寒区水工混凝土结构增寿关键技术研究

边志刚 王乐志 王艳坤 李明儒 张静

摘 要 寒区水工混凝土破坏严重，对其进行增加耐久性、延长使用寿命的研究具有重大意义。其工况复杂恶劣，冻融破坏作为主要破坏形式，是水工混凝土增寿技术的关键所在。本文在诸多研究人员已有大量的试验研究的基础上，通过分析寒区水工混凝土冻融机理及外加剂作用机理，对其增寿研究包括试验方法、材料、外加剂作用形式及作用效果、结果评价指标进行择优拟定，为实际寒区水工混凝土的增寿试验提供资料参考。

关键词 冻融破坏 水工混凝土 相对动弹模量 性能试验

中图分类号：TV641.4 文献标识码：A

0前言

资料表明，我国大型水利水电混凝土工程由于耐久性不良而出现的病害主要有六大类：裂缝、渗漏和溶蚀、冲刷磨损和气蚀磨损、冻融破坏、混凝土的碳化和钢筋锈蚀、水质侵蚀。其中，冻融破环占调查总工程量的21.9%，东北地区水利工程的混凝土冻融破坏情况最为严重。寒区水工混凝土多处于“动态”和“静态”共同循环作用下，工况极为恶劣，恶劣的环境对其耐久性指标提出了很高要求，增强混凝土的抗冻性能指标是提高混凝土耐久性能的关键。我国地域辽阔，有相当大的地区处于严寒地带，大量水工建筑物所出现的冻融破坏现象不仅对社会造成巨大的经济损失，同时威胁着当地人们的人身财产安全。因而，提高寒区混凝土抗冻性能进而增加其使用寿命的相关研究具有重大意义，在此通过分析水工混凝土工况拟定试验研究方向。

1冻融机理分析

当前，关于冻融机理研究理论主要包括静水压经典理论、渗透压理论、冰棱镜理论、基于过冷液体的静水压修正理论、饱水度理论等。混凝土的冻融破坏过程是比较复杂的物理变化过程，对其机理尚未进行明确统一。普遍认为，冻融破坏是由于混凝土受冻使表层孔隙水结冰，挤压未受冻水向混凝土内部移动产生压力，同时由表及里逐渐结冰时水分的体积增加又产生膨胀压力，在液体压力和膨胀压力反复作用下，混凝土表面剥落破坏，混凝土内部孔隙以及微微裂纹增加，扩展并相互连通，结构疏松最终导致破坏。冻融破坏的主要影响因素包括孔结构、饱水度、含气量以及环境条件。

2技术研究方向

2.1试验方法选取

当前，我国冻融循环试验标准主要依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》（GB/T50082-2009）的规定进行，主要分为慢冻法、快冻法和单面盐冻法。现阶段试验主要采用试件全部浸在冻融介质中的快速冻融法。实际上，根据工程部位不同，多数混凝土为迎水面单面受冻。若采用全面浸水快速冻融试验方法评价水工建筑物的实际抗冻性能具有一定局限性，采用单面冻融试验往往更接近现场混凝土实际受冻情况。

用水作为冻融介质进行混凝土冻融试验，但水冻试验周期漫长，对于实际工程来说，试验数据具有严重的滞后性，不能及时评价混凝土抗冻性，甚至影响工程进度。采用盐溶液作为冻融介质可以提高混凝土饱水度，与水冻相比较，混凝土需要承受过多的水分在结冰过程中的液体压力和膨胀压力，同时还要承受盐结晶产生的结晶压力。在多重压力作用下，加速了混凝土的破坏过程。采用盐冻可以模拟更为苛刻的冰冻劣化条件，且与水冻相比试验周期明显缩短，符合当前环境拟实化、条件恶劣化、周期快捷化的试验趋势。

2.2试验材料选取

近年来对高强混凝土的研究不断增加，与之相应高强混凝土迅速发展。送水工混凝土的强度等级通常为C20、C25，C30以上的较少，对此，应当选取工程主要采用的C20、C25混凝土试样进行试验，测定其参数。

混凝土试样的制作，常规材料的选取在规范中已经明确指出。当前，其强度的主要影响在于外加剂的添加，主要包括硅粉、粉煤灰、聚丙烯纤维、磷渣。经众多学者研究，上述材料能够有效改善混凝土力学性能、增强混凝土耐久性，且上述材料如粉煤灰、磷渣均属于工业废渣，对其的获取经济便利。

2.3外加剂作用方式及机理

2.3.1单掺作用

当将硅粉掺入混凝土中后，可以减少界面水分积聚，改善界面粘结性能，进而增加抗压强度。并且，硅粉与水接触，经过化学反应形成凝胶，对孔隙具有填充作用，并且使水泥石体系变致密，减少可冻结水。适当加入能够提高混凝土力学性能，包括粘结性能、抗压性能、整体刚度。掺量通常不应高于20%，当硅粉掺量过高时，新拌混凝土将变得非常粘稠而增加施工浇捣的难度。此外，硅粉的价格高于水泥，在满足设计对混凝土性能要求前提下，以少掺为宜。

