旱区寒区水工混凝土材料耐久性及其损伤断裂性能研究进展

胡少伟，韦 华，范 冰

(1.南京水利科学研究院， 江苏 南京 210024;2.水利部水工新材料工程技术研究中心， 江苏 南京 210029)

随着混凝土材料在各类水利工程中的大量投入使用，其服役安全性及耐久性已成为工程界普遍关心的热点问题。旱区寒区水利混凝土结构，在严酷的、容易引发混凝土耐久性问题的环境之中服役，如氯离子侵蚀、硫酸盐腐蚀等；另外，由于混凝土材料本身的特性，结构内部不可避免的存在裂缝或者孔隙，外部环境侵蚀介质可借助裂缝通道实现再对混凝土材料侵蚀，如硫酸盐侵蚀、酸雨侵蚀、氯离子锈蚀等[1]；同时，混凝土材料还具有明显的干缩湿胀特性，外部的严酷环境作用易导致混凝土材料形成由表及里的损伤，在结构内部产生裂纹或者裂缝，例如高低温环境，冻融等，这些复杂的环境腐蚀作用具有普遍性、隐蔽性、渐进性和突发性的特点，会导致结构的安全性、适用性、耐久性降低，最终引起结构失效。随着工程结构安全问题的日益突出，这些耐久性的问题已成为混凝土的研究热点问题，受到了越来越多的关注。我国2008年编著了《混凝土结构耐久性设计规范》[2](GB/T 50476—2008)、日本土木学会混凝土规范《混凝土标准示方书》[3]以及欧洲的混凝土结构设计规范[4](CEB-FIP: Model Code 2010)均将混凝土材料耐久性考虑到结构设计之中。

本文以旱区寒区环境作用下混凝土材料与断裂性能为主线，对该领域国内外研究进展和作者近年来的研究成果进行回顾与分析，提出了该领域目前存在的不足及尚需深入研究的问题，明确未来研究方向，为我国旱区寒区水工建设的发展提供参考。

1 旱区寒区水工混凝土腐蚀与断裂特性

旱区寒区水工建筑物多使用混凝土为主要建筑材料，因我国旱区寒区气候与地理环境的特殊性，使得混凝土在不同服役阶段主要的破坏因素与破坏特征差异较大，现从不同的服役阶段分析旱区寒区水工混凝土主要破坏形式及破坏原因,并对酸腐蚀条件下混凝土的断裂特性进行了分析。

1.1 开裂破坏

旱区寒区气候干旱少雨，年平均气温较低，日温差较大。如我国新疆、甘肃部分地区年平均降水量仅为150 mm左右，年平均气温在10℃以下，1月平均气温可达-20℃以下，日温差可达10℃～30℃[5]。此外，旱区寒区的紫外线照射强烈，风速较大，混凝土中水分蒸发较快，这些气候因素极大地加剧了混凝土的温度收缩、干燥收缩、碳化收缩，导致混凝土表面易开裂[6]，进而促发深层次开裂。除了气候因素外，旱区寒区水工混凝土往往使用水化热较高的水泥、且用量较大，混凝土因水化放热产生的温度裂缝也十分明显。因此，旱区寒区水工混凝土早期的主要破坏形式为混凝土开裂破坏。

1.2 开裂破坏机理

旱区寒区水工混凝土往往因气候的急剧变化引起各种各样的收缩变形，当这些收缩变形受到约束后，会产生较大的拉应力引起混凝土开裂，旱区寒区环境下的收缩变形种类主要有干燥收缩、温度变形、碳化收缩。

