寒區水工混凝土結構增壽關鍵技術研究

邊志剛 王樂志 王艷坤 李明儒 張靜

摘 要 寒區水工混凝土破壞嚴重，對其進行增加耐久性、延長使用壽命的研究具有重大意義。其工況復雜惡劣，凍融破壞作為主要破壞形式，是水工混凝土增壽技術的關鍵所在。本文在諸多研究人員已有大量的試驗研究的基礎上，通過分析寒區水工混凝土凍融機理及外加劑作用機理，對其增壽研究包括試驗方法、材料、外加劑作用形式及作用效果、結果評價指標進行擇優擬定，為實際寒區水工混凝土的增壽試驗提供資料參考。

關鍵詞 凍融破壞 水工混凝土 相對動彈模量 性能試驗

中圖分類號：TV641.4 文獻標識碼：A

0前言

資料表明，我國大型水利水電混凝土工程由于耐久性不良而出現的病害主要有六大類：裂縫、滲漏和溶蝕、沖刷磨損和氣蝕磨損、凍融破壞、混凝土的碳化和鋼筋銹蝕、水質侵蝕。其中，凍融破環占調查總工程量的21.9%，東北地區水利工程的混凝土凍融破壞情況最為嚴重。寒區水工混凝土多處于“動態”和“靜態”共同循環作用下，工況極為惡劣，惡劣的環境對其耐久性指標提出了很高要求，增強混凝土的抗凍性能指標是提高混凝土耐久性能的關鍵。我國地域遼闊，有相當大的地區處于嚴寒地帶，大量水工建筑物所出現的凍融破壞現象不僅對社會造成巨大的經濟損失，同時威脅著當地人們的人身財產安全。因而，提高寒區混凝土抗凍性能進而增加其使用壽命的相關研究具有重大意義，在此通過分析水工混凝土工況擬定試驗研究方向。

1凍融機理分析

當前，關于凍融機理研究理論主要包括靜水壓經典理論、滲透壓理論、冰棱鏡理論、基于過冷液體的靜水壓修正理論、飽水度理論等。混凝土的凍融破壞過程是比較復雜的物理變化過程，對其機理尚未進行明確統一。普遍認為，凍融破壞是由于混凝土受凍使表層孔隙水結冰，擠壓未受凍水向混凝土內部移動產生壓力，同時由表及里逐漸結冰時水分的體積增加又產生膨脹壓力，在液體壓力和膨脹壓力反復作用下，混凝土表面剝落破壞，混凝土內部孔隙以及微微裂紋增加，擴展并相互連通，結構疏松最終導致破壞。凍融破壞的主要影響因素包括孔結構、飽水度、含氣量以及環境條件。

2技術研究方向

2.1試驗方法選取

當前，我國凍融循環試驗標準主要依據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》（GB/T50082-2009）的規定進行，主要分為慢凍法、快凍法和單面鹽凍法。現階段試驗主要采用試件全部浸在凍融介質中的快速凍融法。實際上，根據工程部位不同，多數混凝土為迎水面單面受凍。若采用全面浸水快速凍融試驗方法評價水工建筑物的實際抗凍性能具有一定局限性，采用單面凍融試驗往往更接近現場混凝土實際受凍情況。

用水作為凍融介質進行混凝土凍融試驗，但水凍試驗周期漫長，對于實際工程來說，試驗數據具有嚴重的滯后性，不能及時評價混凝土抗凍性，甚至影響工程進度。采用鹽溶液作為凍融介質可以提高混凝土飽水度，與水凍相比較，混凝土需要承受過多的水分在結冰過程中的液體壓力和膨脹壓力，同時還要承受鹽結晶產生的結晶壓力。在多重壓力作用下，加速了混凝土的破壞過程。采用鹽凍可以模擬更為苛刻的冰凍劣化條件，且與水凍相比試驗周期明顯縮短，符合當前環境擬實化、條件惡劣化、周期快捷化的試驗趨勢。

2.2試驗材料選取

近年來對高強混凝土的研究不斷增加，與之相應高強混凝土迅速發展。送水工混凝土的強度等級通常為C20、C25，C30以上的較少，對此，應當選取工程主要采用的C20、C25混凝土試樣進行試驗，測定其參數。

混凝土試樣的制作，常規材料的選取在規范中已經明確指出。當前，其強度的主要影響在于外加劑的添加，主要包括硅粉、粉煤灰、聚丙烯纖維、磷渣。經眾多學者研究，上述材料能夠有效改善混凝土力學性能、增強混凝土耐久性，且上述材料如粉煤灰、磷渣均屬于工業廢渣，對其的獲取經濟便利。

