冻融环境下水工混凝土的破坏机理及防护

周琳博

陕西省宝鸡峡引渭灌溉管理局 陕西宝鸡 721000

1 水工混凝土的特点

在水利水电工程建筑中使用的混凝土和钢筋混凝土称为水工混凝土。水工混凝土不同于工业建筑混凝土和民用建筑混凝土。除了强度要求外，还需要根据位置和工作条件满足抗渗、抗阻要求。对抗冻、抗裂、抗拉、抗冲击、耐磨、耐腐蚀等方面的要求，水工混凝土还具有以下特点：①水工建筑物各部位的位置和工作条件不同，决定了水工建筑物各部位的混凝土。对抗压强度和抗冻融性的要求不同。②水利工程工程量很大，万奈常计量混凝土浇筑量。水工混凝土强度高，施工进度快，施工周期短，对施工机械化程度要求高。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，混凝土用水量比较大[1]。

2 因冻融引起的水工混凝土的破坏机理

混凝土材料自产生以来，就凭借其工艺简单、成本低廉和优良的力学性能等诸多优势，成为工程建设领域使用最为广泛、用量最大的建筑材料。随着建筑科技的迅速发展，我国已经成为世界上最大的水泥生产国和混凝土消费国。但是，受到制备技术等诸多因素的影响，我国混凝土的服役期限较发达国家仍有巨大差距。究其原因，主要是混凝土结构抗冻融、渗透、侵蚀以及碳化的能力较低。从我国的实际情况来看，有55%的国土面积处于冻融影响区域，特别是北方寒区，大坝的冻融损害十分严重，几乎所有的混凝土水工建筑都存在不同程度的冻融破坏。在水工混凝土中，骨料是占比最大的材料，一般会占到混凝土总重量的80%以上。因此骨料的特征和性能必然会对水工混凝土的性能产生显著乃至决定性的影响。

3 水工混凝土的防护措施

3.1 抗冻融涂层材料的防护应用

目前，水工混凝土抗冻融涂层材料的研究和应用取得了一定的进展。在西藏自治区特殊环境下水工混凝土抗冻融涂层研究过程中。利用脂肪族异氰酸酯、聚天门冬氨酸酯、硅烷偶联剂、硅微粉、活性稀释剂、分散剂、流平剂等作为主要的原料，以添加硅微粉、颜料及其他助剂的聚天门冬氨酸酯为A组分，以添加吸水剂的脂肪族异氰酸酯为B组分，A组分与B组分混合反应后制得耐候性脂肪族聚脲涂层材料。A组份的制备工艺为：将聚天冬氨酸、颜料、添加剂依次加入到脱漆槽中，高速分散50分钟，然后用砂磨机研磨分散至20μm以下细度，过滤分装；制备组分B的工艺是：将脂肪族异氰酸酯原料与吸水剂按比例均匀混合而得。使用时，将A、B各组分按比例搅拌均匀，并在操作时间内完成涂装。在完成一系列步骤后，水工混凝土的抗冻融涂层就完成了。机械性能试验采用万能试验机；抗冻融试验采用全自动混凝土冻融试验机；碳化试验采用混凝土碳化试验箱；最后，得到了建立的测试结果。在拉萨市区室外涂装试验中，水工混凝土未发生冻融破坏，可进一步推广应用[2]。

高寒地区水工混凝土防冻融涂料采用聚脲涂料、不饱和聚酯树脂、耐候环氧涂料为涂料体系。冻融试验采用日本进口全自动混凝土冻融试验机；万能试验机用于拉伸、弯曲、压缩性能测试；水工混凝土抗冻融涂层在300多次冻融循环过程中，材料损失率小于5%，裂缝、变形、收缩等现象不明显。采用三点弯曲试验对其力学性能进行了测试。结果表明：150次冻融试验无明显变化，200次冻融试验出现轻微的水浸和裂缝；本次试验的最终结果证明，耐冻融性最好的表面层为聚脲材料，底漆为环氧水泥。

3.2 掺合料、外加剂材料的应用

为了提高水工混凝土的抗冻融性，降低混凝土早期水化热温升，并考虑经济因素，施工单位开始大量添加外加剂、外加剂和一些纤维材料来提高混凝土的性能。在施工初期，大部分建筑采用粉煤灰作为外加剂，掺量甚至达到20% - 70%。然而，随着国家大力发展基础设施建设，我国西南部分地区粉煤灰供应紧张。石灰石粉已出现在公众的视野中，作为一种绿色、廉价、易得的替代外加剂被广泛使用。硅粉由于其颗粒较细、比表面积大、比电阻大，是目前国内外研究混凝土外加剂最成功、应用最广泛的材料。大量外加剂同时被施工技术人员使用。其中，最常见的是萘系减水剂、聚羧基减水剂和高分子聚合物的水分散剂。减水剂的应用使部件表面失水。防止构件内水分的运移更加困难和有效，从而减少因失水和收缩引起的张力，显著提高了工程质量和耐久性。除了加入外加剂、外加剂等外，在水工混凝土中掺入适量的纤维材料也可以提高其抗冻融性。纤维材料与水泥基材料良好的相容性可以显著提高混凝土的抗裂性和疲劳强度，并且在早期水化加热时（大部分纤维材料具有空腔结构）可以将部分热量传递给混凝土本身，降低绝热温升。

综上所述，水工混凝土冻融破坏在西部严寒地区受到越来越多的关注。许多专家学者已经开始研究水工混凝土的冻融机理，以及如何防止水工混凝土的冻融破坏。通过一系列的研究，发现水工混凝土表面是冻融破坏的根本原因。由此水工混凝土抗冻融涂层材料应运而生。通过对混凝土表面进行涂层保护，防止外界水和空气进入混凝土，造成低温霜冻破坏。它不仅在实验中取得了良好的效果，而且在实践中也被证明是相当有效的。水工混凝土的抗冻融涂层有效地提高了水工混凝土工程的使用寿命，提高了水工混凝土的耐久性，为今后水工混凝土的抗冻融损伤研究提供了很好的参考[3]。