憎水涂層混凝土對(duì)冰附著強(qiáng)度測(cè)試及性能研究

文 潔

（第三儲(chǔ)備資產(chǎn)管理局重慶管理站，重慶 400010）

為了更有效地減少冰凍災(zāi)害帶來的破壞性影響，設(shè)計(jì)防御性措施和改良護(hù)坡材料成為很重要的方法。目前，采用的措施主要包括加固護(hù)坡結(jié)構(gòu)、配置預(yù)制塊和桿件支撐以及選取適合冰川特性的材料進(jìn)行改良。應(yīng)用這些技術(shù)手段，可以有效地保護(hù)水庫周圍的護(hù)坡，避免其受到不利氣候條件的破壞。

1 試驗(yàn)制備及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)所用的原料及技術(shù)

憎水涂層混凝土冰附著強(qiáng)度試驗(yàn)是一種常用的檢測(cè)方法，用于評(píng)估在極低溫度下，混凝土表面涂覆憎水材料后，其與冰之間的附著強(qiáng)度。

1.1.1 原料

1.1.1.1 混凝土

通常使用普通混凝土或高性能混凝土，其28 天抗壓強(qiáng)度一般大于50MPa。

1.1.1.2 憎水材料

常用的憎水材料包括硅烷、氟碳等。這些材料通過表面活性劑處理，能夠在混凝土表面形成微小孔洞，從而減少在混凝土表面的接觸角，起到憎水效果。

1.1.1.3 冰塊

冰塊應(yīng)該是均勻無氣泡的。

1.1.2 相關(guān)技術(shù)1.1.2.1 試驗(yàn)前準(zhǔn)備

混凝土表面要經(jīng)過充分準(zhǔn)備，例如清洗、打磨等，以確保試樣表面光滑、干燥以及無雜質(zhì)。同時(shí)，將憎水材料均勻地涂覆在混凝土表面，并根據(jù)憎水材料的規(guī)格和說明書對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)處理。涂覆后的混凝土需要靜置24h 以上，以保證憎水材料與混凝土表面充分反應(yīng)。

1.1.2.2 試驗(yàn)過程

將冰塊放置在混凝土表面，按照規(guī)定時(shí)間間隔進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。通過試驗(yàn)儀器測(cè)量拉伸力、位移及變形等數(shù)據(jù)，計(jì)算附著強(qiáng)度。可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行多次試驗(yàn)，取平均值作為最終結(jié)果。

1.1.2.3 試驗(yàn)后處理

試驗(yàn)結(jié)束后，要及時(shí)清理試樣和試驗(yàn)儀器，以確保下次試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

憎水涂層混凝土冰附著強(qiáng)度試驗(yàn)是在混凝土表面涂覆憎水材料后，在極低溫下，將冰塊固定在混凝土表面，并通過拉伸試驗(yàn)來測(cè)定冰與混凝土之間的附著強(qiáng)度。設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)原理如下。

1.2.1 設(shè)計(jì)思路

確定試驗(yàn)?zāi)康模涸u(píng)估在極低溫條件下，混凝土表面涂覆憎水材料后，其與冰之間的附著強(qiáng)度。

選取試驗(yàn)方法：憎水涂層混凝土冰附著強(qiáng)度試驗(yàn)是一種常用的試驗(yàn)方法，適合用于評(píng)估混凝土涂覆憎水材料后與冰之間的附著強(qiáng)度。

確定試驗(yàn)參數(shù)：試驗(yàn)參數(shù)包括混凝土類型、憎水材料類型、涂覆方式和冰塊尺寸等。這些參數(shù)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行確定，并要充分考慮試驗(yàn)精確性、可重復(fù)性和代表性。

執(zhí)行試驗(yàn)：按照確定的試驗(yàn)方法和試驗(yàn)參數(shù)執(zhí)行試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)混凝土涂覆憎水材料后與冰之間的附著強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估。

1.2.2 設(shè)計(jì)原理

1.2.2.1 混凝土表面處理

混凝土表面要充分打磨、清潔，并確保干燥無氣泡。然后涂覆憎水材料，使混凝土表面形成微小孔洞，從而具有一定的憎水性能。

1.2.2.2 固定冰塊

將規(guī)定尺寸的均勻無氣泡的冰塊固定在混凝土表面上，并通過試驗(yàn)夾具將其拉伸。

1.2.2.3 根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算附著強(qiáng)度

通過試驗(yàn)儀器記錄拉伸力和位移等數(shù)據(jù)，計(jì)算附著強(qiáng)度。其中，附著強(qiáng)度的計(jì)算公式：附著強(qiáng)度=拉斷力/冰塊接觸面積。

