高寒地區水電站水工混凝土耐久性研究

范 志 勇 ， 劉 威 ， 梁 慧

(1. 華能西藏雅魯藏布江水電開發投資有限公司，四川 成都 610041；2. 長江水利委員會長江科學院，湖北 武漢 430010)

1 概 述

“日溫差大，凍融循環頻繁”是高原地區獨特的氣候特征，在這種氣候條件下，水工混凝土將承受頻繁的凍融循環作用，混凝土易遭受凍融破壞，出現大面積剝落，并伴隨滲漏、碳化等其他病害，將導致建筑物不能發揮應有的作用，最終影響其安全使用和服役壽命[1-2]。混凝土的抗凍性是混凝土耐久性的一項重要指標，也是一項綜合性能指標，高抗凍性意味著混凝土的高耐久性。現行標準僅按照平均氣溫設計水工建筑物，與高原嚴寒地區相比，我國中部地區海拔相對較低，氣候相對溫和，地質條件相對較好，基于此制定的現行技術標準難以適用高原高寒地區的工程建設，相關標準缺少相應的技術要求[3-4]。同時，受區域經濟發展的制約，高寒地區水電站混凝土所采用的原材料具有“來源廣、品種多、成分復雜”等特點。因此，如何取長補短、充分發揮各種材料的優勢，以滿足工程混凝土指導的服役要求是一項亟待開展的重要研究工作。

筆者針對高原、高寒、低壓的氣候特征及原材料、施工工藝等對水工混凝土的耐久性和服役壽命的影響，綜合開展原材料及混凝土耐久性試驗研究，提出安全措施及技術控制指標，可有效優化高寒地區水電站水工混凝土的施工。

2 試驗原料與方法

2.1 試驗原料

參照二級配常態混凝土配合比，采用華新中熱水泥、石嘴山II級粉煤灰與石粉，以及長安育才GK-4A減水劑和GK-9A引氣劑，進行外加劑與水泥、外加劑與摻和料的適應性試驗。為排除其他因素的影響，試驗特選用性能穩定的灰巖人工骨料。

2.2 試驗方法

老化試驗條件設置參考《SL 352-2006 水工混凝土試驗規程》，每組三個樣本。

3 凍融破壞作用

凍融破壞是我國高海拔地區水工混凝土建筑物在運行過程中產生的主要病害之一，對于水閘、渡槽等水工混凝土建筑物，凍融破壞的地區范圍更為廣泛。凍融破壞即混凝土在飽水狀態下的因凍融和溫度交變作用產生的破壞，是導致大壩混凝土產生病害的主要原因之一[5-7]。通常將抗凍性作為評價混凝土耐久性的一個重要參數。

對混凝土材料開展凍融循環實驗，凍融破壞對混凝土宏觀性能的影響見表1。試驗結果表明，隨著凍融循環次數的增加，混凝土的宏觀性能逐步劣化。凍融100次后，混凝土表面發生了較明顯的剝蝕；凍融150次后，抗壓、劈拉和抗折強度下降顯著，僅為凍融前的58.4%、61.3%和57.8%。相對動彈性模量降低的速率比混凝土強度慢，但比超聲波波速下降的速率快。因此，強度值是反映混凝土凍融破壞最敏感的指標，其次是失重率、相對動彈性模量和超聲波波速，以上指標對混凝土抗凍性的安全評估有重要的意義。

將凍融前后的水泥凈漿試件進行壓汞測試，得到不同壓力作用下壓入試件的水銀體積，求出比孔容及累計比孔容隨孔徑的分布，繪制試件凍融前后微孔分布曲線見圖1。

表1 凍融循環對混凝土宏觀性能的影響結果

圖1 水泥漿凍融前后微孔分布曲線

結果表明，隨著外壓力的增加，汞可填充的孔隙越小，累計比孔容越大，即孔越小，所需壓汞壓力也越大。凍融150次之后，水泥石的孔隙率均有所提高，特別是孔徑在25 nm以上的孔隙。累計比孔容由0.085 19 ml/g增加至0.099 2 ml/g，提高了16.4%；孔徑25～50 nm和100～150 nm的比孔容分別由0.011 08 ml/g增加至0.016 47 ml/g、0.006 69 ml/g增加至0.009 32 ml/g，分別提高了48.6%和39.3%。凍融前的水泥漿結構比較致密，凍融后結構變得疏松，微孔含量逐步增加，少害孔、有害孔和多害孔均增多，微孔直徑逐步擴大。這是由于凍融過程中的凈水壓力所致，不僅微孔的體積、孔徑逐漸增大，反復的凍融還會導致微裂紋的產生。