旱区寒区气候干旱少雨，混凝土毛细孔水分极易蒸发，使得毛细孔中形成负压，随着空气湿度的降低负压逐渐增大，产生收缩力，引起混凝土表面干缩[7]。由于旱区寒区的昼夜温差较大，混凝土极易受到温度变化的影响产生热胀冷缩的现象。此外，混凝土的导热能力很低，水工大体积混凝土在水化放热阶段内部温度较高，外部温度较低，其表面极易受到内部热膨胀作用处于受拉状态，引起混凝土表面开裂[8]。此外，在冬季施工时，旱区寒区环境下早龄期混凝土往往需要火炉进行加热保温，产生的CO2会与硬化水泥浆体中的水化产物发生反应，产生碳酸钙、硅胶、铝胶和游离水等，引起碳化收缩，导致混凝土表面开裂[9]。

为了提高水工材料的抗裂性能，现阶段可从严格控制原材料的质量、科学设计混凝土的配合比、加强施工质量控制及管理、合理的结构设计四个方面进行改善。同时也可选择合适的修补材料，对已开裂的水工材料进行修补，延长水工建筑物的使用寿命。

1.3 盐碱环境腐蚀破坏

旱区寒区的土壤环境为典型的盐碱环境，其环境中含有大量的氯盐、硫酸盐、镁盐等腐蚀性介质，在水工混凝土开裂后，腐蚀介质极易通过混凝土裂缝进入混凝土内部，对混凝土造成腐蚀，简要分析这几种腐蚀介质对水工混凝土的腐蚀机理。

1.3.1 氯盐侵蚀

对于旱区寒区环境下的混凝土，氯盐侵蚀主要在于氯离子引起的钢筋锈蚀。混凝土内部的碱性环境使得钢筋表面形成一层致密的钝化膜，可以有效保护钢筋免受腐蚀。当氯离子侵入到钢筋表面，会降低钢筋表面的pH，破坏钢筋表面钝化膜，使钢筋暴露于腐蚀环境中，引起钢筋锈蚀，相关反应如式(1)所示。

Fe2++ 2H2O + 2Cl-→ Fe(OH)2+ 2HCl

(1)

此外，旱区寒区环境下温、湿度变化较大，氯盐侵蚀后会产生严重结晶破坏，引起混凝土开裂。氯盐也会与混凝土内CH的反应，生成CaCl2·Ca(OH)2·H2O复盐，在混凝土表层膨胀，引起表面剥离，相关反应如式(2)、式(3)所示[10]：

2Cl-+ Ca(OH)2→ CaCl2+ 2NaOH

(2)

Ca(OH)2+ CaCl2+nH2O → CaCl2·Ca(OH)2·nH2O

(3)

在我国西北地区，冬季低温环境下氯盐还会与冻融破坏叠加引起更加严重的盐冻破坏。混凝土受盐冻破坏后，其表面剥蚀开裂，氯离子将沿裂缝渗透到混凝土内部，加速钢筋锈蚀，引起混凝土锈胀开裂。

1.3.2 硫酸盐腐蚀

旱区寒区环境中含有大量的硫酸盐，我国西部地区土壤中SO42-浓度常常在10 000 mg/L以上，有的甚至高达20 000 mg/L。此环境中的SO42-会对混凝土造成严重的腐蚀。硫酸盐对混凝土的腐蚀机理主要在于SO42-会与水泥水化产物反应生成石膏和钙矾石，引起混凝土膨胀开裂，相关反应如式(4)、式(5)[11]所示。

Ca(OH)2+ SO42-+ 2H2O → CaSO4·2H2O + 2OH-

(4)

CaO·Al2O3·13H2O + 3(CaSO4·2H2O) + 2H2O→

3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O + Ca(OH)2

(5)

此外，在旱区寒区环境下，侵入到混凝土内部的硫酸盐容易在干湿循环的影响下发生结晶膨胀，也会引起混凝土开裂。混凝土开裂后，硫酸盐及其他侵蚀物质将迅速进入到混凝土内部，加剧混凝土的破坏。

