李向東，熊復慧，馬耀輝，張 恒，周麗娜

(黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

黑龍江省處于嚴寒地區(qū)，使用條件處于動態(tài)和靜態(tài)荷載復合作用下的水工混凝土建筑物所處的自然環(huán)境和應用環(huán)境相對比較嚴酷，對水工混凝土的耐久性要求更為嚴格。由于水工混凝土建筑物的耐久性不良導致混凝土建筑物破壞現(xiàn)象屢見不鮮，不僅影響了混凝土工程的正常運行，限制了工程效益的發(fā)揮，而且每年都耗用大量的維修資金，造成較大損失。

針對如何提高混凝土耐久性質(zhì)量控制等問題，黑龍江省水利科學研究院開展了寒區(qū)混凝土改性摻合料的使用、表面防護材料的處理、裂縫機理分析及處理和新型纖維增強干粉修補砂漿應用等多角度的質(zhì)量控制技術研究。這些研究的技術成果與產(chǎn)品在寒區(qū)水工混凝土中進行了應用，取得了很好的應用效果，不僅顯著改善了新拌混凝土的和易性，提高了勞動生產(chǎn)率，改善了混凝土的耐久性，而且減少了工程運行管理單位對工程的維護費用，延長工程的服務年限。

1 復合增鈣液態(tài)渣粉水工混凝土

1.1 復合增鈣液態(tài)渣粉

復合增鈣液態(tài)渣粉來源于以燃煤立式旋風爐為主要爐型的熱電廠。熱電廠向下排放的呈熔融液態(tài)的工業(yè)副產(chǎn)品，由于其含有較高的活性潛能組分，被稱作增鈣液態(tài)渣。增鈣液態(tài)渣在排出時經(jīng)高壓水驟冷而形成水淬渣，其經(jīng)適當烘干，去除水分，磨細后成為增鈣液態(tài)渣粉。由于增鈣液態(tài)渣粉在磨細過程中具有易碎不易細的特性，為了滿足混凝土摻合料的性能要求和配制不同等級混凝土的需要，在磨細過程中，加入適量的其他助磨材料或混凝土改性材料，共同構成了復合增鈣液態(tài)渣粉[1-2]。

1.2 復合增鈣液態(tài)渣粉對水工混凝土性能的影響

通過對摻加復合增鈣液態(tài)渣粉的水工混凝土長期力學試驗、使用外加劑匹配性能試驗、耐久性能測試與評價、耐久性能影響研究及孔結構分析對比，以及SEM照片分析對比研究復合增鈣液態(tài)渣粉水工混凝土性能。

(1)復合增鈣液態(tài)渣粉作為一種新型混凝土摻合料，比強度較大，需水比小，化學外加劑匹配性好，水化熱低，體積安定性好?？梢愿纳菩掳杌炷恋暮鸵仔?，調(diào)整混凝土內(nèi)部結構和界面狀態(tài)，顯著降低了混凝土水化熱，提高混凝土的密實度。由于復合增鈣液態(tài)渣粉的水化滯后于水泥的水化，減緩了水化熱釋放速率，避免了水化放熱峰值的疊加，大大降低了混凝土內(nèi)部的放熱峰值，有效地降低了混凝土中的水泥水化熱以及由水化熱引起的混凝土缺陷，改善混凝土的耐久性能。

(2)復合增鈣液態(tài)渣粉替代部分水泥，對混凝土的早期強度具有一定影響，但混凝土在標準養(yǎng)護28 d之后，復合增鈣液態(tài)渣粉混凝土的強度增長率明顯超過基準混凝土，呈快速上升趨勢，其后期強度接近甚至超過基準混凝土。

(3)試驗表明，復合增鈣液態(tài)渣粉活性的發(fā)揮需要一定的養(yǎng)護齡期，一般應以60 d甚至90 d養(yǎng)護齡期來作為評定標準。復合增鈣液態(tài)渣粉混凝土的收縮小于基準混凝土，具有很好的抗碳化能力，而滲透系數(shù)則低于基準混凝土，抗?jié)B性能出色。

