凍融環(huán)境下水工混凝土的破壞機(jī)理及防護(hù)

周琳博

陜西省寶雞峽引渭灌溉管理局 陜西寶雞 721000

1 水工混凝土的特點(diǎn)

在水利水電工程建筑中使用的混凝土和鋼筋混凝土稱為水工混凝土。水工混凝土不同于工業(yè)建筑混凝土和民用建筑混凝土。除了強(qiáng)度要求外，還需要根據(jù)位置和工作條件滿足抗?jié)B、抗阻要求。對(duì)抗凍、抗裂、抗拉、抗沖擊、耐磨、耐腐蝕等方面的要求，水工混凝土還具有以下特點(diǎn)：①水工建筑物各部位的位置和工作條件不同，決定了水工建筑物各部位的混凝土。對(duì)抗壓強(qiáng)度和抗凍融性的要求不同。②水利工程工程量很大，萬(wàn)奈常計(jì)量混凝土澆筑量。水工混凝土強(qiáng)度高，施工進(jìn)度快，施工周期短，對(duì)施工機(jī)械化程度要求高。水工混凝土大多采用泵送混凝土。泵送混凝土要求坍落度大，混凝土用水量比較大[1]。

2 因凍融引起的水工混凝土的破壞機(jī)理

混凝土材料自產(chǎn)生以來(lái)，就憑借其工藝簡(jiǎn)單、成本低廉和優(yōu)良的力學(xué)性能等諸多優(yōu)勢(shì)，成為工程建設(shè)領(lǐng)域使用最為廣泛、用量最大的建筑材料。隨著建筑科技的迅速發(fā)展，我國(guó)已經(jīng)成為世界上最大的水泥生產(chǎn)國(guó)和混凝土消費(fèi)國(guó)。但是，受到制備技術(shù)等諸多因素的影響，我國(guó)混凝土的服役期限較發(fā)達(dá)國(guó)家仍有巨大差距。究其原因，主要是混凝土結(jié)構(gòu)抗凍融、滲透、侵蝕以及碳化的能力較低。從我國(guó)的實(shí)際情況來(lái)看，有55%的國(guó)土面積處于凍融影響區(qū)域，特別是北方寒區(qū)，大壩的凍融損害十分嚴(yán)重，幾乎所有的混凝土水工建筑都存在不同程度的凍融破壞。在水工混凝土中，骨料是占比最大的材料，一般會(huì)占到混凝土總重量的80%以上。因此骨料的特征和性能必然會(huì)對(duì)水工混凝土的性能產(chǎn)生顯著乃至決定性的影響。

3 水工混凝土的防護(hù)措施

3.1 抗凍融涂層材料的防護(hù)應(yīng)用

目前，水工混凝土抗凍融涂層材料的研究和應(yīng)用取得了一定的進(jìn)展。在西藏自治區(qū)特殊環(huán)境下水工混凝土抗凍融涂層研究過(guò)程中。利用脂肪族異氰酸酯、聚天門(mén)冬氨酸酯、硅烷偶聯(lián)劑、硅微粉、活性稀釋劑、分散劑、流平劑等作為主要的原料，以添加硅微粉、顏料及其他助劑的聚天門(mén)冬氨酸酯為A組分，以添加吸水劑的脂肪族異氰酸酯為B組分，A組分與B組分混合反應(yīng)后制得耐候性脂肪族聚脲涂層材料。A組份的制備工藝為：將聚天冬氨酸、顏料、添加劑依次加入到脫漆槽中，高速分散50分鐘，然后用砂磨機(jī)研磨分散至20μm以下細(xì)度，過(guò)濾分裝；制備組分B的工藝是：將脂肪族異氰酸酯原料與吸水劑按比例均勻混合而得。使用時(shí)，將A、B各組分按比例攪拌均勻，并在操作時(shí)間內(nèi)完成涂裝。在完成一系列步驟后，水工混凝土的抗凍融涂層就完成了。機(jī)械性能試驗(yàn)采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)；抗凍融試驗(yàn)采用全自動(dòng)混凝土凍融試驗(yàn)機(jī)；碳化試驗(yàn)采用混凝土碳化試驗(yàn)箱；最后，得到了建立的測(cè)試結(jié)果。在拉薩市區(qū)室外涂裝試驗(yàn)中，水工混凝土未發(fā)生凍融破壞，可進(jìn)一步推廣應(yīng)用[2]。

