憎水涂層混凝土對冰附著強度測試及性能研究

文 潔

（第三儲備資產管理局重慶管理站，重慶 400010）

為了更有效地減少冰凍災害帶來的破壞性影響，設計防御性措施和改良護坡材料成為很重要的方法。目前，采用的措施主要包括加固護坡結構、配置預制塊和桿件支撐以及選取適合冰川特性的材料進行改良。應用這些技術手段，可以有效地保護水庫周圍的護坡，避免其受到不利氣候條件的破壞。

1 試驗制備及試驗方法

1.1 試驗所用的原料及技術

憎水涂層混凝土冰附著強度試驗是一種常用的檢測方法，用于評估在極低溫度下，混凝土表面涂覆憎水材料后，其與冰之間的附著強度。

1.1.1 原料

1.1.1.1 混凝土

通常使用普通混凝土或高性能混凝土，其28 天抗壓強度一般大于50MPa。

1.1.1.2 憎水材料

常用的憎水材料包括硅烷、氟碳等。這些材料通過表面活性劑處理，能夠在混凝土表面形成微小孔洞，從而減少在混凝土表面的接觸角，起到憎水效果。

1.1.1.3 冰塊

冰塊應該是均勻無氣泡的。

1.1.2 相關技術1.1.2.1 試驗前準備

混凝土表面要經過充分準備，例如清洗、打磨等，以確保試樣表面光滑、干燥以及無雜質。同時，將憎水材料均勻地涂覆在混凝土表面，并根據憎水材料的規格和說明書對其進行適當處理。涂覆后的混凝土需要靜置24h 以上，以保證憎水材料與混凝土表面充分反應。

1.1.2.2 試驗過程

將冰塊放置在混凝土表面，按照規定時間間隔進行拉伸試驗。通過試驗儀器測量拉伸力、位移及變形等數據，計算附著強度?？筛鶕嶋H情況進行多次試驗，取平均值作為最終結果。

1.1.2.3 試驗后處理

試驗結束后，要及時清理試樣和試驗儀器，以確保下次試驗的準確性。

1.2 試驗設計

憎水涂層混凝土冰附著強度試驗是在混凝土表面涂覆憎水材料后，在極低溫下，將冰塊固定在混凝土表面，并通過拉伸試驗來測定冰與混凝土之間的附著強度。設計思路和設計原理如下。

1.2.1 設計思路

確定試驗目的：評估在極低溫條件下，混凝土表面涂覆憎水材料后，其與冰之間的附著強度。

選取試驗方法：憎水涂層混凝土冰附著強度試驗是一種常用的試驗方法，適合用于評估混凝土涂覆憎水材料后與冰之間的附著強度。

確定試驗參數：試驗參數包括混凝土類型、憎水材料類型、涂覆方式和冰塊尺寸等。這些參數應根據實際情況進行確定，并要充分考慮試驗精確性、可重復性和代表性。

執行試驗：按照確定的試驗方法和試驗參數執行試驗，記錄試驗數據，并根據試驗結果對混凝土涂覆憎水材料后與冰之間的附著強度進行評估。

1.2.2 設計原理

1.2.2.1 混凝土表面處理

混凝土表面要充分打磨、清潔，并確保干燥無氣泡。然后涂覆憎水材料，使混凝土表面形成微小孔洞，從而具有一定的憎水性能。

1.2.2.2 固定冰塊

將規定尺寸的均勻無氣泡的冰塊固定在混凝土表面上，并通過試驗夾具將其拉伸。

1.2.2.3 根據試驗數據計算附著強度

通過試驗儀器記錄拉伸力和位移等數據，計算附著強度。其中，附著強度的計算公式：附著強度=拉斷力/冰塊接觸面積。

1.3 試驗制備

該研究中，相關工作人員針對冰附著強度設計了一種試驗方法。該試驗所使用的砼板尺寸為195mm×195mm×35mm，強度等級為C40 的砼板。研究人員根據試驗需求，對其表面進行不同程度的粗糙處理。為了探究憎水涂層對砼板冰附著強度的影響，試驗設計5 組試件，第一組試件在砼板表面涂刷防水漆，第二組試件在砼板表面涂刷聚氨酯防水瀝青，第三組在砼板表面涂刷有機硅憎水劑組，第四組在砼板表面涂刷HZ 憎水劑組，第五組為對照組，砼板表面未做任何處理[1]。

在該試驗中，為消除底面不平整造成的影響，使用型號為HG-C1050L 的激光位移傳感器進行修正。通過同步測量每個砼板2 個垂直方向上的輪廓高度信息來獲得更精確的冰附著力數據。在試驗過程中，在不同溫度下制備成冰的水被涂抹在試件表面形成冰層，然后掃描儀掃描冰層的表面來測定冰附著力（如圖1所示）。