(4)復合增鈣液態(tài)渣粉水工混凝土的孔結構分析和SEM照片分析表明，雖然復合增鈣液態(tài)渣粉水工混凝土的早期強度低于基準混凝土，但在混凝土的后期，尤其是60 d之后，復合增鈣液態(tài)渣粉與Ca(OH)2發(fā)生二次水化反應，生成CSH凝膠，并為水泥熟料水化反應提供更多的水化沉淀場所，從而促進未水化水泥熟料的進一步水化，填補混凝土中的孔洞和缺陷，使混凝土孔徑分布集中于50～100 nm區(qū)間內(nèi)，改善了孔隙結構，優(yōu)化了混凝土的性能。

(5)復合增鈣液態(tài)渣粉的各種組分在混凝土中充分發(fā)揮了形態(tài)效應、活性效應和微集料填充效應。這些組分的復合，對混凝土的早期強度，尤其是后期強度，形成了疊加效應。

1.3 復合增鈣液態(tài)渣粉水工混凝土的應用

作為新型礦物摻合料，復合增鈣液態(tài)渣粉在黑龍江省依蘭灌區(qū)學興渠首工程等多個項目中進行了應用。

如在依蘭灌區(qū)學興渠首工程中(圖1)，增鈣液態(tài)渣粉作為混凝土摻合料替代水泥，優(yōu)化混凝土配合比，較大比例降低水泥用量，降低水化熱，能夠充分利用復合增鈣液態(tài)渣粉的微集料填充效應和活性效應，其配合外加劑使用能顯著提高混凝土的耐久性。該工程混凝土坍落度控制在180～220 mm之間，混凝土拌合物的含氣量控制在3.5%～4.5%之間。具體配合比見表1。

表1 C20F200水工混凝土配合比 kg/m3

圖1 依蘭灌區(qū)學興渠首工程

工程實踐發(fā)現(xiàn)：復合增鈣液態(tài)渣粉的使用能有效降低混凝土單方水泥用量和需水量比，提高混凝土的黏聚性、流動性和密實度，改善新拌混凝土的和易性及可泵性，提高泵送效率，減少輸送新拌混凝土時的泵送阻力，混凝土不離析，可連續(xù)泵送，提高混凝土生產(chǎn)效率。另外復合增鈣液態(tài)渣粉混凝土內(nèi)部均勻密實，外觀質(zhì)量良好，物理力學性能滿足設計要求，表面光潔，后期抗?jié)B性能、抗凍性能得到提高，可替代水泥用量20%～40%，降低混凝土成本，具有良好的經(jīng)濟性和實用性[3]。

2 寒區(qū)水工混凝土無機類耐久性防護劑

2.1 無機類耐久性防護劑研制

研制開發(fā)的寒區(qū)水工混凝土無機類耐久性防護劑可通過涂刷、噴涂等施工工藝應用于混凝土的表面。防護劑可以滲入到混凝土表面20～40 mm 以上，各組分深入混凝土內(nèi)部，通過反應結晶固化，其反應產(chǎn)物填充、堵塞和隔斷混凝土中的孔隙，提高表層混凝土的密實度和憎水性，降低混凝土表層的吸水性，阻止環(huán)境有害介質(zhì)對水工混凝土的侵害，有效提高水工混凝土的耐久性[4-5]。主要對無機類耐久性防護劑配制技術、主要耐久性指標影響的評估與對比試驗測定及應用工藝進行了深入研究。

(1)使用分離大顆粒法解決水工混凝土無機類耐久性防護劑存放穩(wěn)定性問題，在常溫下穩(wěn)定存放3個月以上；摻加助劑提高防護組分的滲透性，滲透深度提高50%以上。

(2)試驗表明，使用水工混凝土無機類耐久性防護劑后，顆粒填充混凝土基層孔隙使混凝土結構密實，混凝土吸水率減小，C20和C30混凝土的24 h吸水率較基準件分別可以降低18.7%和17.5%；C20和C30混凝土試件的抗?jié)B能力至少可以提高0.2 MPa，即一個抗?jié)B等級以上；混凝土的抗碳化能力有很大的改善，標準條件下碳化14 d后，C20和C30混凝土試件的碳化深度分別可以降低21.6%～39.7%和21.2%～37.4%；混凝土強度也有所增加，C20和C30混凝土試件的抗壓強度提高了10%～18%。