1.3.3 镁盐腐蚀

除了氯盐、硫酸盐外，旱区寒区环境中还存在大量的镁盐。镁盐对混凝土的腐蚀机理主要在于Mg2+与水化产物Ca(OH)2反应生成Mg(OH)2沉淀，消耗了Ca(OH)2，破坏C-S-H水化产物的水稳定性，促使了胶凝材料的解体。不仅如此，镁盐腐蚀还会与硫酸盐腐蚀相互叠加，构成严重的复合腐蚀，生成的腐蚀产物主要有水镁石、钙矾石、石膏及水化硅酸镁等，主要反应如式(6)、式(7)[12]所示。

MgSO4+ Ca(OH)2+ 2H2O → Mg(OH)2+ CaSO4·2H2O

(6)

MgSO4+ CaO·SiO2·H2O → MgO·SiO2·H2O + CaSO4

(7)

上述反应生成的Mg(OH)2、MgO·SiO2·H2O均无黏聚力，在流动水作用下易于溶出，增大了混凝土孔隙率。镁盐与硫酸盐的复合腐蚀将使混凝土内部产物变得酥松，表面浆体脱落严重，整体力学性能大幅下降。

1.4 酸腐蚀对混凝土断裂性能影响

旱区寒区水工混凝土在长期运行过程中受到腐蚀介质侵蚀，对于旱区寒区的水工结构，可能会引起拱坝坝肩、岩质边坡变形失稳乃至破坏；坝基基岩在酸性溶液的长期作用下，其中某些化学成分的腐蚀迁移，会使坝基有泥化的危险；城市的工业废水和生活污水的随意排放所造成的地下水或者土壤环境的酸性化污染，极易导致作为重要工程的混凝土材料的物理化学力学性质发生退化，甚至导致结构整体的破坏[13]。

目前，有关酸腐蚀作用下混凝土损伤机理和损伤评价的研究已相继开展。Reis[14]采用三点弯曲梁的形式，研究了环氧聚合物混凝土试件浸泡于pH值变化范围从1.2～12.8的7种不同溶液中，得到的结果表明：受到酸性腐蚀作用的混凝土断裂参数以及弹性模量衰减明显。Wang同样采用三点弯曲梁的形式，研究硝酸浸泡后钙元素流出对混凝土断裂性能的影响，得到混凝土断裂性能随着硝酸腐蚀时间的退化规律。实验结果表明，失稳韧度和起裂韧度在酸性条件侵蚀60 d左右呈现出逐步降低的变化趋势。另外起裂韧度变化没有失稳韧度变化的敏感[15]。

其他一些学者主要是侧重于酸性腐蚀环境对混凝土材料抗压强度，弹性模量等性能衰减的研究。Okochi等[16]分别在实验室以及室外条件下研究酸沉积引起的混凝土结构性能退化。Xie等[17]讨论了酸雨对混凝土、砂浆和灰砖的侵蚀机理，表明了腐蚀行为是氢离子和硫酸根离子共同侵蚀作用的结果。周定等[18]采用了酸浸泡混凝土试样的方式进行酸雨腐蚀实验。胡晓波[19]采用以喷淋光照循环方式，研究了pH值、离子浓度、喷淋雨量、温度与温差、干湿交替等参数对混凝土材料的侵蚀的影响，提出了耐酸雨侵蚀的混凝土寿命评价方法。Zhang等[20]通过在实验室配制了硫酸硝酸混合溶液来模拟酸雨环境，采用加速腐蚀的方式开展酸雨对混凝土力学性能劣化规律的研究，包括轴心抗压强度[21]、弹性模量[22]、抗拉强度等[23]，并建立了酸雨环境中混凝土力学性能的退化分析模型。综上所述，酸腐蚀对混凝土断裂性能影响的研究还是相对较少。

为深入研究酸腐蚀作用对混凝土断裂性能的影响，Hu等[24]设计制作了6组24根标准混凝土三点弯曲梁试件，将试件放置于pH=1的硫酸溶液中分别浸泡3、6、9、12、15个月，以完全浸泡的方式，完成酸介质对混凝土材料的劣化腐蚀。为保证试验过程中，酸溶液对试件的持续腐蚀作用的均匀性，采用耐腐蚀的自吸泵实现测试环境箱内溶液的循环，如图1(b)所示；同时，在试验过程中，以pH计来监控溶液的酸度，通过增加高浓度的硫酸溶液实现测试箱内溶液pH值的稳定，具体的试件制备过程如图1(a)所示。