圖1 砼板絕對輪廓高度

經過多次試驗取平均值來衡量冰附著強度。該試驗結果將有助于揭示不同類型的憎水涂層對砼板冰附著強度的影響。有效的憎水涂層能夠降低砼板的冰附著強度，從而減少冰的積累和滑落造成的危險。該試驗還為砼工程設計提供一定的理論依據，以保障其安全性和可靠性。

研究人員設砼板表面粗糙程度為Re，引入輪廓高度算是平均差列出公式（1）。

式中：y（x）為表面輪廓高度（中線）；l為取樣長度。

研究人員將試驗環境溫度設定為-10℃，在該環境下，研究人員詳細記錄冰與砼板凍結的完整過程。從微觀層面來看，該過程先令砼板表面處于吸水飽滿狀態，再將冰塊快速擺放至預定位置[2]。如果試驗過程中出現縫隙，則研究人員要從側面進行補充水，直至冰與砼板完全處于凍結狀態。在所有試驗樣品達到完整凍結狀態后，就可以進行力學試驗了。

1.4 試驗過程

當砼板上的水分開始凍結時，它會釋放熱量，導致周圍的環境溫度降低并加快整個過程的進展。一旦砼板被完全凍結，其內部產生了很高的應力，并且由于溫度變化，還會出現收縮和膨脹等形變現象。因此，在進行力學試驗的過程中需要非常謹慎。這種試驗方法能夠幫助工程師們更好地研究砼、巖石、人工復合材料等材料在極低溫環境下的機械性質和結構行為，有助于確定這些材料的可行性、耐久性以及在極寒環境下的使用范圍等問題。此外，該試驗方法還可以作為一種檢驗砼質量的手段，通過模擬極端的低溫條件，評估砼在不利環境下的抗凍融性能和強度等特征，從而提高砼結構體系的安全耐久性。

首先，在進行實測的過程中，研究人員采用增加平行凍結附著面剪切力的方式測量冰與砼板的附著強度。通過這種方式，可以模擬實際情況下物體受到水平沖擊力造成的冰雪附著壓力，非常符合實際應用場景。

其次，在試驗設備方面，電動液壓式冰壓力試驗機是一款比較常見的測試設備。在測試過程中，試驗機提供作用力，借助這種方式令凍結附著面作用力能夠覆蓋與附著面邊緣位置。同時，為了增強測試精度，研究人員在壓桿、調節頭處安裝了壓力傳感器，型號為PPM226-LS2-1，其精度能達到0.002kN，可以準確地測量冰與其他材料間的附著力。

除了這些基本的測試方式和設備，研究人員對冰與其他材料附著強度測試的方法進行探索[3]。例如針對不同區域的特點，提出不同的測試策略。在山區及高海拔地區中通常采用垂直于凍結附著面的拉伸試驗來衡量冰雪的附著強度，在平原地區中更重視各種特定氣象條件下的實測結果，也會利用現代技術手段進行數據分析和處理。

該研究中，相關工作人員設冰附著強度為σb，則砼板上的冰塊脫落時，最大剪切力計算如公式（2）所示。

式中：Pb為試件破壞時最大剪切力；S為冰塊附著面積。

2 試件結果分析

2.1 砼材料表面粗糙度與冰附著能力關系分析

該研究中，相關工作人員為了探究冰附著強度和砼表面粗糙度之間的關系，使用砼板單次凍結試驗來控制誤差，并探究表面粗糙度對附著強度的影響。

通過試驗發現材料表面越光滑，附著強度越小。其原因如下：首先，如果附著物表面十分光滑，冰與砼板附著面接觸區域減少，冰的附著能力降低。其次，在平行于砼表面的剪切力影響下，砼表面凹槽以及凸起部分，與附著面的結合程度提高。原因是在冰與砼表面接觸過程中，冰會填滿砼表面縫隙以及其表面存在的細微凹槽，在該過程中，砼表面逐漸形成了錨固點，令冰能夠更緊密地與砼表面結合。最后，根據試驗結果可以得出，附著強度與砼表面粗糙度成正比。由于砼表面粗糙度會對結果產生誤差，因此需要明確附著強度與砼表面粗糙度之間的關系，通過這種方式解釋兩者間的變化規律。

凍結附著試驗是深入研究冰與砼相互作用的一種方法。由于該測試機理非常復雜且在采集試驗數據的同時會受到一些誤差的影響，因此科學家們需要不斷改進試驗方法，以獲得更精確的結果。為了消除這些誤差，重點是如何制定正確的試驗方案。其中，砼板單次凍結試驗是一種常用的解決方案。該試驗的基本原理是將砼板置于冰塊上，在恒定溫度下將水表面固化成冰，并測量冰塊貼著砼的強度來反映它們之間的附著強度。對單個試件進行多次測試并取平均值，最終可以得出比較準確的結果[4]。