(3) 試驗表明，使用新型水工混凝土無機類耐久性防護劑后涂刷層與混凝土基層材料界面密實、穩(wěn)定，混凝土試件的12 h磨損質(zhì)量比基準件的磨損質(zhì)量小。相同情況下，C30混凝土試件的質(zhì)量損失至少比基準件少20.3%，C20試件的質(zhì)量損失至少比基準件少33.3%。

(4)試驗表明，使用水工混凝土無機類耐久性防護劑后，防護劑與混凝土中水泥水化產(chǎn)物發(fā)生水化反應生成新的產(chǎn)物使原較疏松的混凝土結構密實，混凝土的抗凍效果更加突出，C20和C30混凝土試件的抗水凍循環(huán)次數(shù)提高了76%和89%,抗鹽凍能力(以表面剝蝕量計)可以提高一倍左右[6]。

2.2 無機類耐久性防護劑工程應用

寒區(qū)水工混凝土無機類耐久性防護劑研發(fā)后，先后在黑龍江省龍頭橋水庫溢洪道補強修復工程、鏡泊湖水庫溢流壩裂縫處理工程、大慶洪湖水庫泄水閘補強修復工程等多個水利工程中多種界面進行應用，取得了良好的效果。

如在龍頭橋水庫溢洪道補強修復工程中，水工混凝土無機類耐久性防護劑應用部位為新聚合物砂漿表面，噴涂處理面積236 m2。防護劑通過滲入反應結晶固化，提高表層的密實度和憎水性，降低表層的吸水性，密閉砂漿孔隙提高聚合物砂漿的抗?jié)B、抗凍性能，從而提高聚合物砂漿的耐久性，該工程實施7 a來，多次回訪觀察處理界面，外觀質(zhì)量良好[7]。

防護劑表面防護處理施工圖見圖2和圖3。

圖2 防護劑表面防護處理

圖3 防護劑表面防護處理

3 高寒地區(qū)水工混凝土裂縫機理及防護措施

3.1 高寒地區(qū)水工混凝土裂縫機理的分析

寒冷地區(qū)水工混凝土的破壞方式多為綜合因素作用下的破壞，尤其是凍融破壞后，滲透性能下降[8-9]。該研究采用凍融與滲透耦合、裂縫與滲透耦合方法分析了高寒地區(qū)水工混凝土裂縫機理，揭示了高寒地區(qū)水工混凝土的劣化規(guī)律。通過凍融后或者預制裂縫后水工混凝土的電通量變化評價水工混凝土滲透性能，并通過計算模擬的方式進行分析，得到寒冷地區(qū)水工混凝土的滲透性能隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而明顯增加，說明寒冷地區(qū)水工混凝土的內(nèi)部裂縫也是隨著凍融的作用增加的，揭示了水工混凝土的滲透性能和凍融之間的關系，為寒冷地區(qū)使用的水工混凝土在實際環(huán)境下的耐久性研究提供基礎和評價方法。

3.2 水工混凝土的防裂技術研究

采用復合礦物摻合料和超強吸水聚合物(SAP)內(nèi)養(yǎng)護技術聯(lián)合的方式克服了水工混凝土施工初期開裂的問題。首先從原材料的角度出發(fā)，采用大摻量礦物摻合料和聚羧酸減水劑相結合的方式制備水工混凝土，獲得性能良好的水工混凝土，降低水工混凝土的裂縫發(fā)生。其次，從養(yǎng)護方法上進行防裂技術研究，在水工混凝土中引入內(nèi)養(yǎng)護技術。內(nèi)養(yǎng)護技術是將吸水性材料拌入到混凝土中，通過在配制水工混凝土的初期，吸收水分，在水化后期，內(nèi)部相對水分不充足的情況下，及時補充水分，使得混凝土內(nèi)部的水化持續(xù)進行，調(diào)節(jié)混凝土內(nèi)部濕度分布狀態(tài)，減少混凝土初期的水分蒸發(fā)，緩解內(nèi)部自收縮以及干燥收縮的問題，達到預防水工混凝土開裂的目的。

