北方地區(qū)冬季冰凌期水工建筑物損傷試驗研究

王偉偉

(新疆伊犁河流域開發(fā)建設(shè)管理局，新疆 伊寧 835000)

北方地區(qū)冬季氣溫較低且持續(xù)時間較長，水閘、橋墩、渠道等時常會面臨冰凌磨損的問題，持續(xù)的冰凌磨損不僅會造成混凝土保護(hù)層脫落，使水工建筑物中鋼筋暴露在大氣環(huán)境中，加劇鋼筋銹蝕，影響建筑的安全性與穩(wěn)定性，而且還會導(dǎo)致將導(dǎo)致水工建筑物產(chǎn)生疲勞裂紋，從而產(chǎn)生滲漏問題，對渠道等輸水效率造成重要影響[1- 5]。眾多研究表明：大部分水工混凝土在抗冰期等懸移介質(zhì)隨水流運動磨損方面的能力時有限的，往往很難起到足夠有效的保護(hù)作用，這大大降低了水工建筑物的服役年限，增加了維護(hù)改造成本，因此有必要對水工建筑物混凝土的冰凌磨損性能展開研究[6- 8]。

本文開展了不同強(qiáng)度等級、不同接觸壓力和不同環(huán)境溫度下的水工建筑物混凝土冰凌磨損特性試驗研究，期望能獲得水工混凝土在復(fù)雜環(huán)境下的磨損變化規(guī)律，為北方地區(qū)水工建筑物的防冰凍設(shè)計提供借鑒。

1 試驗概況

1.1 試驗原材料

主要原材料包括水泥、粗細(xì)骨料、份粉煤灰、減水劑、自來水等。其中，水泥為P.O42.5普通硅酸鹽水泥，初凝和終凝時間分別為130和250min，細(xì)度為1.9%，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量160g；粗骨料為河道中天然石料，粒徑5～20mm，堆積密度900kg/m3，表觀密度為1680kg/m3，吸水率為17.5%，平均燒失量為3.32%，筒壓強(qiáng)度為2.76MPa；細(xì)骨料為連續(xù)級配天然河沙，細(xì)度模數(shù)2.6(中砂)，平均含泥量為1.97%，含水率為2.3%，堆積密度1600kg/m3，表觀密度2560kg/m3；粉煤灰：Ⅰ級，需水量92%，燒失量2%，細(xì)度(0.045mm方孔篩余)量7%；減水劑為β-萘酸鈉甲醛高縮聚物高效減水劑，減水率為20%，對混凝土中鋼筋無銹蝕作用。

1.2 配合比設(shè)計

根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》以及《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》可知，橋墩、渠道襯砌等水流沖刷部位混凝土的強(qiáng)度設(shè)計等級一般為C20～C40。因此，本文根據(jù)一般水工建筑物混凝土強(qiáng)度設(shè)計要求，設(shè)計了C20、C30、C40 3種強(qiáng)度等級混凝土，水膠比均小于0.5的設(shè)計要求，減水劑摻量為0.7%。具體配合比設(shè)計方案見表1。

1.3 試驗步驟及方法

第一步，按照各強(qiáng)度等級試驗配合比拌制混凝土，然后倒入100mm×100mm×400mm的試模中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d，養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，利用切割機(jī)將混凝土切割成30mm×45mm×180mm的長方體，使其滿足冰-混凝土磨損試驗的尺寸要求；第二步，在混凝土暴露表面標(biāo)記5個特征點，記錄初始厚度h0；第三步，將混凝土試塊固定在抗冰磨損試驗裝置底板上，然后將自制好的冰塊放入持冰筒內(nèi)，調(diào)整冰塊與混凝土之間的接觸壓力和環(huán)境溫度，先固定環(huán)境溫度為-10℃，調(diào)整接觸壓力分別為1、2、3、4、5kPa 5種，再固定接觸壓力3kPa，調(diào)整環(huán)境溫度分別為0、-5、-10、-15、-20℃ 5種分別進(jìn)行試驗；第四步，待環(huán)境溫度達(dá)到設(shè)計溫度后，打開往復(fù)機(jī)的電源開關(guān)，使冰塊在混凝土表面做往復(fù)運動；第五步，對5個標(biāo)記點處混凝土厚度進(jìn)行測量，得到hmi，根據(jù)初始厚度和磨損后的厚度計算磨損量H：

(1)

式中，m—第m個標(biāo)記點。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 接觸壓力對磨損量影響

相同環(huán)境溫度下各強(qiáng)度等級水工混凝土的磨損量隨接觸壓力的變化特征如圖1所示。

圖1 磨損量隨接觸壓力變化特征

從圖1中可以看到：在相同強(qiáng)度等級下，隨著接觸壓力的增大，水工混凝土的磨損量呈指數(shù)型函數(shù)增長，當(dāng)接觸壓力為1～3kPa時，磨損量增長較為緩慢，當(dāng)接觸壓力為3～5kPa時，磨損量增長較快；接觸壓力增大會導(dǎo)致混凝土磨損量的增加，這是因為接觸壓力與冰-混凝土之間的接觸半徑a呈正相關(guān)關(guān)系，而在混凝土磨損過程中顆粒的脫落速率又與接觸半徑a3呈正相關(guān)關(guān)系，因此在接觸壓力增大過程中，混凝土表面顆粒脫落是呈3次方加速增大的，所以磨損量與接觸壓力之間呈指數(shù)型關(guān)系[9]。相同接觸壓力下，水工混凝土的強(qiáng)度越高，磨損量越小，水灰比、膠凝材料硬度以及骨料是影響水工混凝土耐磨損性能的主要因素，在本次試驗中，采用了當(dāng)?shù)靥烊坏母∈橇?，浮石骨料表面粗糙，能夠與膠凝材料產(chǎn)生較好的粘結(jié)作用，從而提高整體性，同時浮石骨料的硬度普遍低于卵石或者碎石骨料，也可以減小對膠凝材料的磨損，強(qiáng)度等級越高，水泥用量越大，水灰比越小，混凝土的密實性越高，因而強(qiáng)度等級越高，磨損量越小。

