寒區(qū)水工混凝土結(jié)構(gòu)增壽關(guān)鍵技術(shù)研究

邊志剛 王樂志 王艷坤 李明儒 張靜

摘 要 寒區(qū)水工混凝土破壞嚴(yán)重，對其進(jìn)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(fù)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(shù)的關(guān)鍵所在。本文在諸多研究人員已有大量的試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，通過分析寒區(qū)水工混凝土凍融機(jī)理及外加劑作用機(jī)理，對其增壽研究包括試驗(yàn)方法、材料、外加劑作用形式及作用效果、結(jié)果評價指標(biāo)進(jìn)行擇優(yōu)擬定，為實(shí)際寒區(qū)水工混凝土的增壽試驗(yàn)提供資料參考。

關(guān)鍵詞 凍融破壞 水工混凝土 相對動彈模量 性能試驗(yàn)

中圖分類號：TV641.4 文獻(xiàn)標(biāo)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(xiàn)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(zhì)侵蝕。其中，凍融破環(huán)占調(diào)查總工程量的21.9%，東北地區(qū)水利工程的混凝土凍融破壞情況最為嚴(yán)重。寒區(qū)水工混凝土多處于“動態(tài)”和“靜態(tài)”共同循環(huán)作用下，工況極為惡劣，惡劣的環(huán)境對其耐久性指標(biāo)提出了很高要求，增強(qiáng)混凝土的抗凍性能指標(biāo)是提高混凝土耐久性能的關(guān)鍵。我國地域遼闊，有相當(dāng)大的地區(qū)處于嚴(yán)寒地帶，大量水工建筑物所出現(xiàn)的凍融破壞現(xiàn)象不僅對社會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，同時威脅著當(dāng)?shù)厝藗兊娜松碡敭a(chǎn)安全。因而，提高寒區(qū)混凝土抗凍性能進(jìn)而增加其使用壽命的相關(guān)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(yàn)研究方向。

1凍融機(jī)理分析

當(dāng)前，關(guān)于凍融機(jī)理研究理論主要包括靜水壓經(jīng)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?；炷恋膬鋈谄茐倪^程是比較復(fù)雜的物理變化過程，對其機(jī)理尚未進(jìn)行明確統(tǒng)一。普遍認(rèn)為，凍融破壞是由于混凝土受凍使表層孔隙水結(jié)冰，擠壓未受凍水向混凝土內(nèi)部移動產(chǎn)生壓力，同時由表及里逐漸結(jié)冰時水分的體積增加又產(chǎn)生膨脹壓力，在液體壓力和膨脹壓力反復(fù)作用下，混凝土表面剝落破壞，混凝土內(nèi)部孔隙以及微微裂紋增加，擴(kuò)展并相互連通，結(jié)構(gòu)疏松最終導(dǎo)致破壞。凍融破壞的主要影響因素包括孔結(jié)構(gòu)、飽水度、含氣量以及環(huán)境條件。

2技術(shù)研究方向

2.1試驗(yàn)方法選取

當(dāng)前，我國凍融循環(huán)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)主要依據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》（GB/T50082-2009）的規(guī)定進(jìn)行，主要分為慢凍法、快凍法和單面鹽凍法?，F(xiàn)階段試驗(yàn)主要采用試件全部浸在凍融介質(zhì)中的快速凍融法。實(shí)際上，根據(jù)工程部位不同，多數(shù)混凝土為迎水面單面受凍。若采用全面浸水快速凍融試驗(yàn)方法評價水工建筑物的實(shí)際抗凍性能具有一定局限性，采用單面凍融試驗(yàn)往往更接近現(xiàn)場混凝土實(shí)際受凍情況。

用水作為凍融介質(zhì)進(jìn)行混凝土凍融試驗(yàn)，但水凍試驗(yàn)周期漫長，對于實(shí)際工程來說，試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有嚴(yán)重的滯后性，不能及時評價混凝土抗凍性，甚至影響工程進(jìn)度。采用鹽溶液作為凍融介質(zhì)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(jié)冰過程中的液體壓力和膨脹壓力，同時還要承受鹽結(jié)晶產(chǎn)生的結(jié)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(yàn)周期明顯縮短，符合當(dāng)前環(huán)境擬實(shí)化、條件惡劣化、周期快捷化的試驗(yàn)趨勢。

2.2試驗(yàn)材料選取

近年來對高強(qiáng)混凝土的研究不斷增加，與之相應(yīng)高強(qiáng)混凝土迅速發(fā)展。送水工混凝土的強(qiáng)度等級通常為C20、C25，C30以上的較少，對此，應(yīng)當(dāng)選取工程主要采用的C20、C25混凝土試樣進(jìn)行試驗(yàn)，測定其參數(shù)。

混凝土試樣的制作，常規(guī)材料的選取在規(guī)范中已經(jīng)明確指出。當(dāng)前，其強(qiáng)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(jīng)眾多學(xué)者研究，上述材料能夠有效改善混凝土力學(xué)性能、增強(qiáng)混凝土耐久性，且上述材料如粉煤灰、磷渣均屬于工業(yè)廢渣，對其的獲取經(jīng)濟(jì)便利。