图1酸腐蚀作用下混凝土三点弯曲梁的试件制备

实验结果表明当混凝土结构浸泡于硫酸溶液时，主导作用为化学反应，腐蚀的时间为3个月时，起裂荷载仅降低了2.75%，随着腐蚀时间的进一步增加，酸碱中和反应的化学产物不断溶解在腐蚀溶液中，从腐蚀6个月开始，试件表面的砂浆开始逐渐脱落，起裂荷载出现明显下降，见图2。与起裂荷载不用，失稳荷载随着腐蚀时间的增加呈现出近似线性折减的变化曲线。起裂、失稳韧度随酸劣化时间呈现与荷载相似的衰减趋势，如图3所示。

图2 荷载与酸劣化时间的关系

图3韧度与酸劣化时间的关系

2 旱区寒区水工混凝土冻融与断裂特性

旱区寒区水工混凝土在服役过程中往往处于正负温交替的暴露环境，其表面经常与水接触，易受到冻融破坏的影响，产生严重的剥蚀破坏。旱区寒区的土壤环境中还含有大量的氯盐、硫酸盐、镁盐等腐蚀性介质，混凝土在服役过程中将遭受到上述腐蚀介质的腐蚀，进而引起力学性能、耐久性能退化，降低水工建筑物的使用寿命。因此旱区寒区水工混凝土服役过程的破坏形式主要是多因素耦合条件下的冻融破坏。本节阐述了冻融循环及杂散电流对混凝土的破坏机理，并对低温、冻融循环条件下混凝土的断裂特性进行了分析。

2.1 冻融破坏机理

旱区寒区环境下的气温较低，水工混凝土受到冻融破坏的影响，产生冻胀开裂。混凝土冻融破坏的机理众多，主要有静水压理论[25]、渗透压理论[26]、临界饱水程度理论[27]等。以静水压理论为例，当气温低于零度时，混凝土孔隙内的自由水结冰，体积膨胀约9%，它将迫使未冻水向外迁移产生静水压力，其过程如图4所示。当该压力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土将开裂破坏。

图4静水压理论

此外，由于旱区寒区环境中的盐分较大，盐分的侵入将增加混凝土饱水程度和饱水时间，将产生更加严重的盐冻破坏，剥蚀混凝土表面[28]。

为了提高旱区寒区混凝土的抗冻性能，现阶段主要通过添加引气剂的措施改善混凝土的抗冻性。在混凝土中添加引气剂，可以引入大量均匀分布、稳定而封闭的微小气泡，这些气泡可以消减冻融循环过程中的各种变形和应力，提高混凝土的抗冻性能[29]。除了添加引气剂外，还可以通过选用抗冻性能强的水泥、配置防冻融钢筋、添加减水剂等方式加强混凝土的抗冻性能。

2.2 杂散电流对寒冷地区混凝土的破坏

在我国旱区寒区修建了大量的水电站工程，上述工程在服役过程中均产生电流，由此产生的杂散电流会与冻融相结合，对混凝土产生严重的破坏作用。杂散电流与冻融耦合对混凝土的影响机理主要在于以下三个方面。

2.2.1 加速钢筋锈蚀

杂散电流对混凝土中钢筋的腐蚀本质上为电化学腐蚀，具有阳极反应过程和阴极反应过程[14]。在阳极，铁原子被氧化形成离子进人电解质，同时释放电子，一般反应如下：

2Fe → 2Fe2++ 4e-

(8)

在阴极，因周围环境的差异可分为两种情况。一种为氧气充足时，阴极区发生如下反应：

O2+ 2H2O + 4e-→ 4OH-

(9)

另一种为缺氧或酸性环境时，阴极区发生如下反应，有氢气产生：

4H2O + 4e-→ 2OH-+ H2↑

(10)