混凝土試件凍融前后SEM微觀形貌對比(圖2)。試驗結果表明：

(1)混凝土在凍融過程中，水化產物的結構狀態發生了明顯變化，即由凍融前的堆積狀密實體逐步變得疏松狀態，水泥石和骨料脫離，水化產物結構中出現微裂縫。

(2)經過150次凍融循環，混凝土中原來完整封閉的氣泡，氣泡壁逐步出現了開裂現象。微裂縫不僅存在于水化產物結構中，也會使引氣混凝土中的氣泡開裂破壞，這可能是導致混凝土凍融破壞的主要原因之一。

圖2 混凝土凍融前后SEM微觀結構圖

4 干濕循環-凍融協同作用

混凝土的破壞通常是各種物理和化學作用以及其他影響因素之間的交互作用在一起的結果。混凝土的干濕循環破壞是混凝土經歷反復的干縮和濕脹作用而造成的性能的劣化。試驗研究干濕循環與凍融環境協同作用下，混凝土性能演化演變規律。

選擇0.45水膠比、20%粉煤灰摻量，常態混凝土含氣量控制在4.0%～5.0%，測試干濕交替-凍融循環對混凝土性能的影響(表2)。試驗結果表明，凍融循環和干濕交替的疊加作用會加速混凝土的破壞，混凝土強度比單因素作用時顯著下降。從超聲波波速和相對動彈模來看，疊加作用會使混凝土中微裂縫擴展和連通，超聲波波速開始顯著降低。顯然，凍融循環和干濕循環的循環疊加作用對混凝土性能的影響不是二種因素之間的簡單疊加，而是會產生放大效應。

表2 干濕交替-凍融循環對混凝土性能的影響

5 碳化-凍融協同作用

選擇0.35～0.55水膠比、0～40%粉煤灰摻量，常態混凝土含氣量控制在4.0%～5.0%，測試碳化-凍融循環協同作用對混凝土性能的影響，結果見表3、4。試驗結果表明，碳化-凍融共同作用下，混凝土宏觀上表現為開裂、表面剝落、粗細骨料分離、鋼筋被腐蝕及力學性能下降等。

無論是先碳化后凍融還是先凍融后碳化，其碳化深度總體來說都隨著水膠比的增加而增大。隨著水膠比的增大，混凝土密實性降低、滲透性增強，CO2更容易滲透到混凝土內部，致使碳化深度加大。當水膠比一定時，由于粉煤灰取代水泥使水化生成的氫氧化鈣總量減少以及粉煤灰的二次水化消耗部分氫氧化鈣，引起混凝土內部有效堿量(即氫氧化鈣濃度)降低，導致混凝土的抗碳化能力下降。因此，混凝土碳化深度隨粉煤灰摻量的增加而增大。

比較混凝土碳化深度，先凍融后碳化的遠大于先碳化后凍融的。產生這種現象的原因有：一是混凝土養護28 d后，再經過碳化，產生的碳酸鈣使結構更加密實。經過100次凍融，外部水分在膨脹壓和滲透壓作用下，滲透到一些孔隙中，使試件中心沒有發生碳化反應的氫氧化鈣分子隨著水的流動逐漸向試件的四周滲透，導致先碳化的試件碳化深度較小。二是先凍融的試件，混凝土內部產生微裂縫，甚至造成表面開裂或剝落，加快了CO2的侵入速度，使擴散向更深處發展。

由碳化機理可知，碳化過程產生的碳酸鈣和其他固態物質堵塞在混凝土孔隙中，使試件內部的孔隙率下降，大孔減少，從而減弱了后續CO2的擴散，提高了混凝土的密實度和強度，一定程度上改善了抗凍性能。但混凝土碳化過程是氫氧化鈣晶體的分解和碳酸鈣的沉淀過程，該過程會導致試件逐漸收縮產生微裂隙，形成惡性循環，使混凝土強度逐步降低。所以，在合理的碳化時間范圍內，碳化時間越長，抗凍能力會增強，但最終會降低混凝土的長期抗凍性。