1.3 試驗(yàn)制備

該研究中，相關(guān)工作人員針對(duì)冰附著強(qiáng)度設(shè)計(jì)了一種試驗(yàn)方法。該試驗(yàn)所使用的砼板尺寸為195mm×195mm×35mm，強(qiáng)度等級(jí)為C40 的砼板。研究人員根據(jù)試驗(yàn)需求，對(duì)其表面進(jìn)行不同程度的粗糙處理。為了探究憎水涂層對(duì)砼板冰附著強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)設(shè)計(jì)5 組試件，第一組試件在砼板表面涂刷防水漆，第二組試件在砼板表面涂刷聚氨酯防水瀝青，第三組在砼板表面涂刷有機(jī)硅憎水劑組，第四組在砼板表面涂刷HZ 憎水劑組，第五組為對(duì)照組，砼板表面未做任何處理[1]。

在該試驗(yàn)中，為消除底面不平整造成的影響，使用型號(hào)為HG-C1050L 的激光位移傳感器進(jìn)行修正。通過同步測(cè)量每個(gè)砼板2 個(gè)垂直方向上的輪廓高度信息來獲得更精確的冰附著力數(shù)據(jù)。在試驗(yàn)過程中，在不同溫度下制備成冰的水被涂抹在試件表面形成冰層，然后掃描儀掃描冰層的表面來測(cè)定冰附著力（如圖1所示）。

圖1 砼板絕對(duì)輪廓高度

經(jīng)過多次試驗(yàn)取平均值來衡量冰附著強(qiáng)度。該試驗(yàn)結(jié)果將有助于揭示不同類型的憎水涂層對(duì)砼板冰附著強(qiáng)度的影響。有效的憎水涂層能夠降低砼板的冰附著強(qiáng)度，從而減少冰的積累和滑落造成的危險(xiǎn)。該試驗(yàn)還為砼工程設(shè)計(jì)提供一定的理論依據(jù)，以保障其安全性和可靠性。

研究人員設(shè)砼板表面粗糙程度為Re，引入輪廓高度算是平均差列出公式（1）。

式中：y（x）為表面輪廓高度（中線）；l為取樣長(zhǎng)度。

研究人員將試驗(yàn)環(huán)境溫度設(shè)定為-10℃，在該環(huán)境下，研究人員詳細(xì)記錄冰與砼板凍結(jié)的完整過程。從微觀層面來看，該過程先令砼板表面處于吸水飽滿狀態(tài)，再將冰塊快速擺放至預(yù)定位置[2]。如果試驗(yàn)過程中出現(xiàn)縫隙，則研究人員要從側(cè)面進(jìn)行補(bǔ)充水，直至冰與砼板完全處于凍結(jié)狀態(tài)。在所有試驗(yàn)樣品達(dá)到完整凍結(jié)狀態(tài)后，就可以進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)了。

1.4 試驗(yàn)過程

當(dāng)砼板上的水分開始凍結(jié)時(shí)，它會(huì)釋放熱量，導(dǎo)致周圍的環(huán)境溫度降低并加快整個(gè)過程的進(jìn)展。一旦砼板被完全凍結(jié)，其內(nèi)部產(chǎn)生了很高的應(yīng)力，并且由于溫度變化，還會(huì)出現(xiàn)收縮和膨脹等形變現(xiàn)象。因此，在進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)的過程中需要非常謹(jǐn)慎。這種試驗(yàn)方法能夠幫助工程師們更好地研究砼、巖石、人工復(fù)合材料等材料在極低溫環(huán)境下的機(jī)械性質(zhì)和結(jié)構(gòu)行為，有助于確定這些材料的可行性、耐久性以及在極寒環(huán)境下的使用范圍等問題。此外，該試驗(yàn)方法還可以作為一種檢驗(yàn)砼質(zhì)量的手段，通過模擬極端的低溫條件，評(píng)估砼在不利環(huán)境下的抗凍融性能和強(qiáng)度等特征，從而提高砼結(jié)構(gòu)體系的安全耐久性。

首先，在進(jìn)行實(shí)測(cè)的過程中，研究人員采用增加平行凍結(jié)附著面剪切力的方式測(cè)量冰與砼板的附著強(qiáng)度。通過這種方式，可以模擬實(shí)際情況下物體受到水平?jīng)_擊力造成的冰雪附著壓力，非常符合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景。

其次，在試驗(yàn)設(shè)備方面，電動(dòng)液壓式冰壓力試驗(yàn)機(jī)是一款比較常見的測(cè)試設(shè)備。在測(cè)試過程中，試驗(yàn)機(jī)提供作用力，借助這種方式令凍結(jié)附著面作用力能夠覆蓋與附著面邊緣位置。同時(shí)，為了增強(qiáng)測(cè)試精度，研究人員在壓桿、調(diào)節(jié)頭處安裝了壓力傳感器，型號(hào)為PPM226-LS2-1，其精度能達(dá)到0.002kN，可以準(zhǔn)確地測(cè)量冰與其他材料間的附著力。