相比于自然腐蚀，杂散电流作用下钢筋的腐蚀质量更大，钢筋锈蚀的速度更快。此外，杂散电流对钢筋的腐蚀往往集中于某些局部位置，如保护层的缺陷部位，这些部位的钢筋将很快锈断。

2.2.2 引起水泥水化产物分解

杂散电流作用下，混凝土孔溶液中的离子会随电场作用向外迁移，引起水泥水化产物Ca(OH)2、C-S-H凝胶发生分解，如式(11)、式(12)所示，导致混凝土孔隙率增大，力学性能降低，耐久性能退化[30]。

Ca(OH)2→ Ca2++ 2OH-

(11)

3CaO·2SiO2·3H2O → 3Ca2++ 6OH-+ 2SiO2

(12)

Ca(OH)2与C-S-H凝胶中的Ca2+会随电场作用向混凝土外部的阴极迁移，而OH-则会向阳极方向移动，电场作用下不同离子向外迁移的过程如图5所示。

2.2.3 加速氯离子对混凝土侵蚀

杂散电流作用时，侵入混凝土中的氯离子会在电场力作用下加速向混凝土内部迁移，促使钢筋表面氯离子浓度提前达到钢筋锈蚀的临界氯离子浓度，增大钢筋的锈蚀速率[31]。杂散电流作用在混凝土内部形成的电场如图6所示，混凝土外侧的土壤或者埋地的金属管线可以看成是平板电极。

图5 电场作用下离子迁移

图6杂散电流作用形成的电场

在寒冷地区，氯离子的快速迁移同时也会增大盐冻对混凝土的破坏作用，引起混凝土表面剥蚀开裂。南京水科院陈迅捷等[32]研究了盐冻环境中杂散电流对钢筋混凝土腐蚀的影响，研究结果表明，在杂散电流-盐冻环境下，混凝土的主要破坏形式为混凝土疏松破坏，杂散电流的存在加剧了混凝土在盐溶液中的冻融破坏。

2.3 寒冷地区环境下混凝土断裂性能研究

旱区寒区的水工建筑物长期受冻融循环破坏，其力学性能必然会受到影响。而混凝土是一种多相组成的准脆性材料，在其结构的表面或者内部，空隙、微裂纹等缺陷的存在是不可避免的，而且在结构工作过程中这些缺陷可能还会继续扩展，发展成为深度裂缝甚至是贯穿裂缝，最终对结构耐久性带来损失，导致整个结构提前失稳破坏。因此，研究低温、冻融环境下混凝土断裂性能对于确保寒区水工建筑物安全运行具有着重要意义。

2.3.1 低温环境下混凝土断裂性能研究

早在20世纪七八十年代，国外学者针对低温环境下混凝土力学性能进行了大量的研究。研究显示混凝土抗压强度随含水率增加和温度降低而升高，但增加量几乎与其室温时强度无关。例如，Yamane等[33]将混凝土试件按不同的含水率分为：潮湿组和干燥组。研究结果表明潮湿组试件的抗压强度在降温的初期迅速增加，而对于干燥组试件，在20℃～-30℃范围内，抗压强度保持不变，而随着温度的进一步降低，抗压强度明显增加。近年来，我国学者也开展了低温下混凝土力学性能试验研究，时旭东等[34]对干燥型混凝土进行低温受压强度试验研究，研究表明混凝土的低温受压强度经历损伤阶段、快速增长阶段和平稳波动阶段，相应的温度区间分别为20℃～-20℃、-20℃～-100℃和-100℃～-196℃。王传星等[35]提出了低温下混凝土的立方体抗压强度随着温度的降低而提高，且随温度变化曲线基本呈线性关系，低温条件下不同尺寸混凝土试件立方体抗压强度之间仍然存在尺寸效应，但尺寸效应随着温度的不断降低而逐渐减弱。

