北方地區冬季冰凌期水工建筑物損傷試驗研究

王偉偉

(新疆伊犁河流域開發建設管理局，新疆 伊寧 835000)

北方地區冬季氣溫較低且持續時間較長，水閘、橋墩、渠道等時常會面臨冰凌磨損的問題，持續的冰凌磨損不僅會造成混凝土保護層脫落，使水工建筑物中鋼筋暴露在大氣環境中，加劇鋼筋銹蝕，影響建筑的安全性與穩定性，而且還會導致將導致水工建筑物產生疲勞裂紋，從而產生滲漏問題，對渠道等輸水效率造成重要影響[1- 5]。眾多研究表明：大部分水工混凝土在抗冰期等懸移介質隨水流運動磨損方面的能力時有限的，往往很難起到足夠有效的保護作用，這大大降低了水工建筑物的服役年限，增加了維護改造成本，因此有必要對水工建筑物混凝土的冰凌磨損性能展開研究[6- 8]。

本文開展了不同強度等級、不同接觸壓力和不同環境溫度下的水工建筑物混凝土冰凌磨損特性試驗研究，期望能獲得水工混凝土在復雜環境下的磨損變化規律，為北方地區水工建筑物的防冰凍設計提供借鑒。

1 試驗概況

1.1 試驗原材料

主要原材料包括水泥、粗細骨料、份粉煤灰、減水劑、自來水等。其中，水泥為P.O42.5普通硅酸鹽水泥，初凝和終凝時間分別為130和250min，細度為1.9%，標準稠度用水量160g；粗骨料為河道中天然石料，粒徑5～20mm，堆積密度900kg/m3，表觀密度為1680kg/m3，吸水率為17.5%，平均燒失量為3.32%，筒壓強度為2.76MPa；細骨料為連續級配天然河沙，細度模數2.6(中砂)，平均含泥量為1.97%，含水率為2.3%，堆積密度1600kg/m3，表觀密度2560kg/m3；粉煤灰：Ⅰ級，需水量92%，燒失量2%，細度(0.045mm方孔篩余)量7%；減水劑為β-萘酸鈉甲醛高縮聚物高效減水劑，減水率為20%，對混凝土中鋼筋無銹蝕作用。

1.2 配合比設計

根據《水工混凝土結構設計規范》以及《普通混凝土配合比設計規程》可知，橋墩、渠道襯砌等水流沖刷部位混凝土的強度設計等級一般為C20～C40。因此，本文根據一般水工建筑物混凝土強度設計要求，設計了C20、C30、C40 3種強度等級混凝土，水膠比均小于0.5的設計要求，減水劑摻量為0.7%。具體配合比設計方案見表1。

1.3 試驗步驟及方法

第一步，按照各強度等級試驗配合比拌制混凝土，然后倒入100mm×100mm×400mm的試模中進行標準養護28d，養護結束后，利用切割機將混凝土切割成30mm×45mm×180mm的長方體，使其滿足冰-混凝土磨損試驗的尺寸要求；第二步，在混凝土暴露表面標記5個特征點，記錄初始厚度h0；第三步，將混凝土試塊固定在抗冰磨損試驗裝置底板上，然后將自制好的冰塊放入持冰筒內，調整冰塊與混凝土之間的接觸壓力和環境溫度，先固定環境溫度為-10℃，調整接觸壓力分別為1、2、3、4、5kPa 5種，再固定接觸壓力3kPa，調整環境溫度分別為0、-5、-10、-15、-20℃ 5種分別進行試驗；第四步，待環境溫度達到設計溫度后，打開往復機的電源開關，使冰塊在混凝土表面做往復運動；第五步，對5個標記點處混凝土厚度進行測量，得到hmi，根據初始厚度和磨損后的厚度計算磨損量H：

(1)

式中，m—第m個標記點。

2 試驗結果分析

2.1 接觸壓力對磨損量影響

相同環境溫度下各強度等級水工混凝土的磨損量隨接觸壓力的變化特征如圖1所示。

圖1 磨損量隨接觸壓力變化特征

從圖1中可以看到：在相同強度等級下，隨著接觸壓力的增大，水工混凝土的磨損量呈指數型函數增長，當接觸壓力為1～3kPa時，磨損量增長較為緩慢，當接觸壓力為3～5kPa時，磨損量增長較快；接觸壓力增大會導致混凝土磨損量的增加，這是因為接觸壓力與冰-混凝土之間的接觸半徑a呈正相關關系，而在混凝土磨損過程中顆粒的脫落速率又與接觸半徑a3呈正相關關系，因此在接觸壓力增大過程中，混凝土表面顆粒脫落是呈3次方加速增大的，所以磨損量與接觸壓力之間呈指數型關系[9]。相同接觸壓力下，水工混凝土的強度越高，磨損量越小，水灰比、膠凝材料硬度以及骨料是影響水工混凝土耐磨損性能的主要因素，在本次試驗中，采用了當地天然的浮石骨料，浮石骨料表面粗糙，能夠與膠凝材料產生較好的粘結作用，從而提高整體性，同時浮石骨料的硬度普遍低于卵石或者碎石骨料，也可以減小對膠凝材料的磨損，強度等級越高，水泥用量越大，水灰比越小，混凝土的密實性越高，因而強度等級越高，磨損量越小。

