高寒地区水电站水工混凝土耐久性研究

范 志 勇 ， 刘 威 ， 梁 慧

(1. 华能西藏雅鲁藏布江水电开发投资有限公司，四川 成都 610041；2. 长江水利委员会长江科学院，湖北 武汉 430010)

1 概 述

“日温差大，冻融循环频繁”是高原地区独特的气候特征，在这种气候条件下，水工混凝土将承受频繁的冻融循环作用，混凝土易遭受冻融破坏，出现大面积剥落，并伴随渗漏、碳化等其他病害，将导致建筑物不能发挥应有的作用，最终影响其安全使用和服役寿命[1-2]。混凝土的抗冻性是混凝土耐久性的一项重要指标，也是一项综合性能指标，高抗冻性意味着混凝土的高耐久性。现行标准仅按照平均气温设计水工建筑物，与高原严寒地区相比，我国中部地区海拔相对较低，气候相对温和，地质条件相对较好，基于此制定的现行技术标准难以适用高原高寒地区的工程建设，相关标准缺少相应的技术要求[3-4]。同时，受区域经济发展的制约，高寒地区水电站混凝土所采用的原材料具有“来源广、品种多、成分复杂”等特点。因此，如何取长补短、充分发挥各种材料的优势，以满足工程混凝土指导的服役要求是一项亟待开展的重要研究工作。

笔者针对高原、高寒、低压的气候特征及原材料、施工工艺等对水工混凝土的耐久性和服役寿命的影响，综合开展原材料及混凝土耐久性试验研究，提出安全措施及技术控制指标，可有效优化高寒地区水电站水工混凝土的施工。

2 试验原料与方法

2.1 试验原料

参照二级配常态混凝土配合比，采用华新中热水泥、石嘴山II级粉煤灰与石粉，以及长安育才GK-4A减水剂和GK-9A引气剂，进行外加剂与水泥、外加剂与掺和料的适应性试验。为排除其他因素的影响，试验特选用性能稳定的灰岩人工骨料。

2.2 试验方法

老化试验条件设置参考《SL 352-2006 水工混凝土试验规程》，每组三个样本。

3 冻融破坏作用

冻融破坏是我国高海拔地区水工混凝土建筑物在运行过程中产生的主要病害之一，对于水闸、渡槽等水工混凝土建筑物，冻融破坏的地区范围更为广泛。冻融破坏即混凝土在饱水状态下的因冻融和温度交变作用产生的破坏，是导致大坝混凝土产生病害的主要原因之一[5-7]。通常将抗冻性作为评价混凝土耐久性的一个重要参数。

对混凝土材料开展冻融循环实验，冻融破坏对混凝土宏观性能的影响见表1。试验结果表明，随着冻融循环次数的增加，混凝土的宏观性能逐步劣化。冻融100次后，混凝土表面发生了较明显的剥蚀；冻融150次后，抗压、劈拉和抗折强度下降显著，仅为冻融前的58.4%、61.3%和57.8%。相对动弹性模量降低的速率比混凝土强度慢，但比超声波波速下降的速率快。因此，强度值是反映混凝土冻融破坏最敏感的指标，其次是失重率、相对动弹性模量和超声波波速，以上指标对混凝土抗冻性的安全评估有重要的意义。

将冻融前后的水泥净浆试件进行压汞测试，得到不同压力作用下压入试件的水银体积，求出比孔容及累计比孔容随孔径的分布，绘制试件冻融前后微孔分布曲线见图1。

表1 冻融循环对混凝土宏观性能的影响结果

图1 水泥浆冻融前后微孔分布曲线

结果表明，随着外压力的增加，汞可填充的孔隙越小，累计比孔容越大，即孔越小，所需压汞压力也越大。冻融150次之后，水泥石的孔隙率均有所提高，特别是孔径在25 nm以上的孔隙。累计比孔容由0.085 19 ml/g增加至0.099 2 ml/g，提高了16.4%；孔径25～50 nm和100～150 nm的比孔容分别由0.011 08 ml/g增加至0.016 47 ml/g、0.006 69 ml/g增加至0.009 32 ml/g，分别提高了48.6%和39.3%。冻融前的水泥浆结构比较致密，冻融后结构变得疏松，微孔含量逐步增加，少害孔、有害孔和多害孔均增多，微孔直径逐步扩大。这是由于冻融过程中的净水压力所致，不仅微孔的体积、孔径逐渐增大，反复的冻融还会导致微裂纹的产生。