2.3外加劑作用方式及機理

2.3.1單摻作用

當將硅粉摻入混凝土中后，可以減少界面水分積聚，改善界面粘結性能，進而增加抗壓強度。并且，硅粉與水接觸，經過化學反應形成凝膠，對孔隙具有填充作用，并且使水泥石體系變致密，減少可凍結水。適當加入能夠提高混凝土力學性能，包括粘結性能、抗壓性能、整體剛度。摻量通常不應高于20%，當硅粉摻量過高時，新拌混凝土將變得非常粘稠而增加施工澆搗的難度。此外，硅粉的價格高于水泥，在滿足設計對混凝土性能要求前提下，以少摻為宜。

摻用粉煤灰可以改善混凝的性能，提高混凝土質量，減少混凝土水化熱，抑制堿骨料反應。目前對于混凝土中粉煤灰最優摻量，還尚未有規范規定。在同一情況下，摻用粉煤灰的混凝土其和易性較好，坍落度較大。但當粉煤灰摻量在20%以上時，混凝土水化熱減少，7d、28d 齡期混凝土強度相對未摻用粉煤灰的混凝土強度降低。當前，確定粉煤灰最優摻量的主要依據其與坍落度、強度與溫度的關系。

磷渣粉作為水工混凝土摻合料，可降低混凝土的早期溫度，能夠起到減小水化熱溫升峰值的作用，有利于大體積混凝土的施工溫控提高抗裂性能，同摻量相同的粉煤灰混凝土相比，混凝土最終絕熱溫升基本相同。

2.3.2復摻作用

由于雙摻充分利用了組分性能的超疊加效應，故適當的復摻效果優于單摻。復合化可使粉體間產生化學交互作用效應：不同超細粉間、不同超細粉與水泥間會產生化學交互作用，彼此誘導激發提高了粉體的活性。

適量摻合料的加入能夠提高混凝土的強度，但是不同的摻合料以及不同的摻加方式對混凝土的強度影響大小有所不同。水工混凝土的強度服從“水灰比定則”，即“水灰比”是混凝土的決定因素。隨著齡期與水膠比的增加，混凝土的抗壓強度、劈拉強度、軸拉強度、抗壓彈性模量都增大。磷渣粉具有緩凝作用，所以復摻粉煤灰與磷渣混凝土的早期抗壓強度變低。但有研究分析發現在混凝土中雙摻硅灰與礦渣能夠明顯提高混凝土的強度，其次是雙摻硅灰與粉煤灰。綜合不同摻入方式對混凝土強度增長幅度的大小來看：雙摻硅灰與礦渣>雙摻硅灰與粉煤灰>單摻硅灰>雙摻礦渣與粉煤灰>單摻礦渣>單摻粉煤灰。其中，有研究指出復摻粉煤灰和硅粉的最優摻量為粉煤灰摻量為20%、硅粉摻量為2%為最優摻量。

2.4結果評價指標

依據 GB-T50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》快凍法的規定，進行試樣制作。我國是采用300次凍融試驗來測定混凝土的抗凍性。其評定指標為質量損失率不超過5%，相對動彈性模量不低于60%。用混凝土耐久性系數Kn來表示混凝土的抗凍性。

質量損失率是快凍法和慢凍法都采用的評價手段，達到一定次數的凍融循環后，試件的重量損失率小于5%為合格。采用相對動彈性模量來評價，能敏感地反映混凝土內部結構的損傷，更為較直接的測試抗拉強度，準確地表征凍融造成的損傷情況，該方法為非破損方法。故建議試驗研究時，對試樣的強度、質量損失率及相對動彈模量作為評價指標，并側重于動彈模量分析，對試驗結果進行分析總結。

3結語

（1）通過分析寒區水工混凝土的破壞機理，針對其特有工況，確定上述增壽技術研究方向，即通過鹽溶液做介質進行快凍，對其進行上述單摻、復摻作用結果測試，為寒區實際水工混凝土增壽提供參考依據。

（2）選擇適宜的外加劑摻量。廠家推薦以及上述所取外加劑摻量均是一個參考范圍，實際工程中應根據具體條件以及相關研究，通過適應性試驗確定最優摻量。

（3）單摻作用效果研究已經有顯著成果，根據工況進行復摻種類及配比研究仍較為滯緩，故此后增壽主要方向是對不同外加劑彼此作用的研究以及復摻最優量的確定。

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