相比力学性能实验，低温环境下混凝土断裂性能的研究目前相对较少。Planas等[36]和Maturana等[37]通过三点弯断裂实验得到了混凝土的断裂能和特征长度随着温度的降低而增加，随后，Ohlsson等[38]也通过三点弯断裂实验对低温下混凝土断裂能进行了研究，并得到了类似的增长趋势。

为了更进一步研究混凝土低温断裂性能，Hu等[39]研发了一套低温环境加载系统，该测试系统包括一个机电伺服万能试验压力机、两个低温环境箱和温度传感器等，如图7所示。基于该设备，制作了32根三点弯曲梁，根据不同的龄期将试件分为两组(28 d和120 d)，研究了混凝土试件在20℃、0℃、-20℃和-40℃温度下的断裂性能[39]。实验结果表明，低温对混凝土的断裂性能影响很大，不同龄期的试件呈现出不同的实验结果。图8描述了起裂、失稳断裂韧度随温度的变化趋势，对于28 d龄期混凝土，随着温度的降低起裂、失稳韧度都呈单调增长的趋势，试件强度明显增强；而对于120 d龄期混凝土，随着温度的降低起裂韧度呈现先减小后增大的趋势，并在-20℃达到最小值，失稳韧度随温度的降低单调增长。

图7低温断裂测试系统

图8韧度随温度的变化趋势

混凝土断裂全过程是定量研究其破坏过程的有效方法，是预测其裂缝发展的重要手段，而裂缝扩展阻力Kr曲线模型是目前较为流行的，定量解释混凝土破坏过程中应力强度因子变化规律的方法。Hu等[40]基于实测的P-CMOD曲线计算了低温下混凝土的裂缝扩展阻力曲线，如图9所示。结果表明28 d和120 d的Kr曲线均随温度的降低而升高，但曲线的起点不同。对于28 d龄期混凝土，Kr曲线的起始点随着温度的降低而显著增加，而对于120 d龄期混凝土，Kr曲线的起始点随着温度的降低而轻微减小，且0℃和-20℃时的Kr曲线几乎一致。通过该方法可观测每一加载时刻的裂缝扩展阻力变化情况，定量解释在低温环境下混凝土断裂全过程中的变化规律，是评估结构的损伤破坏的有力依据。

数字图像相关方法(DIC)是20世纪80年代由Yamaguchi[41]和美国South Carolina大学的Peters等[42]、Chu等[43]同时独立提出的一种新型光测力学方法。该方法通过对物体表面散斑图像的灰度进行分析，最终获得物体的运动和变形物理描述的测量方法。2011年，Wu等[44]提出了将DIC方法用于混凝土断裂，并对不同跨度三点弯曲梁的断裂过程区长度进行了分析。随后，Dong等[45-47]通过DIC方法对岩石-混凝土交界面及长期荷载条件下混凝土的断裂过程区长度进行了研究，计算结果证明了DIC技术测量混凝土裂缝扩展的有效性。为了研究低温下混凝土的断裂过程区长度变化情况，将低温环境加载系统进行了改进，改进后的设备可利用DIC采集系统通过试验机的观测窗获取试件表面的位移场、应变场，如图10所示。通过DIC方法确定的FPZ扩展路径与试验最终测得试件的破坏路径进行对比，验证了改装后的设备在测量低温混凝土结构的断裂过程中FPZ扩展路径的准确性，这为真实环境下混凝土断裂试验设备提供了一种新的非接触式采集手段，解决了传统采集方法(夹式引伸计、应变片等)在低温环境下无法正常使用的技术难题。