混凝土试件冻融前后SEM微观形貌对比(图2)。试验结果表明：

(1)混凝土在冻融过程中，水化产物的结构状态发生了明显变化，即由冻融前的堆积状密实体逐步变得疏松状态，水泥石和骨料脱离，水化产物结构中出现微裂缝。

(2)经过150次冻融循环，混凝土中原来完整封闭的气泡，气泡壁逐步出现了开裂现象。微裂缝不仅存在于水化产物结构中，也会使引气混凝土中的气泡开裂破坏，这可能是导致混凝土冻融破坏的主要原因之一。

图2 混凝土冻融前后SEM微观结构图

4 干湿循环-冻融协同作用

混凝土的破坏通常是各种物理和化学作用以及其他影响因素之间的交互作用在一起的结果。混凝土的干湿循环破坏是混凝土经历反复的干缩和湿胀作用而造成的性能的劣化。试验研究干湿循环与冻融环境协同作用下，混凝土性能演化演变规律。

选择0.45水胶比、20%粉煤灰掺量，常态混凝土含气量控制在4.0%～5.0%，测试干湿交替-冻融循环对混凝土性能的影响(表2)。试验结果表明，冻融循环和干湿交替的叠加作用会加速混凝土的破坏，混凝土强度比单因素作用时显著下降。从超声波波速和相对动弹模来看，叠加作用会使混凝土中微裂缝扩展和连通，超声波波速开始显著降低。显然，冻融循环和干湿循环的循环叠加作用对混凝土性能的影响不是二种因素之间的简单叠加，而是会产生放大效应。

表2 干湿交替-冻融循环对混凝土性能的影响

5 碳化-冻融协同作用

选择0.35～0.55水胶比、0～40%粉煤灰掺量，常态混凝土含气量控制在4.0%～5.0%，测试碳化-冻融循环协同作用对混凝土性能的影响，结果见表3、4。试验结果表明，碳化-冻融共同作用下，混凝土宏观上表现为开裂、表面剥落、粗细骨料分离、钢筋被腐蚀及力学性能下降等。

无论是先碳化后冻融还是先冻融后碳化，其碳化深度总体来说都随着水胶比的增加而增大。随着水胶比的增大，混凝土密实性降低、渗透性增强，CO2更容易渗透到混凝土内部，致使碳化深度加大。当水胶比一定时，由于粉煤灰取代水泥使水化生成的氢氧化钙总量减少以及粉煤灰的二次水化消耗部分氢氧化钙，引起混凝土内部有效碱量(即氢氧化钙浓度)降低，导致混凝土的抗碳化能力下降。因此，混凝土碳化深度随粉煤灰掺量的增加而增大。

比较混凝土碳化深度，先冻融后碳化的远大于先碳化后冻融的。产生这种现象的原因有：一是混凝土养护28 d后，再经过碳化，产生的碳酸钙使结构更加密实。经过100次冻融，外部水分在膨胀压和渗透压作用下，渗透到一些孔隙中，使试件中心没有发生碳化反应的氢氧化钙分子随着水的流动逐渐向试件的四周渗透，导致先碳化的试件碳化深度较小。二是先冻融的试件，混凝土内部产生微裂缝，甚至造成表面开裂或剥落，加快了CO2的侵入速度，使扩散向更深处发展。

由碳化机理可知，碳化过程产生的碳酸钙和其他固态物质堵塞在混凝土孔隙中，使试件内部的孔隙率下降，大孔减少，从而减弱了后续CO2的扩散，提高了混凝土的密实度和强度，一定程度上改善了抗冻性能。但混凝土碳化过程是氢氧化钙晶体的分解和碳酸钙的沉淀过程，该过程会导致试件逐渐收缩产生微裂隙，形成恶性循环，使混凝土强度逐步降低。所以，在合理的碳化时间范围内，碳化时间越长，抗冻能力会增强，但最终会降低混凝土的长期抗冻性。