3.3 水工混凝土裂縫的地質(zhì)聚合物修補料

探索了新型的水工混凝土修補料——地質(zhì)聚合物修補料，并在實際工程中成功應用。該修補料的凝結硬化速度快，流動性良好，可用于細小裂縫的灌注，可以對已經(jīng)形成的裂縫進行及時修補，起到防止裂縫繼續(xù)擴展的作用。

4 寒區(qū)水工混凝土纖維增強干粉修補砂漿

4.1 纖維增強干粉修補砂漿

通過無機有機多組分高性能材料在砂漿中的協(xié)同作用機理研究，獲得聚丙烯纖維干粉砂漿、玄武巖纖維干粉砂漿、混合纖維干粉砂漿等新型纖維增強干粉修補砂漿[10]，并結合界面膠、玄武巖纖維棒、無模板施工工藝等形成寒區(qū)水工混凝土修補材料技術。解決界面耦合效果不好，克服環(huán)境惡劣、施工條件困難，節(jié)省工期、資金等多方面作用。

4.2 纖維增強干粉修補砂漿性能研究

針對纖維增強干粉修補砂漿的性能研究，比較聚丙烯纖維干粉砂漿、玄武巖纖維干粉砂漿、混合纖維干粉砂漿的技術特點。

(1)聚丙烯纖維能夠提高砂漿的早期和后期的抗壓強度，在摻量為0.6 kg/m3時強度提高最大，聚丙烯纖維在一定的摻量范圍內(nèi)對砂漿的后期抗折強度起到很好的提高作用，但是超過這個范圍后對砂漿的抗折強度沒有幫助甚至降低其抗折強度。

(2)玄武巖纖維能夠明顯提高砂漿的早期強度，在一定范圍內(nèi)摻量越大強度越高，原因是玄武巖纖維本身的性能在砂漿中能夠起到骨架的作用。玄武巖纖維摻量對砂漿的后期強度增長影響減小，最高強度值提高不到7%。

(3)聚丙烯纖維隨著摻量的增加，砂漿流動度先升高后降低，摻量超過0.9 kg/m3之后聚丙烯纖維的增稠效果更加明顯，流動度降低超過10%；而玄武巖纖維在0.9 kg/m3范圍內(nèi)能夠提高砂漿的流動度，超過0.9 kg/m3之后才呈下降趨勢。通過比較可以看出聚丙烯纖維對砂漿增稠作用非常明顯，而玄武巖纖維在1.2 kg/m3摻量范圍內(nèi)對砂漿的流動度是起到增加的作用的，超過這個值后增稠效果明顯，砂漿流動度開始降低。

(4)纖維干粉修補砂漿的28 d抗壓強度均高于基準砂漿，其中聚丙烯纖維干粉砂漿強度比基準砂漿提高35.6%，玄武巖纖維干粉砂漿強度比基準砂漿提高30.9%，混合纖維干粉砂漿強度比基準砂漿提高27.2%，并且三種纖維干粉砂漿強度均超過50 MPa。這表明三種纖維干粉砂漿均滿足修補砂漿的強度要求，有較高的抗壓強度。

(5)三組纖維干粉砂漿28 d齡期抗折強度均高于基準砂漿，其中聚丙烯纖維干粉砂漿抗折強度接近10 MPa，玄武巖纖維干粉砂漿和混合纖維干粉砂漿抗折強度均超過10 MPa。聚丙烯纖維干粉砂漿比基準砂漿抗折強度提高18.7%，玄武巖纖維干粉砂漿比基準砂漿抗折強度提高21.7%，混合纖維干粉砂漿比基準砂漿抗折強度提高27.7%。干粉與混合纖維的共同作用效果最好，玄武巖纖維和干粉的共同作用比聚丙烯纖維與干粉的協(xié)調(diào)互補能力更好一些。

