落度要求的混凝土禁止使用，可预备模具将不符合规定的混凝土用于庭院构件小品的浇筑等。
3）装饰混凝土和GRC浆料搅拌采用非自动化系统时，应严格控制水灰比。
4）构件厂混凝土浆料运输如有露天路段，料斗需有防雨覆盖措施。
2.混凝土浇筑
混凝土浇筑中预防冻融裂缝的要点如下：
1）混凝土振捣须确保密实，特别是边角部位的密实度。
2）混凝土振捣应防止泌水。
3）装饰混凝土面层须滚压密实。
4）GRC须滚压密实，边角应用专用工具压实。
3.保护层控制
《耐规》要求：保护层厚度的施工质量验收应符合下列规定：
1）对选定的每一配筋构件，选择有代表性的最外侧钢筋8~16根进行混凝土保护层厚度的无破损检测；对每根钢筋，应选取3个代表性部位测量。
2）当同一构件所有测点有95%或以上的实测保护层厚度c1满足下式要求时，则应认为合格：
c 1≥c－Δ
式中 c——保护层设计厚度；
Δ——保护层施工允许负偏差的绝对值，对梁、柱等条形构件取10mm，板、墙等面形构件取5mm。
3）不能满足2）的要求时，可增加同样数量的测点进行检测，按两次测点的全部数据进行统计；仍不能满足2）要求的，则判定为不合格，并要求其采取相应的补救措施。
4.混凝土养护
混凝土养护是预防冻融破坏极其重要的环节。养护不好的混凝土不仅强度低，而且孔隙率高、裂缝多，使冻融破坏的进水通道畅通。《耐规》要求：
对于一般混凝土，应养护到现场混凝土强度不低于28d标准强度的50%，且不少于3d。
对矿物掺合料混凝土，浇筑后应立即覆盖，加湿养护至混凝土强度不低于28d标准强度的50%，且不少于7d。
上面的要求适用于混凝土表面大气温度不低于10℃的情况下，否则应延长养护时间。
现浇混凝土养护要求详见第16章。
预制混凝土和装饰混凝土养护要求详见第15章。
GRC养护要求详见第11章。