表3 混凝土试件的碳化深度

表4 混凝土试件相对动弹性模量

6 化学侵蚀-冻融协同作用

选择0.45水胶比、20%粉煤灰掺量，混凝土含气量控制在4.0%～5.0%，成型尺寸为100 mm×100 mm×400 mm的试件，1 d后脱模并保养28 d，然后进行化学侵蚀-冻融协同作用试验。将经受NaCl溶液、Na2SO4溶液浸泡，然后将冻融循环100次的混凝土试件取出进行抗压强度试验(表5)。

表5 经受冻融循环作用下混凝土试件强度试验结果(90 d)

经过冻融循环后混凝土试件的强度均出现不同程度降低。经过水溶液和Na2SO4溶液浸泡，200次冻融循环，混凝土试件的强度降低幅度分别达27.5%和45.6%，均高于ASTM规定的25%，可视为已经破坏；经过NaCl溶液浸泡，200次冻融循环作用，混凝土试件的强度出现小幅增长，其实，混凝土内部已经遭冰棱破坏；经NaCl和Na2SO4混合溶液冻融破坏的混凝土试件，经过100次冻融循环后，混凝土试件的强度降低率就达到30.6%，已明显劣化。

遭受溶液冻融侵蚀的混凝土试件的质量损失与动弹模损失试验结果分别见表6、7。

表6 经过冻融循环试验混凝土试件的质量损失

表7 经过冻融循环试验混凝土试件的相对动弹模

试验结果表明，经受NaCl冷冻液冻融循环的混凝土试件质量损失最大(4.355%)，在混凝土试件表面清晰可见裸露的骨料颗粒和凹凸不平的表面。其次是水溶液(0.584%)，NaCl和Na2SO4混合溶液作为冷冻液时混凝土试件质量先略有增加然后降低，100次冻融循环后质量损失为0.324%，经受Na2SO4溶液冻融循环后混凝土试件的质量均略有增加，但随着冻融循环次数增加，质量增长幅度有减小趋势，混凝土试件表面整体性较好。

比较混凝土的相对动弹模可知，经受NaCl溶液冻融循环的混凝土相对动弹模降幅最大，其次是水溶液和Na2SO4溶液，经受NaCl和Na2SO4混合溶液冻融的混凝土试件的相对动弹模降幅最小。尽管如此，各种混凝土试件的质量损失均小于5%，相对动弹模均低于60%。

结合抗压强度试验结果，尽管混凝土试件经受多次冻融循环后，外观、质量以及相对动弹模变化不大，但强度劣化十分严重，建议采用性能损耗率或降低率等指标来表征混凝土的冻融耐久性。美国ASTM标准规定，当试件质量损失超过5%，长度膨胀大于0.4，强度损失大于25%时，表明已经发生了侵蚀破坏。据此可以认定，经水溶液冻融循环破坏的混凝土试件抗冻等级达到F200，经NaCl溶液、Na2SO4溶液、NaCl和Na2SO4混合溶液冻融循环破坏的混凝土试件抗冻等级达到F100。

7 结 语

高寒地区水电站混凝土抗冻性试验研究基础上，笔者结合当地水工混凝土可能经受的干湿循环、碳化、化学侵蚀等耐久性问题，开展多因素作用下高寒地区水电站混凝土耐久性的研究。

(1)冻融循环和干湿循环的循环叠加作用对混凝土性能的影响不是二种因素之间的简单叠加，而是会产生放大效应。

(2)无论是先碳化后冻融还是先冻融后碳化，其碳化深度总体来说都随着水胶比的增加而增大。混凝土碳化深度随粉煤灰掺量的增加而增大。先冻融后碳化的混凝土碳化深度远大于先碳化后冻融的。碳化可以在一定程度上改善混凝土试件的抗冻性，在合理的碳化时间范围内，碳化时间越长，抗冻能力会增强，但最终会降低混凝土的长期抗冻性。

(3)尽管混凝土试件经受多次冻融循环后，外观、质量以及相对动弹模变化不大，但强度劣化十分严重，建议采用性能损耗率或降低率等指标来表征混凝土的冻融耐久性。经水溶液冻融循环破坏的混凝土试件抗冻等级达到F200，经NaCl溶液、Na2SO4溶液、NaCl和Na2SO4混合溶液冻融循环破坏的混凝土试件抗冻等级达到F100。