高寒地區(qū)水工混凝土防凍融涂料采用聚脲涂料、不飽和聚酯樹(shù)脂、耐候環(huán)氧涂料為涂料體系。凍融試驗(yàn)采用日本進(jìn)口全自動(dòng)混凝土凍融試驗(yàn)機(jī)；萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)用于拉伸、彎曲、壓縮性能測(cè)試；水工混凝土抗凍融涂層在300多次凍融循環(huán)過(guò)程中，材料損失率小于5%，裂縫、變形、收縮等現(xiàn)象不明顯。采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明：150次凍融試驗(yàn)無(wú)明顯變化，200次凍融試驗(yàn)出現(xiàn)輕微的水浸和裂縫；本次試驗(yàn)的最終結(jié)果證明，耐凍融性最好的表面層為聚脲材料，底漆為環(huán)氧水泥。

3.2 摻合料、外加劑材料的應(yīng)用

為了提高水工混凝土的抗凍融性，降低混凝土早期水化熱溫升，并考慮經(jīng)濟(jì)因素，施工單位開(kāi)始大量添加外加劑、外加劑和一些纖維材料來(lái)提高混凝土的性能。在施工初期，大部分建筑采用粉煤灰作為外加劑，摻量甚至達(dá)到20% - 70%。然而，隨著國(guó)家大力發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，我國(guó)西南部分地區(qū)粉煤灰供應(yīng)緊張。石灰石粉已出現(xiàn)在公眾的視野中，作為一種綠色、廉價(jià)、易得的替代外加劑被廣泛使用。硅粉由于其顆粒較細(xì)、比表面積大、比電阻大，是目前國(guó)內(nèi)外研究混凝土外加劑最成功、應(yīng)用最廣泛的材料。大量外加劑同時(shí)被施工技術(shù)人員使用。其中，最常見(jiàn)的是萘系減水劑、聚羧基減水劑和高分子聚合物的水分散劑。減水劑的應(yīng)用使部件表面失水。防止構(gòu)件內(nèi)水分的運(yùn)移更加困難和有效，從而減少因失水和收縮引起的張力，顯著提高了工程質(zhì)量和耐久性。除了加入外加劑、外加劑等外，在水工混凝土中摻入適量的纖維材料也可以提高其抗凍融性。纖維材料與水泥基材料良好的相容性可以顯著提高混凝土的抗裂性和疲勞強(qiáng)度，并且在早期水化加熱時(shí)（大部分纖維材料具有空腔結(jié)構(gòu)）可以將部分熱量傳遞給混凝土本身，降低絕熱溫升。

綜上所述，水工混凝土凍融破壞在西部嚴(yán)寒地區(qū)受到越來(lái)越多的關(guān)注。許多專家學(xué)者已經(jīng)開(kāi)始研究水工混凝土的凍融機(jī)理，以及如何防止水工混凝土的凍融破壞。通過(guò)一系列的研究，發(fā)現(xiàn)水工混凝土表面是凍融破壞的根本原因。由此水工混凝土抗凍融涂層材料應(yīng)運(yùn)而生。通過(guò)對(duì)混凝土表面進(jìn)行涂層保護(hù)，防止外界水和空氣進(jìn)入混凝土，造成低溫霜凍破壞。它不僅在實(shí)驗(yàn)中取得了良好的效果，而且在實(shí)踐中也被證明是相當(dāng)有效的。水工混凝土的抗凍融涂層有效地提高了水工混凝土工程的使用壽命，提高了水工混凝土的耐久性，為今后水工混凝土的抗凍融損傷研究提供了很好的參考[3]。