北方地区冬季冰凌期水工建筑物损伤试验研究

王伟伟

(新疆伊犁河流域开发建设管理局，新疆 伊宁 835000)

北方地区冬季气温较低且持续时间较长，水闸、桥墩、渠道等时常会面临冰凌磨损的问题，持续的冰凌磨损不仅会造成混凝土保护层脱落，使水工建筑物中钢筋暴露在大气环境中，加剧钢筋锈蚀，影响建筑的安全性与稳定性，而且还会导致将导致水工建筑物产生疲劳裂纹，从而产生渗漏问题，对渠道等输水效率造成重要影响[1- 5]。众多研究表明：大部分水工混凝土在抗冰期等悬移介质随水流运动磨损方面的能力时有限的，往往很难起到足够有效的保护作用，这大大降低了水工建筑物的服役年限，增加了维护改造成本，因此有必要对水工建筑物混凝土的冰凌磨损性能展开研究[6- 8]。

本文开展了不同强度等级、不同接触压力和不同环境温度下的水工建筑物混凝土冰凌磨损特性试验研究，期望能获得水工混凝土在复杂环境下的磨损变化规律，为北方地区水工建筑物的防冰冻设计提供借鉴。

1 试验概况

1.1 试验原材料

主要原材料包括水泥、粗细骨料、份粉煤灰、减水剂、自来水等。其中，水泥为P.O42.5普通硅酸盐水泥，初凝和终凝时间分别为130和250min，细度为1.9%，标准稠度用水量160g；粗骨料为河道中天然石料，粒径5～20mm，堆积密度900kg/m3，表观密度为1680kg/m3，吸水率为17.5%，平均烧失量为3.32%，筒压强度为2.76MPa；细骨料为连续级配天然河沙，细度模数2.6(中砂)，平均含泥量为1.97%，含水率为2.3%，堆积密度1600kg/m3，表观密度2560kg/m3；粉煤灰：Ⅰ级，需水量92%，烧失量2%，细度(0.045mm方孔筛余)量7%；减水剂为β-萘酸钠甲醛高缩聚物高效减水剂，减水率为20%，对混凝土中钢筋无锈蚀作用。

1.2 配合比设计

根据《水工混凝土结构设计规范》以及《普通混凝土配合比设计规程》可知，桥墩、渠道衬砌等水流冲刷部位混凝土的强度设计等级一般为C20～C40。因此，本文根据一般水工建筑物混凝土强度设计要求，设计了C20、C30、C40 3种强度等级混凝土，水胶比均小于0.5的设计要求，减水剂掺量为0.7%。具体配合比设计方案见表1。

1.3 试验步骤及方法

第一步，按照各强度等级试验配合比拌制混凝土，然后倒入100mm×100mm×400mm的试模中进行标准养护28d，养护结束后，利用切割机将混凝土切割成30mm×45mm×180mm的长方体，使其满足冰-混凝土磨损试验的尺寸要求；第二步，在混凝土暴露表面标记5个特征点，记录初始厚度h0；第三步，将混凝土试块固定在抗冰磨损试验装置底板上，然后将自制好的冰块放入持冰筒内，调整冰块与混凝土之间的接触压力和环境温度，先固定环境温度为-10℃，调整接触压力分别为1、2、3、4、5kPa 5种，再固定接触压力3kPa，调整环境温度分别为0、-5、-10、-15、-20℃ 5种分别进行试验；第四步，待环境温度达到设计温度后，打开往复机的电源开关，使冰块在混凝土表面做往复运动；第五步，对5个标记点处混凝土厚度进行测量，得到hmi，根据初始厚度和磨损后的厚度计算磨损量H：

(1)

式中，m—第m个标记点。

2 试验结果分析

2.1 接触压力对磨损量影响

相同环境温度下各强度等级水工混凝土的磨损量随接触压力的变化特征如图1所示。

图1 磨损量随接触压力变化特征

从图1中可以看到：在相同强度等级下，随着接触压力的增大，水工混凝土的磨损量呈指数型函数增长，当接触压力为1～3kPa时，磨损量增长较为缓慢，当接触压力为3～5kPa时，磨损量增长较快；接触压力增大会导致混凝土磨损量的增加，这是因为接触压力与冰-混凝土之间的接触半径a呈正相关关系，而在混凝土磨损过程中颗粒的脱落速率又与接触半径a3呈正相关关系，因此在接触压力增大过程中，混凝土表面颗粒脱落是呈3次方加速增大的，所以磨损量与接触压力之间呈指数型关系[9]。相同接触压力下，水工混凝土的强度越高，磨损量越小，水灰比、胶凝材料硬度以及骨料是影响水工混凝土耐磨损性能的主要因素，在本次试验中，采用了当地天然的浮石骨料，浮石骨料表面粗糙，能够与胶凝材料产生较好的粘结作用，从而提高整体性，同时浮石骨料的硬度普遍低于卵石或者碎石骨料，也可以减小对胶凝材料的磨损，强度等级越高，水泥用量越大，水灰比越小，混凝土的密实性越高，因而强度等级越高，磨损量越小。