图9 裂缝扩展阻力曲线随温度的变化趋势

图10DIC方法观测低温下裂缝扩展

2.3.2 盐冻融环境下混凝土断裂性能研究

在寒冷地区，冬季积雪经常会诱发交通事故，对道路交通安全带来不可估量的影响。含氯盐成分的融雪剂由于其成本低、易获取的特点，被大量国家广泛用于道路除冰除雪。含氯盐融雪剂的融雪机理为降低积雪的冰点使其融化以便清除，这样一来在达到除雪目的的同时也会带来巨大的负面影响，氯盐溶于水且易与铁等金属发生化学反应，造成桥梁内钢筋锈蚀、混凝土冻融破坏、地下水污染等问题。在混凝土受冻融破坏时，氯盐的存在不仅加剧了混凝土的破坏水平，而且使混凝土的破坏提早发生。因此，研究混凝土在真实环境下盐冻融损伤后的断裂过程，对比分析水冻融与盐冻融环境对混凝土断裂性能影响的异同，为已有的水冻融下混凝土断裂力学性能的研究提供更接近于真实环境的修正，得到混凝土自然环境下的冻融破坏规律，将为后续混凝土抗冻融破坏研究提供有力的依据，对真实环境下混凝土断裂性能研究与服役能力评定具有重要的意义。

为研究真实盐冻融环境对混凝土断裂性能的影响，胡少伟等[48]设5组15根三点弯曲混凝土梁，试件长度为500 mm，试件截面宽度100 mm，截面高度100 mm，初始设计缝高比为0.4，对应的初始裂缝长为40 mm。冻融循环次数分别为0次、5次、10次、15次和20次。此外设计了3根水冻融下三点弯曲混凝土梁，冻融循环次数为10次，用于与盐冻融结果进行对比。冻融一次循环周期为48 h，冷冻时试验箱内温度维持在-30℃，循环10个周期。降温过程在低温试验箱中完成，升温过程在试验室室温环境下进行。

实验结果表明当循环次数为5次时，混凝土试件的起裂荷载和失稳荷载相比于非冻融试件都有一定程度的提高，原因为循环次数较低时，混凝土内孔隙还未发生明显破坏，而盐结晶充实了混凝土内缺陷与孔隙，导致试件断裂性能有所提高。随着循环次数的增大，起裂荷载和失稳荷载出现较大幅度的明显衰减，且起裂荷载与失稳荷载数值逐渐接近，见图11。起裂、失稳韧度均随着盐冻融次数的增加呈现与荷载相似的变化趋势，如图12所示。此外发现，盐冻融对混凝土造成的损伤较水冻融更为显著。

图11 荷载与盐冻融循环次数的关系

图12韧度与盐冻融循环次数的关系

3 提高旱区寒区水工混凝土耐久性措施及方法

旱区寒区环境中水工混凝土比内陆地区更容易破坏，工程人员研究了多种方法来提高混凝土的耐久性，首先应严格控制原材料质量，如原材料应尽量采用早期水化热低的水泥，避免水化热过大引起的温度裂缝。此外，还应尽量选择线膨胀系数较小的粗骨料，并避免使用含泥量大的细砂，降低因骨料引起的收缩变形。

除此之外，在保证混凝土早期强度的前提下，可以通过掺加矿物掺合料来替代水泥，来改善混凝土的孔隙结构，使用的矿物掺合料有粉煤灰、矿粉、硅粉等。如秦子鹏等[49]的研究结果表明，当水胶比在0.35，粉煤灰掺量在50%时，混凝土的力学性能、抗冻融性能和抗渗性能均较突出，能够较好地满足西北寒旱区水利工程建设的要求。同时也可以向混凝土中添加引气剂、减水剂等外加剂来提高混凝土的抗冻性能和抗侵蚀性能。如曹四伟等[50]通过向混凝土中加入引气剂、减水剂和粉煤灰，研制了适用于西北寒冷地区水工高抗冻性混凝土，能满足C30F300高抗冻混凝土的要求。还可以考虑在混凝土中掺用纤维材料，抑制混凝土裂缝的发展，可采用的纤维有聚合物纤维、钢纤维、碳纤维、玻璃纤维等。如赵庆等[51]以柳树沟面板坝为研究背景，向面板混凝土中掺入罗赛植物纤维和钢纤维的方法提高抗裂性能，研究结果表明，在旱区寒区环境下钢纤维以及罗赛植物纤维可以明显提高凝土初裂强度和断裂韧性。