此外，根據鉆孔和剖面觀察，科學家還發現砼表面粗糙度會對冰與砼的附著強度產生影響。具體來說，隨著砼表面粗糙度增加，冰塊能更容易地卡緊砼表面，因此附著強度也會增加。這個試驗結果對現代建筑材料領域有很大的意義?；谠摻Y論，人們可以在建筑砼表面進行特殊處理以改變其表面粗糙度，從而提高建筑物在冬季和極寒環境下的抗寒性能、延長使用壽命。同時，該試驗也為深入認識冰和砼之間的相互作用機制提供了重要的手段和思路。

2.2 憎水涂層材料與冰附著強度的關系

憎水涂層材料作為一種特殊的表面涂層，能夠在其表面形成微觀結構，使其具有憎水性質。這些微觀結構通常被稱為“蠟質樹枝狀結構”或“脈沖形態結構”，它們可以改變表面張力并減少吸附作用，使液體無法附著在表面。經過試驗，研究人員得到以下3 個結論：1）涂層材料的類型對憎水涂層的效果影響較大。通常來說，聚合物材料和氟化物材料被認為是兩種最常用的憎水涂層材料。其中，氟化物材料具有更好的憎水性能，因此在防冰技術中廣泛使用。這些涂層可以形成一個十分平整且均勻的表面，表面的疏水性質可以有效地降低冰的黏附力。2）涂覆厚度也是影響涂層效果的重要因素。一般來說，涂層的厚度越大，其憎水性能和抗冰附著性能會相應增強。特別是對氟化物材料涂層來說，厚度通常在幾微米，超過這個范圍會導致其他性能下降。3）處理方法也會影響涂層效果。不同的處理方法可以改變涂層的結構和表面形態，進而影響其憎水性能和抗冰附著性能。例如采用等離子噴涂法制備氟化物涂層時，在控制等離子噴涂參數的過程中可以調節涂層表面的粗糙度，從而獲得不同的憎水性能和抗冰附著性能。

3 水庫憎水涂層砼護坡應用方式

研究人員為了解決該水庫每年發生兩次的“冰爬坡”問題，以紅旗泡水庫為例，嘗試引入帶有憎水涂層的砼護坡。這種現象在寒冷的氣候環境下非常常見，當水庫表面結冰后，水位開始上升，并向周圍推進。當水庫松動時，可能會發生冰爬坡現象，即冰體從水庫表面“爬”起來，推移砼壩身并造成損害。

在紅旗泡水庫的應用示例中，憎水涂層砼護坡應用效果很好。憎水是一種表面被涂覆上防水劑（如硅烷等物質）的砼表面。這樣的涂層可以有效地阻止水分滲透進入砼內部，保證砼表面的干燥性和質量。在實踐中，憎水涂層砼護坡能夠降低冰爬坡現象所產生的推力，并減輕砼板的運動風險和受冰推破壞的可能性。為了更好地評估憎水涂層砼護坡的優劣，研究者提供了砼護坡的穩定驗算表達式[5]。這個表達式可以預測冰壓作用力和附著強度之間的關系，并通過一些試驗數據來展示其可靠性。通過試驗結果可以看出，憎水涂層砼護坡在保證耐久性和性價比的前提下，可以有效地防止水庫中發生冰爬坡現象，為水利工程的安全運行提供重要保障。護坡穩定驗算如公式（3）所示。

式中：F1為靜冰壓力沿坡面向上的作用力；F2為靜冰壓力垂直于坡面的分力；G為冰層以上護坡砼板自重；θ為壩坡的坡腳，在該研究中，θ=21.8，φ為砼原料中砂的內摩擦角，φ=30°。

當F1的數值大于護坡砼板凍結附著力時，靜冰層與砼板脫離并沿著護坡的方向向上移動，在冰層移動的過程中，冰層靜冰壓力降低，對護坡形成保護。

在具體實踐中，可以在砼表面噴涂或刷涂防水材料，以防止水分滲透。該涂層需要定期檢查并重新施工，保證其完整性和持久性。建造水泥砼結構形成一定的高度和坡度，以起到防水、護坡和固土等作用。該結構需要結合地質情況、設計要求和施工工藝綜合考慮，通常需要進行基礎處理和鋼筋預埋。

4 結語

研究人員對憎水涂層砼冰附著強度進行試驗以及對應用性能進行研究，得到以下結論。首先，這種涂層能夠顯著提高砼冰附著強度，在防止冰凌形成、減輕積雪對建筑物所造成的負荷等方面具有重要作用。其次，為確保該涂層的應用效果，須注意施工過程中的適宜條件以及合理選擇材料。最后，在實際工程中廣泛采用這種技術，進一步提高建筑物的安全性、可靠性和耐久性。希望未來能夠有更多的研究者關注和深入探討這個領域，使其發展得更完善和成熟。