除了這些基本的測(cè)試方式和設(shè)備，研究人員對(duì)冰與其他材料附著強(qiáng)度測(cè)試的方法進(jìn)行探索[3]。例如針對(duì)不同區(qū)域的特點(diǎn)，提出不同的測(cè)試策略。在山區(qū)及高海拔地區(qū)中通常采用垂直于凍結(jié)附著面的拉伸試驗(yàn)來衡量冰雪的附著強(qiáng)度，在平原地區(qū)中更重視各種特定氣象條件下的實(shí)測(cè)結(jié)果，也會(huì)利用現(xiàn)代技術(shù)手段進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。

該研究中，相關(guān)工作人員設(shè)冰附著強(qiáng)度為σb，則砼板上的冰塊脫落時(shí)，最大剪切力計(jì)算如公式（2）所示。

式中：Pb為試件破壞時(shí)最大剪切力；S為冰塊附著面積。

2 試件結(jié)果分析

2.1 砼材料表面粗糙度與冰附著能力關(guān)系分析

該研究中，相關(guān)工作人員為了探究冰附著強(qiáng)度和砼表面粗糙度之間的關(guān)系，使用砼板單次凍結(jié)試驗(yàn)來控制誤差，并探究表面粗糙度對(duì)附著強(qiáng)度的影響。

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)材料表面越光滑，附著強(qiáng)度越小。其原因如下：首先，如果附著物表面十分光滑，冰與砼板附著面接觸區(qū)域減少，冰的附著能力降低。其次，在平行于砼表面的剪切力影響下，砼表面凹槽以及凸起部分，與附著面的結(jié)合程度提高。原因是在冰與砼表面接觸過程中，冰會(huì)填滿砼表面縫隙以及其表面存在的細(xì)微凹槽，在該過程中，砼表面逐漸形成了錨固點(diǎn)，令冰能夠更緊密地與砼表面結(jié)合。最后，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以得出，附著強(qiáng)度與砼表面粗糙度成正比。由于砼表面粗糙度會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生誤差，因此需要明確附著強(qiáng)度與砼表面粗糙度之間的關(guān)系，通過這種方式解釋兩者間的變化規(guī)律。

凍結(jié)附著試驗(yàn)是深入研究冰與砼相互作用的一種方法。由于該測(cè)試機(jī)理非常復(fù)雜且在采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)的同時(shí)會(huì)受到一些誤差的影響，因此科學(xué)家們需要不斷改進(jìn)試驗(yàn)方法，以獲得更精確的結(jié)果。為了消除這些誤差，重點(diǎn)是如何制定正確的試驗(yàn)方案。其中，砼板單次凍結(jié)試驗(yàn)是一種常用的解決方案。該試驗(yàn)的基本原理是將砼板置于冰塊上，在恒定溫度下將水表面固化成冰，并測(cè)量冰塊貼著砼的強(qiáng)度來反映它們之間的附著強(qiáng)度。對(duì)單個(gè)試件進(jìn)行多次測(cè)試并取平均值，最終可以得出比較準(zhǔn)確的結(jié)果[4]。

此外，根據(jù)鉆孔和剖面觀察，科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)砼表面粗糙度會(huì)對(duì)冰與砼的附著強(qiáng)度產(chǎn)生影響。具體來說，隨著砼表面粗糙度增加，冰塊能更容易地卡緊砼表面，因此附著強(qiáng)度也會(huì)增加。這個(gè)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)現(xiàn)代建筑材料領(lǐng)域有很大的意義?；谠摻Y(jié)論，人們可以在建筑砼表面進(jìn)行特殊處理以改變其表面粗糙度，從而提高建筑物在冬季和極寒環(huán)境下的抗寒性能、延長(zhǎng)使用壽命。同時(shí)，該試驗(yàn)也為深入認(rèn)識(shí)冰和砼之間的相互作用機(jī)制提供了重要的手段和思路。