施工过程中，应采用先进的施工方法控制混凝土的塑性开裂。养护过程中，应避免风吹及太阳直射，做好保湿、保温措施。当环境温度过低时也可采用蒸汽、火炉等加热措施进行养护。如周立霞[52]从掺合料、集料、养护技术的三个方面优化了西北戈壁地区高性能混凝土耐久性，研究结果表明，选用粉煤灰、矿粉、硅粉复掺、控制集料破碎面、采用保湿保温膜包裹养护等措施可以有效提高混凝土强度、抗渗性和抗裂性能。

4 旱区寒区水工混凝土修补材料与修补方法

旱区寒区水工混凝土容易开裂和遭受冻融破坏，目前针对旱区寒区水工混凝土破坏的修补方法主要有压力灌浆法和表面覆盖法，其修补材料分为注浆材料和涂层材料。由于旱区寒区环境的气温较低，采用的修补材料应具有良好的抗冻性能，且在低温环境下使用性能良好。此外，旱区寒区环境中含有大量的腐蚀介质，修补材料应具有高抗化学侵蚀性能、高耐久性能、高耐磨性能，并能够有效改善混凝土表面强度和孔隙结构。

常用的注浆材料有普通环氧树脂、水性环氧树脂、柔性环氧树脂、聚氨醋、聚浮超细复合水泥等。叶姣凤[53]将丁腈橡胶、沥青、糠醛/丙酮和聚氨酯改性的NH2-nano-SiO2粒子加入到环氧树脂中，研制出高性能的环氧树脂修补材料，可以有效应对高寒高原地区由于风蚀和冻融等因素引起混凝土开裂问题。王子龙[54]开发了用于混凝土防护的湿固化型单组份聚氨酯防护涂层和用于混凝土裂缝修补用的聚氨酯改性环氧树脂材料，上述材料可以有效提高旱区寒区环境下混凝土的耐久性能。

常用的涂层材料有环氧树脂砂浆、丙乳砂浆、聚脲喷涂弹性体材料、水泥基渗透结晶型防水材料、EVA树脂乳液涂料等。修补过程中还应根据水工建筑物的实际破坏情况及程度，选择合适的修补材料和方法。张浩[55]采用SPC聚合物砂浆对西藏地区“八一”水电站的溢流坝混凝土进行了修补，修补结果表明SPC聚合物砂浆具有良好的黏结性能、防渗性能和耐久性能。樊锐[56]以汉江上游的石泉大坝为修补对象，使用丙乳砂浆和聚脲喷涂相结合的技术对坝面混凝土进行了修复，经检测丙乳砂浆抗压强度达到M30以上等级、聚脲与基层粘结强度达到4.25 MPa，取得了良好的修复效果。杜喜龙等[57]采用最新的纳米表面处理剂对西北高原某水电站水工混凝土进行了维护，试验研究结果表明，纳米表面处理剂对混凝土表面拉拔强度和回弹强度以及混凝土裂缝修补均有显著改善效果。

5 小 结

现阶段旱区寒区水工混凝土的发展趋势主要有以下几个方面：

(1) 从水工材料自身出发，通过原材料优选、配合比优化、严格的工程质理管理等措施提高水工混凝土的早期抗裂性。

(2) 合理选择与添加外加剂、配合比优化、采用先进施工技术提升混凝土抗冻融性能和抗盐碱腐蚀性能。

(3) 研发新型修补材料，针对旱区寒区水工混凝土破坏特性，对破坏的水工建筑物进行维护和修补。

(4) 通过开展旱区寒区环境下混凝土断裂实验，探究断裂参数在不同环境因素作用下的变化规律，提出切实可行的结构安全评估方法。

(5) 目前的试验研究只停留在单一环境荷载因素的影响，因此有必要研发一套满足各种真实环境的一体化实验设备，以期揭示水工混凝土材料在多因素复合作用下的劣化规律。