掺用粉煤灰可以改善混凝的性能，提高混凝土质量，减少混凝土水化热，抑制碱骨料反应。目前对于混凝土中粉煤灰最优掺量，还尚未有规范规定。在同一情况下，掺用粉煤灰的混凝土其和易性较好，坍落度较大。但当粉煤灰掺量在20%以上时，混凝土水化热减少，7d、28d 龄期混凝土强度相对未掺用粉煤灰的混凝土强度降低。当前，确定粉煤灰最优掺量的主要依据其与坍落度、强度与温度的关系。

磷渣粉作为水工混凝土掺合料，可降低混凝土的早期温度，能够起到减小水化热温升峰值的作用，有利于大体积混凝土的施工温控提高抗裂性能，同掺量相同的粉煤灰混凝土相比，混凝土最终绝热温升基本相同。

2.3.2复掺作用

由于双掺充分利用了组分性能的超叠加效应，故适当的复掺效果优于单掺。复合化可使粉体间产生化学交互作用效应：不同超细粉间、不同超细粉与水泥间会产生化学交互作用，彼此诱导激发提高了粉体的活性。

适量掺合料的加入能够提高混凝土的强度，但是不同的掺合料以及不同的掺加方式对混凝土的强度影响大小有所不同。水工混凝土的强度服从“水灰比定则”，即“水灰比”是混凝土的决定因素。随着龄期与水胶比的增加，混凝土的抗压强度、劈拉强度、轴拉强度、抗压弹性模量都增大。磷渣粉具有缓凝作用，所以复掺粉煤灰与磷渣混凝土的早期抗压强度变低。但有研究分析发现在混凝土中双掺硅灰与矿渣能够明显提高混凝土的强度，其次是雙掺硅灰与粉煤灰。综合不同掺入方式对混凝土强度增长幅度的大小来看：双掺硅灰与矿渣>双掺硅灰与粉煤灰>单掺硅灰>双掺矿渣与粉煤灰>单掺矿渣>单掺粉煤灰。其中，有研究指出复掺粉煤灰和硅粉的最优掺量为粉煤灰掺量为20%、硅粉掺量为2%为最优掺量。

2.4结果评价指标

依据 GB-T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》快冻法的规定，进行试样制作。我国是采用300次冻融试验来测定混凝土的抗冻性。其评定指标为质量损失率不超过5%，相对动弹性模量不低于60%。用混凝土耐久性系数Kn来表示混凝土的抗冻性。

质量损失率是快冻法和慢冻法都采用的评价手段，达到一定次数的冻融循环后，试件的重量损失率小于5%为合格。采用相对动弹性模量来评价，能敏感地反映混凝土内部结构的损伤，更为较直接的测试抗拉强度，准确地表征冻融造成的损伤情况，该方法为非破损方法。故建议试验研究时，对试样的强度、质量损失率及相对动弹模量作为评价指标，并侧重于动弹模量分析，对试验结果进行分析总结。

3结语

（1）通过分析寒区水工混凝土的破坏机理，针对其特有工况，确定上述增寿技术研究方向，即通过盐溶液做介质进行快冻，对其进行上述单掺、复掺作用结果测试，为寒区实际水工混凝土增寿提供参考依据。

（2）选择适宜的外加剂掺量。厂家推荐以及上述所取外加剂掺量均是一个参考范围，实际工程中应根据具体条件以及相关研究，通过适应性试验确定最优掺量。

（3）单掺作用效果研究已经有显著成果，根据工况进行复掺种类及配比研究仍较为滞缓，故此后增寿主要方向是对不同外加剂彼此作用的研究以及复掺最优量的确定。

参考文献

[1] 李金玉，曹建国.水工混凝土耐久财的研究和应用[M].北京：中国电力出版社， 2004.

[2] 张士萍，邓敏，唐明述.混凝土冻融循环破坏研究进展[J].材料科学与工程学报，2008，26（06）.

[3] 李中田，雷秀玲.快速检测混凝土抗冻性能试验方法研究[J].architecture & art，2012：132-133.

[4] 李中田，冯林.CDF 法检测混凝土抗冻性能试验方法研究[J].东北水利水电， 2012（11）：47-48.

[5] 陈重，董加敏.浅谈硅粉对混凝土抗冻性的影响[J].黑龙江交通科技， 2008，6（06）：14-15.

[6] 戴国强，简鸿福，叶霞.水工混凝土配合比参数的分析与确定[J].江西水利科技报，2013（09）.

[7] 林育强，李家正，杨华全.磷渣粉替代粉煤灰在水工混凝土中的应用研究[J].长江科学院院报，2009（12）：93-95.

[8] 肖治微.高寒地区混凝土抗冻性试验研究[D].重庆：重庆交通大学，2010.

[9] 趙丙芳.掺加粉煤灰和硅粉混凝土抗冻性能试验研究[D].长春：长春工程学院，2015（01）：23-30.