2.3外加劑作用方式及機(jī)理

2.3.1單摻作用

當(dāng)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(jié)性能，進(jìn)而增加抗壓強(qiáng)度。并且，硅粉與水接觸，經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)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(jié)水。適當(dāng)加入能夠提高混凝土力學(xué)性能，包括粘結(jié)性能、抗壓性能、整體剛度。摻量通常不應(yīng)高于20%，當(dāng)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(shè)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(zhì)量，減少混凝土水化熱，抑制堿骨料反應(yīng)。目前對于混凝土中粉煤灰最優(yōu)摻量，還尚未有規(guī)范規(guī)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(dāng)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(qiáng)度相對未摻用粉煤灰的混凝土強(qiáng)度降低。當(dāng)前，確定粉煤灰最優(yōu)摻量的主要依據(jù)其與坍落度、強(qiáng)度與溫度的關(guān)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(fù)摻作用

由于雙摻充分利用了組分性能的超疊加效應(yīng)，故適當(dāng)?shù)膹?fù)摻效果優(yōu)于單摻。復(fù)合化可使粉體間產(chǎn)生化學(xué)交互作用效應(yīng)：不同超細(xì)粉間、不同超細(xì)粉與水泥間會產(chǎn)生化學(xué)交互作用，彼此誘導(dǎo)激發(fā)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(qiáng)度，但是不同的摻合料以及不同的摻加方式對混凝土的強(qiáng)度影響大小有所不同。水工混凝土的強(qiáng)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(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、軸拉強(qiáng)度、抗壓彈性模量都增大。磷渣粉具有緩凝作用，所以復(fù)摻粉煤灰與磷渣混凝土的早期抗壓強(qiáng)度變低。但有研究分析發(fā)現(xiàn)在混凝土中雙摻硅灰與礦渣能夠明顯提高混凝土的強(qiáng)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(qiáng)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(fù)摻粉煤灰和硅粉的最優(yōu)摻量為粉煤灰摻量為20%、硅粉摻量為2%為最優(yōu)摻量。

2.4結(jié)果評價指標(biāo)

依據(jù) GB-T50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》快凍法的規(guī)定，進(jìn)行試樣制作。我國是采用300次凍融試驗(yàn)來測定混凝土的抗凍性。其評定指標(biāo)為質(zhì)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(shù)Kn來表示混凝土的抗凍性。

質(zhì)量損失率是快凍法和慢凍法都采用的評價手段，達(dá)到一定次數(shù)的凍融循環(huán)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(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷，更為較直接的測試抗拉強(qiáng)度，準(zhǔn)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(yàn)研究時，對試樣的強(qiáng)度、質(zhì)量損失率及相對動彈模量作為評價指標(biāo)，并側(cè)重于動彈模量分析，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)。

3結(jié)語

（1）通過分析寒區(qū)水工混凝土的破壞機(jī)理，針對其特有工況，確定上述增壽技術(shù)研究方向，即通過鹽溶液做介質(zhì)進(jìn)行快凍，對其進(jìn)行上述單摻、復(fù)摻作用結(jié)果測試，為寒區(qū)實(shí)際水工混凝土增壽提供參考依據(jù)。

（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(shí)際工程中應(yīng)根據(jù)具體條件以及相關(guān)研究，通過適應(yīng)性試驗(yàn)確定最優(yōu)摻量。

（3）單摻作用效果研究已經(jīng)有顯著成果，根據(jù)工況進(jìn)行復(fù)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(fù)摻最優(yōu)量的確定。

參考文獻(xiàn)

[1] 李金玉，曹建國.水工混凝土耐久財?shù)难芯亢蛻?yīng)用[M].北京：中國電力出版社， 2004.

[2] 張士萍，鄧敏，唐明述.混凝土凍融循環(huán)破壞研究進(jìn)展[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報，2008，26（06）.

[3] 李中田，雷秀玲.快速檢測混凝土抗凍性能試驗(yàn)方法研究[J].architecture & art，2012：132-133.

[4] 李中田，馮林.CDF 法檢測混凝土抗凍性能試驗(yàn)方法研究[J].東北水利水電， 2012（11）：47-48.

[5] 陳重，董加敏.淺談硅粉對混凝土抗凍性的影響[J].黑龍江交通科技， 2008，6（06）：14-15.

[6] 戴國強(qiáng)，簡鴻福，葉霞.水工混凝土配合比參數(shù)的分析與確定[J].江西水利科技報，2013（09）.

[7] 林育強(qiáng)，李家正，楊華全.磷渣粉替代粉煤灰在水工混凝土中的應(yīng)用研究[J].長江科學(xué)院院報，2009（12）：93-95.

[8] 肖治微.高寒地區(qū)混凝土抗凍性試驗(yàn)研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2010.

[9] 趙丙芳.摻加粉煤灰和硅粉混凝土抗凍性能試驗(yàn)研究[D].長春：長春工程學(xué)院，2015（01）：23-30.