2.2 環境溫度對磨損量影響

相同接觸壓力下各強度等級水工混凝土的磨損量隨環境溫度的變化特征如圖2所示。

圖2 磨損量隨環境溫度變化特征

從圖2可知，隨著環境溫度的降低，水工混凝土的磨損量呈逐漸增大的變化趨勢，但是與接觸壓力對磨損量的影響不同的是，當環境溫度由0℃下降至-15℃時，磨損量增長速度較快，而當環境溫度由-15℃將至-20℃時，磨損量增長速度反而減小，這主要是因為冰塊存在一個極限抗壓強度和抗劈拉強度，且這一極限抗壓強度、抗劈拉強度與環境溫度密切相關，隨著環境溫度降低，冰塊極限強度增大，且在-15～-20℃這一范圍時冰塊的極限強度增長趨勢會變緩，同時在冰塊與混凝土摩擦過程中，會在兩者的接觸面產生一層水膜，有研究顯示水膜并不能起到潤滑作用，反而還會增加冰塊與混凝土之間的摩擦力，從而表現出三體磨損效應[10]，當環境溫度降低時，水膜也會隨之減少，三體磨損現象減弱，因而當環境溫度降低至一定程度后，磨損量的增長趨勢會放緩。相同環境溫度下，混凝土的強度等級越高，磨損量越小。

2.3 磨損量損失過程

當接觸壓力為3kPa，環境溫度為-10℃時，不同強度等級水工混凝土的磨損量損失過程如圖3所示。

圖3 不同強度等級混凝土磨損過程曲線

從圖3可知，混凝土的磨損量隨著磨損路徑的增加近似呈線性增大的變化特征，在試驗初期的單位磨損量略大，試驗一段時間后，磨損速率基本達到穩定狀態，出現這一現象的主要原因在于在試驗初期，由于天然浮石混凝土表面不平整，使得冰塊與混凝土之間的接觸面積減小，從而產生局部的應力集中，表面部分材料脫落形成游離磨粒現象，從而使磨損速率加快，當混凝土表面磨損到一定程度后，混凝土表面與冰塊之間會形成彈性接觸，兩者之間貼合度更高，接觸面積加大，因而磨損速率逐漸進入平穩變化階段。

3 磨損機理分析

水工建筑物混凝土在冰凌作用下的磨損可劃分為疲勞磨損、切削磨損和液體壓力損傷3類。

(1)疲勞磨損。在循環接觸應力下，冰塊與混凝土首先發生表面疲勞磨損，并且磨損由淺入深，冰對混凝土的表面孔隙和微裂縫會逐漸產生切向作用力，在切向作用力作用下，磨損程度不斷增加，最終導致混凝土表面貫通裂縫的形成，一些孔壁在水平動力作用下由于疲勞磨損發生斷裂破壞。

(2)切削磨損。主要是由于混凝土表現收到切向作用力后，孔壁和細骨料脫離混凝土表面形成游離的磨粒，混凝土、游離磨粒以及冰塊之間隨即形成三體磨損狀態，加速了混凝土表面的磨損程度。

(3)液體壓力損傷。在磨損過程中，會在混凝土表面形成一道水膜，水膜可作為壓力的中介傳遞介質，會對冰-混凝土之間的液態水產生很高的壓力效應，這些液態水會進入混凝土內部，在壓力水作用下混凝土內部結構產生損傷，從而加速混凝土的磨損。

4 結語

對不同強度等級、不同接觸壓力和不同環境溫度下的水工建筑物混凝土冰凌磨損特性進行了試驗研究，得出如下結論：

(1)混凝土的強度等級越高，抗冰凌磨損性能越好；隨著接觸壓力的增大，水工混凝土的磨損量呈指數型函數增長；隨著環境溫度的降低，磨損量逐漸增大，但當溫度低于-15℃后，磨損量增長幅度放緩。

(2)在試驗初期，混凝土的磨損速率較快，隨著實驗進行，磨損速率會略有減小并最終趨于一個穩定值。

(3)根據冰-混凝土之間的磨損機理，可將磨損劃分為疲勞磨損、切削磨損和液體壓力損傷3類。

(4)水工混凝土材料也是影響磨損特性的主要因素，本文僅對不同強度等級混凝土進行了研究，對于不同材料組成的水工混凝土冰-磨損性能將在今后做進一步補充。