表3 混凝土試件的碳化深度

表4 混凝土試件相對動彈性模量

6 化學侵蝕-凍融協同作用

選擇0.45水膠比、20%粉煤灰摻量，混凝土含氣量控制在4.0%～5.0%，成型尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的試件，1 d后脫模并保養28 d，然后進行化學侵蝕-凍融協同作用試驗。將經受NaCl溶液、Na2SO4溶液浸泡，然后將凍融循環100次的混凝土試件取出進行抗壓強度試驗(表5)。

表5 經受凍融循環作用下混凝土試件強度試驗結果(90 d)

經過凍融循環后混凝土試件的強度均出現不同程度降低。經過水溶液和Na2SO4溶液浸泡，200次凍融循環，混凝土試件的強度降低幅度分別達27.5%和45.6%，均高于ASTM規定的25%，可視為已經破壞；經過NaCl溶液浸泡，200次凍融循環作用，混凝土試件的強度出現小幅增長，其實，混凝土內部已經遭冰棱破壞；經NaCl和Na2SO4混合溶液凍融破壞的混凝土試件，經過100次凍融循環后，混凝土試件的強度降低率就達到30.6%，已明顯劣化。

遭受溶液凍融侵蝕的混凝土試件的質量損失與動彈模損失試驗結果分別見表6、7。

表6 經過凍融循環試驗混凝土試件的質量損失

表7 經過凍融循環試驗混凝土試件的相對動彈模

試驗結果表明，經受NaCl冷凍液凍融循環的混凝土試件質量損失最大(4.355%)，在混凝土試件表面清晰可見裸露的骨料顆粒和凹凸不平的表面。其次是水溶液(0.584%)，NaCl和Na2SO4混合溶液作為冷凍液時混凝土試件質量先略有增加然后降低，100次凍融循環后質量損失為0.324%，經受Na2SO4溶液凍融循環后混凝土試件的質量均略有增加，但隨著凍融循環次數增加，質量增長幅度有減小趨勢，混凝土試件表面整體性較好。

比較混凝土的相對動彈模可知，經受NaCl溶液凍融循環的混凝土相對動彈模降幅最大，其次是水溶液和Na2SO4溶液，經受NaCl和Na2SO4混合溶液凍融的混凝土試件的相對動彈模降幅最小。盡管如此，各種混凝土試件的質量損失均小于5%，相對動彈模均低于60%。

結合抗壓強度試驗結果，盡管混凝土試件經受多次凍融循環后，外觀、質量以及相對動彈模變化不大，但強度劣化十分嚴重，建議采用性能損耗率或降低率等指標來表征混凝土的凍融耐久性。美國ASTM標準規定，當試件質量損失超過5%，長度膨脹大于0.4，強度損失大于25%時，表明已經發生了侵蝕破壞。據此可以認定，經水溶液凍融循環破壞的混凝土試件抗凍等級達到F200，經NaCl溶液、Na2SO4溶液、NaCl和Na2SO4混合溶液凍融循環破壞的混凝土試件抗凍等級達到F100。

7 結 語

高寒地區水電站混凝土抗凍性試驗研究基礎上，筆者結合當地水工混凝土可能經受的干濕循環、碳化、化學侵蝕等耐久性問題，開展多因素作用下高寒地區水電站混凝土耐久性的研究。

(1)凍融循環和干濕循環的循環疊加作用對混凝土性能的影響不是二種因素之間的簡單疊加，而是會產生放大效應。

(2)無論是先碳化后凍融還是先凍融后碳化，其碳化深度總體來說都隨著水膠比的增加而增大。混凝土碳化深度隨粉煤灰摻量的增加而增大。先凍融后碳化的混凝土碳化深度遠大于先碳化后凍融的。碳化可以在一定程度上改善混凝土試件的抗凍性，在合理的碳化時間范圍內，碳化時間越長，抗凍能力會增強，但最終會降低混凝土的長期抗凍性。

(3)盡管混凝土試件經受多次凍融循環后，外觀、質量以及相對動彈模變化不大，但強度劣化十分嚴重，建議采用性能損耗率或降低率等指標來表征混凝土的凍融耐久性。經水溶液凍融循環破壞的混凝土試件抗凍等級達到F200，經NaCl溶液、Na2SO4溶液、NaCl和Na2SO4混合溶液凍融循環破壞的混凝土試件抗凍等級達到F100。