2.2 憎水涂層材料與冰附著強(qiáng)度的關(guān)系

憎水涂層材料作為一種特殊的表面涂層，能夠在其表面形成微觀結(jié)構(gòu)，使其具有憎水性質(zhì)。這些微觀結(jié)構(gòu)通常被稱為“蠟質(zhì)樹枝狀結(jié)構(gòu)”或“脈沖形態(tài)結(jié)構(gòu)”，它們可以改變表面張力并減少吸附作用，使液體無法附著在表面。經(jīng)過試驗(yàn)，研究人員得到以下3 個(gè)結(jié)論：1）涂層材料的類型對(duì)憎水涂層的效果影響較大。通常來說，聚合物材料和氟化物材料被認(rèn)為是兩種最常用的憎水涂層材料。其中，氟化物材料具有更好的憎水性能，因此在防冰技術(shù)中廣泛使用。這些涂層可以形成一個(gè)十分平整且均勻的表面，表面的疏水性質(zhì)可以有效地降低冰的黏附力。2）涂覆厚度也是影響涂層效果的重要因素。一般來說，涂層的厚度越大，其憎水性能和抗冰附著性能會(huì)相應(yīng)增強(qiáng)。特別是對(duì)氟化物材料涂層來說，厚度通常在幾微米，超過這個(gè)范圍會(huì)導(dǎo)致其他性能下降。3）處理方法也會(huì)影響涂層效果。不同的處理方法可以改變涂層的結(jié)構(gòu)和表面形態(tài)，進(jìn)而影響其憎水性能和抗冰附著性能。例如采用等離子噴涂法制備氟化物涂層時(shí)，在控制等離子噴涂參數(shù)的過程中可以調(diào)節(jié)涂層表面的粗糙度，從而獲得不同的憎水性能和抗冰附著性能。

3 水庫憎水涂層砼護(hù)坡應(yīng)用方式

研究人員為了解決該水庫每年發(fā)生兩次的“冰爬坡”問題，以紅旗泡水庫為例，嘗試引入帶有憎水涂層的砼護(hù)坡。這種現(xiàn)象在寒冷的氣候環(huán)境下非常常見，當(dāng)水庫表面結(jié)冰后，水位開始上升，并向周圍推進(jìn)。當(dāng)水庫松動(dòng)時(shí)，可能會(huì)發(fā)生冰爬坡現(xiàn)象，即冰體從水庫表面“爬”起來，推移砼壩身并造成損害。

在紅旗泡水庫的應(yīng)用示例中，憎水涂層砼護(hù)坡應(yīng)用效果很好。憎水是一種表面被涂覆上防水劑（如硅烷等物質(zhì)）的砼表面。這樣的涂層可以有效地阻止水分滲透進(jìn)入砼內(nèi)部，保證砼表面的干燥性和質(zhì)量。在實(shí)踐中，憎水涂層砼護(hù)坡能夠降低冰爬坡現(xiàn)象所產(chǎn)生的推力，并減輕砼板的運(yùn)動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)和受冰推破壞的可能性。為了更好地評(píng)估憎水涂層砼護(hù)坡的優(yōu)劣，研究者提供了砼護(hù)坡的穩(wěn)定驗(yàn)算表達(dá)式[5]。這個(gè)表達(dá)式可以預(yù)測(cè)冰壓作用力和附著強(qiáng)度之間的關(guān)系，并通過一些試驗(yàn)數(shù)據(jù)來展示其可靠性。通過試驗(yàn)結(jié)果可以看出，憎水涂層砼護(hù)坡在保證耐久性和性價(jià)比的前提下，可以有效地防止水庫中發(fā)生冰爬坡現(xiàn)象，為水利工程的安全運(yùn)行提供重要保障。護(hù)坡穩(wěn)定驗(yàn)算如公式（3）所示。

式中：F1為靜冰壓力沿坡面向上的作用力；F2為靜冰壓力垂直于坡面的分力；G為冰層以上護(hù)坡砼板自重；θ為壩坡的坡腳，在該研究中，θ=21.8，φ為砼原料中砂的內(nèi)摩擦角，φ=30°。

當(dāng)F1的數(shù)值大于護(hù)坡砼板凍結(jié)附著力時(shí)，靜冰層與砼板脫離并沿著護(hù)坡的方向向上移動(dòng)，在冰層移動(dòng)的過程中，冰層靜冰壓力降低，對(duì)護(hù)坡形成保護(hù)。

在具體實(shí)踐中，可以在砼表面噴涂或刷涂防水材料，以防止水分滲透。該涂層需要定期檢查并重新施工，保證其完整性和持久性。建造水泥砼結(jié)構(gòu)形成一定的高度和坡度，以起到防水、護(hù)坡和固土等作用。該結(jié)構(gòu)需要結(jié)合地質(zhì)情況、設(shè)計(jì)要求和施工工藝綜合考慮，通常需要進(jìn)行基礎(chǔ)處理和鋼筋預(yù)埋。

4 結(jié)語

研究人員對(duì)憎水涂層砼冰附著強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)以及對(duì)應(yīng)用性能進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論。首先，這種涂層能夠顯著提高砼冰附著強(qiáng)度，在防止冰凌形成、減輕積雪對(duì)建筑物所造成的負(fù)荷等方面具有重要作用。其次，為確保該涂層的應(yīng)用效果，須注意施工過程中的適宜條件以及合理選擇材料。最后，在實(shí)際工程中廣泛采用這種技術(shù)，進(jìn)一步提高建筑物的安全性、可靠性和耐久性。希望未來能夠有更多的研究者關(guān)注和深入探討這個(gè)領(lǐng)域，使其發(fā)展得更完善和成熟。