(6)聚丙烯纖維干粉砂漿、玄武巖纖維干粉砂漿、混合纖維干粉砂漿劈裂強度均高于基準砂漿。聚丙烯纖維干粉砂漿的抗劈裂強度高于基準砂漿72%，達到了3.8 MPa，而玄武巖纖維干粉砂漿的抗劈裂強度高于基準砂漿46%，達到了3.2 MPa以上，混合纖維干粉砂漿抗劈裂強度高于基準砂漿55%，達到了3.4 MPa以上。這說明纖維的三維網(wǎng)狀結構與干粉形成的聚合物膜協(xié)同作用下修補砂漿的抗劈裂強度大幅提高。

(7)聚丙烯纖維干粉砂漿的黏結強度達到了2.4 MPa，玄武巖纖維干粉砂漿和混合纖維干粉砂漿的黏結強度都達到2.63 MPa，試驗證明三種纖維干粉砂漿均有很好的黏結強度，這是新老界面之間耦合效果好壞的必要保證。

(8)三種纖維干粉砂漿的干縮率均小于基準砂漿，聚丙烯纖維干粉砂漿和混合纖維干粉砂漿的干縮率幾乎在各個齡期上基本相同，玄武巖纖維干粉砂漿干縮率在各個齡期上最低，這說明三種纖維增強干粉修補砂漿抵抗收縮的性能均高于普通砂漿10%以上，玄武巖纖維干粉砂漿的抗收縮性能更好一些。

(9)試驗表明聚丙烯纖維干粉砂漿的抗?jié)B性能最優(yōu)，玄武巖纖維干粉砂漿和混合纖維干粉砂漿的抗?jié)B性能接近，三種砂漿的抗?jié)B等級均達到了W15以上。這是由于干粉與水泥反應形成聚合物膜和纖維在砂漿中交織形成網(wǎng)絡結構相互襯托起到了很好的協(xié)同作用，使得砂漿的抗?jié)B性能大幅提高。

(10)三種纖維干粉砂漿抗凍融循環(huán)次數(shù)均超過300次，抗凍等級超過了F300。纖維干粉砂漿在各個齡期下幾乎沒有碳化，而同條件下基準砂漿碳化5 mm以上，這說明纖維干粉修補砂漿抗碳化能力非常強，抗碳化能力比基準砂漿提高超過100%。纖維增強干粉修補砂漿的抗沖磨強度高于基準砂漿，抗沖磨強度提高45%以上，其中混合纖維增強干粉修補砂漿的抗沖磨強度提高了97%，這表明纖維增強干粉修補砂漿具有很好的抗沖磨性能，混合纖維增強干粉修補砂漿的抗沖磨性能最為優(yōu)越。

4.3 纖維增強干粉修補砂漿工程應用

纖維增強干粉修補砂漿是一種新型寒區(qū)水工混凝土修補材料技術。修補砂漿的各種組分在砂漿中充分發(fā)揮了聚合物膜作用和三維網(wǎng)狀結構等作用，對砂漿的早期強度、后期強度，形成了疊加效應，使得砂漿具有了高性能，滿足修補工程的各項技術要求[10]。該項修補技術在黑龍江省中部引嫩工程、北部引嫩工程、泥河水庫等工程的修補加固中進行了推廣應用。

如在北部引嫩翁海橋樁補強修復工程中，解決了新舊混凝土界面黏結、抗?jié)B抗凍耐久性等問題，結合無模板工藝可解決薄臂、橋樁的修補難題，取得了很好的應用效果。橋樁修補前后見圖4和圖5。

圖4 橋樁修補前

圖5 橋樁修補后

5 結 語

(1)寒區(qū)水工混凝土的耐久性問題是綜合因素的作用結果，應該從材料的使用、機理的研究、過程的控制、后期的處理等多方面進行研究探討。

(2)復合增鈣液態(tài)渣粉等新型的礦物摻合料、超強吸水聚合物(SAP)內(nèi)養(yǎng)護技術、改善混凝土表層性能的耐久性防護劑可從基礎上獲得性能良好的水工混凝土，提高寒區(qū)水工混凝土耐久性。

(3)寒區(qū)水工混凝土耐久性破壞問題可以通過地質(zhì)聚合物修補料、纖維干粉砂漿復合配制成套技術等進行防護。