2.2 环境温度对磨损量影响

相同接触压力下各强度等级水工混凝土的磨损量随环境温度的变化特征如图2所示。

图2 磨损量随环境温度变化特征

从图2可知，随着环境温度的降低，水工混凝土的磨损量呈逐渐增大的变化趋势，但是与接触压力对磨损量的影响不同的是，当环境温度由0℃下降至-15℃时，磨损量增长速度较快，而当环境温度由-15℃将至-20℃时，磨损量增长速度反而减小，这主要是因为冰块存在一个极限抗压强度和抗劈拉强度，且这一极限抗压强度、抗劈拉强度与环境温度密切相关，随着环境温度降低，冰块极限强度增大，且在-15～-20℃这一范围时冰块的极限强度增长趋势会变缓，同时在冰块与混凝土摩擦过程中，会在两者的接触面产生一层水膜，有研究显示水膜并不能起到润滑作用，反而还会增加冰块与混凝土之间的摩擦力，从而表现出三体磨损效应[10]，当环境温度降低时，水膜也会随之减少，三体磨损现象减弱，因而当环境温度降低至一定程度后，磨损量的增长趋势会放缓。相同环境温度下，混凝土的强度等级越高，磨损量越小。

2.3 磨损量损失过程

当接触压力为3kPa，环境温度为-10℃时，不同强度等级水工混凝土的磨损量损失过程如图3所示。

图3 不同强度等级混凝土磨损过程曲线

从图3可知，混凝土的磨损量随着磨损路径的增加近似呈线性增大的变化特征，在试验初期的单位磨损量略大，试验一段时间后，磨损速率基本达到稳定状态，出现这一现象的主要原因在于在试验初期，由于天然浮石混凝土表面不平整，使得冰块与混凝土之间的接触面积减小，从而产生局部的应力集中，表面部分材料脱落形成游离磨粒现象，从而使磨损速率加快，当混凝土表面磨损到一定程度后，混凝土表面与冰块之间会形成弹性接触，两者之间贴合度更高，接触面积加大，因而磨损速率逐渐进入平稳变化阶段。

3 磨损机理分析

水工建筑物混凝土在冰凌作用下的磨损可划分为疲劳磨损、切削磨损和液体压力损伤3类。

(1)疲劳磨损。在循环接触应力下，冰块与混凝土首先发生表面疲劳磨损，并且磨损由浅入深，冰对混凝土的表面孔隙和微裂缝会逐渐产生切向作用力，在切向作用力作用下，磨损程度不断增加，最终导致混凝土表面贯通裂缝的形成，一些孔壁在水平动力作用下由于疲劳磨损发生断裂破坏。

(2)切削磨损。主要是由于混凝土表现收到切向作用力后，孔壁和细骨料脱离混凝土表面形成游离的磨粒，混凝土、游离磨粒以及冰块之间随即形成三体磨损状态，加速了混凝土表面的磨损程度。

(3)液体压力损伤。在磨损过程中，会在混凝土表面形成一道水膜，水膜可作为压力的中介传递介质，会对冰-混凝土之间的液态水产生很高的压力效应，这些液态水会进入混凝土内部，在压力水作用下混凝土内部结构产生损伤，从而加速混凝土的磨损。

4 结语

对不同强度等级、不同接触压力和不同环境温度下的水工建筑物混凝土冰凌磨损特性进行了试验研究，得出如下结论：

(1)混凝土的强度等级越高，抗冰凌磨损性能越好；随着接触压力的增大，水工混凝土的磨损量呈指数型函数增长；随着环境温度的降低，磨损量逐渐增大，但当温度低于-15℃后，磨损量增长幅度放缓。

(2)在试验初期，混凝土的磨损速率较快，随着实验进行，磨损速率会略有减小并最终趋于一个稳定值。

(3)根据冰-混凝土之间的磨损机理，可将磨损划分为疲劳磨损、切削磨损和液体压力损伤3类。

(4)水工混凝土材料也是影响磨损特性的主要因素，本文仅对不同强度等级混凝土进行了研究，对于不同材料组成的水工混凝土冰-磨损性能将在今后做进一步补充。