2.2 環(huán)境溫度對磨損量影響

相同接觸壓力下各強(qiáng)度等級水工混凝土的磨損量隨環(huán)境溫度的變化特征如圖2所示。

圖2 磨損量隨環(huán)境溫度變化特征

從圖2可知，隨著環(huán)境溫度的降低，水工混凝土的磨損量呈逐漸增大的變化趨勢，但是與接觸壓力對磨損量的影響不同的是，當(dāng)環(huán)境溫度由0℃下降至-15℃時，磨損量增長速度較快，而當(dāng)環(huán)境溫度由-15℃將至-20℃時，磨損量增長速度反而減小，這主要是因為冰塊存在一個極限抗壓強(qiáng)度和抗劈拉強(qiáng)度，且這一極限抗壓強(qiáng)度、抗劈拉強(qiáng)度與環(huán)境溫度密切相關(guān)，隨著環(huán)境溫度降低，冰塊極限強(qiáng)度增大，且在-15～-20℃這一范圍時冰塊的極限強(qiáng)度增長趨勢會變緩，同時在冰塊與混凝土摩擦過程中，會在兩者的接觸面產(chǎn)生一層水膜，有研究顯示水膜并不能起到潤滑作用，反而還會增加冰塊與混凝土之間的摩擦力，從而表現(xiàn)出三體磨損效應(yīng)[10]，當(dāng)環(huán)境溫度降低時，水膜也會隨之減少，三體磨損現(xiàn)象減弱，因而當(dāng)環(huán)境溫度降低至一定程度后，磨損量的增長趨勢會放緩。相同環(huán)境溫度下，混凝土的強(qiáng)度等級越高，磨損量越小。

2.3 磨損量損失過程

當(dāng)接觸壓力為3kPa，環(huán)境溫度為-10℃時，不同強(qiáng)度等級水工混凝土的磨損量損失過程如圖3所示。

圖3 不同強(qiáng)度等級混凝土磨損過程曲線

從圖3可知，混凝土的磨損量隨著磨損路徑的增加近似呈線性增大的變化特征，在試驗初期的單位磨損量略大，試驗一段時間后，磨損速率基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因在于在試驗初期，由于天然浮石混凝土表面不平整，使得冰塊與混凝土之間的接觸面積減小，從而產(chǎn)生局部的應(yīng)力集中，表面部分材料脫落形成游離磨?，F(xiàn)象，從而使磨損速率加快，當(dāng)混凝土表面磨損到一定程度后，混凝土表面與冰塊之間會形成彈性接觸，兩者之間貼合度更高，接觸面積加大，因而磨損速率逐漸進(jìn)入平穩(wěn)變化階段。

3 磨損機(jī)理分析

水工建筑物混凝土在冰凌作用下的磨損可劃分為疲勞磨損、切削磨損和液體壓力損傷3類。

(1)疲勞磨損。在循環(huán)接觸應(yīng)力下，冰塊與混凝土首先發(fā)生表面疲勞磨損，并且磨損由淺入深，冰對混凝土的表面孔隙和微裂縫會逐漸產(chǎn)生切向作用力，在切向作用力作用下，磨損程度不斷增加，最終導(dǎo)致混凝土表面貫通裂縫的形成，一些孔壁在水平動力作用下由于疲勞磨損發(fā)生斷裂破壞。

(2)切削磨損。主要是由于混凝土表現(xiàn)收到切向作用力后，孔壁和細(xì)骨料脫離混凝土表面形成游離的磨粒，混凝土、游離磨粒以及冰塊之間隨即形成三體磨損狀態(tài)，加速了混凝土表面的磨損程度。

(3)液體壓力損傷。在磨損過程中，會在混凝土表面形成一道水膜，水膜可作為壓力的中介傳遞介質(zhì)，會對冰-混凝土之間的液態(tài)水產(chǎn)生很高的壓力效應(yīng)，這些液態(tài)水會進(jìn)入混凝土內(nèi)部，在壓力水作用下混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷，從而加速混凝土的磨損。

4 結(jié)語

對不同強(qiáng)度等級、不同接觸壓力和不同環(huán)境溫度下的水工建筑物混凝土冰凌磨損特性進(jìn)行了試驗研究，得出如下結(jié)論：

(1)混凝土的強(qiáng)度等級越高，抗冰凌磨損性能越好；隨著接觸壓力的增大，水工混凝土的磨損量呈指數(shù)型函數(shù)增長；隨著環(huán)境溫度的降低，磨損量逐漸增大，但當(dāng)溫度低于-15℃后，磨損量增長幅度放緩。

(2)在試驗初期，混凝土的磨損速率較快，隨著實驗進(jìn)行，磨損速率會略有減小并最終趨于一個穩(wěn)定值。

(3)根據(jù)冰-混凝土之間的磨損機(jī)理，可將磨損劃分為疲勞磨損、切削磨損和液體壓力損傷3類。

(4)水工混凝土材料也是影響磨損特性的主要因素，本文僅對不同強(qiáng)度等級混凝土進(jìn)行了研究，對于不同材料組成的水工混凝土冰-磨損性能將在今后做進(jìn)一步補(bǔ)充。