凍融環境下水工混凝土的破壞機理及防護

周琳博

陜西省寶雞峽引渭灌溉管理局 陜西寶雞 721000

1 水工混凝土的特點

在水利水電工程建筑中使用的混凝土和鋼筋混凝土稱為水工混凝土。水工混凝土不同于工業建筑混凝土和民用建筑混凝土。除了強度要求外，還需要根據位置和工作條件滿足抗滲、抗阻要求。對抗凍、抗裂、抗拉、抗沖擊、耐磨、耐腐蝕等方面的要求，水工混凝土還具有以下特點：①水工建筑物各部位的位置和工作條件不同，決定了水工建筑物各部位的混凝土。對抗壓強度和抗凍融性的要求不同。②水利工程工程量很大，萬奈常計量混凝土澆筑量。水工混凝土強度高，施工進度快，施工周期短，對施工機械化程度要求高。水工混凝土大多采用泵送混凝土。泵送混凝土要求坍落度大，混凝土用水量比較大[1]。

2 因凍融引起的水工混凝土的破壞機理

混凝土材料自產生以來，就憑借其工藝簡單、成本低廉和優良的力學性能等諸多優勢，成為工程建設領域使用最為廣泛、用量最大的建筑材料。隨著建筑科技的迅速發展，我國已經成為世界上最大的水泥生產國和混凝土消費國。但是，受到制備技術等諸多因素的影響，我國混凝土的服役期限較發達國家仍有巨大差距。究其原因，主要是混凝土結構抗凍融、滲透、侵蝕以及碳化的能力較低。從我國的實際情況來看，有55%的國土面積處于凍融影響區域，特別是北方寒區，大壩的凍融損害十分嚴重，幾乎所有的混凝土水工建筑都存在不同程度的凍融破壞。在水工混凝土中，骨料是占比最大的材料，一般會占到混凝土總重量的80%以上。因此骨料的特征和性能必然會對水工混凝土的性能產生顯著乃至決定性的影響。

3 水工混凝土的防護措施

3.1 抗凍融涂層材料的防護應用

目前，水工混凝土抗凍融涂層材料的研究和應用取得了一定的進展。在西藏自治區特殊環境下水工混凝土抗凍融涂層研究過程中。利用脂肪族異氰酸酯、聚天門冬氨酸酯、硅烷偶聯劑、硅微粉、活性稀釋劑、分散劑、流平劑等作為主要的原料，以添加硅微粉、顏料及其他助劑的聚天門冬氨酸酯為A組分，以添加吸水劑的脂肪族異氰酸酯為B組分，A組分與B組分混合反應后制得耐候性脂肪族聚脲涂層材料。A組份的制備工藝為：將聚天冬氨酸、顏料、添加劑依次加入到脫漆槽中，高速分散50分鐘，然后用砂磨機研磨分散至20μm以下細度，過濾分裝；制備組分B的工藝是：將脂肪族異氰酸酯原料與吸水劑按比例均勻混合而得。使用時，將A、B各組分按比例攪拌均勻，并在操作時間內完成涂裝。在完成一系列步驟后，水工混凝土的抗凍融涂層就完成了。機械性能試驗采用萬能試驗機；抗凍融試驗采用全自動混凝土凍融試驗機；碳化試驗采用混凝土碳化試驗箱；最后，得到了建立的測試結果。在拉薩市區室外涂裝試驗中，水工混凝土未發生凍融破壞，可進一步推廣應用[2]。

高寒地區水工混凝土防凍融涂料采用聚脲涂料、不飽和聚酯樹脂、耐候環氧涂料為涂料體系。凍融試驗采用日本進口全自動混凝土凍融試驗機；萬能試驗機用于拉伸、彎曲、壓縮性能測試；水工混凝土抗凍融涂層在300多次凍融循環過程中，材料損失率小于5%，裂縫、變形、收縮等現象不明顯。采用三點彎曲試驗對其力學性能進行了測試。結果表明：150次凍融試驗無明顯變化，200次凍融試驗出現輕微的水浸和裂縫；本次試驗的最終結果證明，耐凍融性最好的表面層為聚脲材料，底漆為環氧水泥。

3.2 摻合料、外加劑材料的應用

為了提高水工混凝土的抗凍融性，降低混凝土早期水化熱溫升，并考慮經濟因素，施工單位開始大量添加外加劑、外加劑和一些纖維材料來提高混凝土的性能。在施工初期，大部分建筑采用粉煤灰作為外加劑，摻量甚至達到20% - 70%。然而，隨著國家大力發展基礎設施建設，我國西南部分地區粉煤灰供應緊張。石灰石粉已出現在公眾的視野中，作為一種綠色、廉價、易得的替代外加劑被廣泛使用。硅粉由于其顆粒較細、比表面積大、比電阻大，是目前國內外研究混凝土外加劑最成功、應用最廣泛的材料。大量外加劑同時被施工技術人員使用。其中，最常見的是萘系減水劑、聚羧基減水劑和高分子聚合物的水分散劑。減水劑的應用使部件表面失水。防止構件內水分的運移更加困難和有效，從而減少因失水和收縮引起的張力，顯著提高了工程質量和耐久性。除了加入外加劑、外加劑等外，在水工混凝土中摻入適量的纖維材料也可以提高其抗凍融性。纖維材料與水泥基材料良好的相容性可以顯著提高混凝土的抗裂性和疲勞強度，并且在早期水化加熱時（大部分纖維材料具有空腔結構）可以將部分熱量傳遞給混凝土本身，降低絕熱溫升。

綜上所述，水工混凝土凍融破壞在西部嚴寒地區受到越來越多的關注。許多專家學者已經開始研究水工混凝土的凍融機理，以及如何防止水工混凝土的凍融破壞。通過一系列的研究，發現水工混凝土表面是凍融破壞的根本原因。由此水工混凝土抗凍融涂層材料應運而生。通過對混凝土表面進行涂層保護，防止外界水和空氣進入混凝土，造成低溫霜凍破壞。它不僅在實驗中取得了良好的效果，而且在實踐中也被證明是相當有效的。水工混凝土的抗凍融涂層有效地提高了水工混凝土工程的使用壽命，提高了水工混凝土的耐久性，為今后水工混凝土的抗凍融損傷研究提供了很好的參考[3]。