高寒地區(qū)水電站水工混凝土耐久性研究

范 志 勇 ， 劉 威 ， 梁 慧

(1. 華能西藏雅魯藏布江水電開發(fā)投資有限公司，四川 成都 610041；2. 長江水利委員會長江科學(xué)院，湖北 武漢 430010)

1 概 述

“日溫差大，凍融循環(huán)頻繁”是高原地區(qū)獨特的氣候特征，在這種氣候條件下，水工混凝土將承受頻繁的凍融循環(huán)作用，混凝土易遭受凍融破壞，出現(xiàn)大面積剝落，并伴隨滲漏、碳化等其他病害，將導(dǎo)致建筑物不能發(fā)揮應(yīng)有的作用，最終影響其安全使用和服役壽命[1-2]。混凝土的抗凍性是混凝土耐久性的一項重要指標(biāo)，也是一項綜合性能指標(biāo)，高抗凍性意味著混凝土的高耐久性。現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)僅按照平均氣溫設(shè)計水工建筑物，與高原嚴(yán)寒地區(qū)相比，我國中部地區(qū)海拔相對較低，氣候相對溫和，地質(zhì)條件相對較好，基于此制定的現(xiàn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)難以適用高原高寒地區(qū)的工程建設(shè)，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)缺少相應(yīng)的技術(shù)要求[3-4]。同時，受區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的制約，高寒地區(qū)水電站混凝土所采用的原材料具有“來源廣、品種多、成分復(fù)雜”等特點。因此，如何取長補短、充分發(fā)揮各種材料的優(yōu)勢，以滿足工程混凝土指導(dǎo)的服役要求是一項亟待開展的重要研究工作。

筆者針對高原、高寒、低壓的氣候特征及原材料、施工工藝等對水工混凝土的耐久性和服役壽命的影響，綜合開展原材料及混凝土耐久性試驗研究，提出安全措施及技術(shù)控制指標(biāo)，可有效優(yōu)化高寒地區(qū)水電站水工混凝土的施工。

2 試驗原料與方法

2.1 試驗原料

參照二級配常態(tài)混凝土配合比，采用華新中熱水泥、石嘴山II級粉煤灰與石粉，以及長安育才GK-4A減水劑和GK-9A引氣劑，進(jìn)行外加劑與水泥、外加劑與摻和料的適應(yīng)性試驗。為排除其他因素的影響，試驗特選用性能穩(wěn)定的灰?guī)r人工骨料。

2.2 試驗方法

老化試驗條件設(shè)置參考《SL 352-2006 水工混凝土試驗規(guī)程》，每組三個樣本。

3 凍融破壞作用

凍融破壞是我國高海拔地區(qū)水工混凝土建筑物在運行過程中產(chǎn)生的主要病害之一，對于水閘、渡槽等水工混凝土建筑物，凍融破壞的地區(qū)范圍更為廣泛。凍融破壞即混凝土在飽水狀態(tài)下的因凍融和溫度交變作用產(chǎn)生的破壞，是導(dǎo)致大壩混凝土產(chǎn)生病害的主要原因之一[5-7]。通常將抗凍性作為評價混凝土耐久性的一個重要參數(shù)。

對混凝土材料開展凍融循環(huán)實驗，凍融破壞對混凝土宏觀性能的影響見表1。試驗結(jié)果表明，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土的宏觀性能逐步劣化。凍融100次后，混凝土表面發(fā)生了較明顯的剝蝕；凍融150次后，抗壓、劈拉和抗折強度下降顯著，僅為凍融前的58.4%、61.3%和57.8%。相對動彈性模量降低的速率比混凝土強度慢，但比超聲波波速下降的速率快。因此，強度值是反映混凝土凍融破壞最敏感的指標(biāo)，其次是失重率、相對動彈性模量和超聲波波速，以上指標(biāo)對混凝土抗凍性的安全評估有重要的意義。

將凍融前后的水泥凈漿試件進(jìn)行壓汞測試，得到不同壓力作用下壓入試件的水銀體積，求出比孔容及累計比孔容隨孔徑的分布，繪制試件凍融前后微孔分布曲線見圖1。

表1 凍融循環(huán)對混凝土宏觀性能的影響結(jié)果

圖1 水泥漿凍融前后微孔分布曲線

結(jié)果表明，隨著外壓力的增加，汞可填充的孔隙越小，累計比孔容越大，即孔越小，所需壓汞壓力也越大。凍融150次之后，水泥石的孔隙率均有所提高，特別是孔徑在25 nm以上的孔隙。累計比孔容由0.085 19 ml/g增加至0.099 2 ml/g，提高了16.4%；孔徑25～50 nm和100～150 nm的比孔容分別由0.011 08 ml/g增加至0.016 47 ml/g、0.006 69 ml/g增加至0.009 32 ml/g，分別提高了48.6%和39.3%。凍融前的水泥漿結(jié)構(gòu)比較致密，凍融后結(jié)構(gòu)變得疏松，微孔含量逐步增加，少害孔、有害孔和多害孔均增多，微孔直徑逐步擴大。這是由于凍融過程中的凈水壓力所致，不僅微孔的體積、孔徑逐漸增大，反復(fù)的凍融還會導(dǎo)致微裂紋的產(chǎn)生。

混凝土試件凍融前后SEM微觀形貌對比(圖2)。試驗結(jié)果表明：

(1)混凝土在凍融過程中，水化產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)狀態(tài)發(fā)生了明顯變化，即由凍融前的堆積狀密實體逐步變得疏松狀態(tài)，水泥石和骨料脫離，水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)微裂縫。

(2)經(jīng)過150次凍融循環(huán)，混凝土中原來完整封閉的氣泡，氣泡壁逐步出現(xiàn)了開裂現(xiàn)象。微裂縫不僅存在于水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)中，也會使引氣混凝土中的氣泡開裂破壞，這可能是導(dǎo)致混凝土凍融破壞的主要原因之一。

圖2 混凝土凍融前后SEM微觀結(jié)構(gòu)圖

4 干濕循環(huán)-凍融協(xié)同作用

混凝土的破壞通常是各種物理和化學(xué)作用以及其他影響因素之間的交互作用在一起的結(jié)果。混凝土的干濕循環(huán)破壞是混凝土經(jīng)歷反復(fù)的干縮和濕脹作用而造成的性能的劣化。試驗研究干濕循環(huán)與凍融環(huán)境協(xié)同作用下，混凝土性能演化演變規(guī)律。

選擇0.45水膠比、20%粉煤灰摻量，常態(tài)混凝土含氣量控制在4.0%～5.0%，測試干濕交替-凍融循環(huán)對混凝土性能的影響(表2)。試驗結(jié)果表明，凍融循環(huán)和干濕交替的疊加作用會加速混凝土的破壞，混凝土強度比單因素作用時顯著下降。從超聲波波速和相對動彈模來看，疊加作用會使混凝土中微裂縫擴展和連通，超聲波波速開始顯著降低。顯然，凍融循環(huán)和干濕循環(huán)的循環(huán)疊加作用對混凝土性能的影響不是二種因素之間的簡單疊加，而是會產(chǎn)生放大效應(yīng)。

表2 干濕交替-凍融循環(huán)對混凝土性能的影響

5 碳化-凍融協(xié)同作用

選擇0.35～0.55水膠比、0～40%粉煤灰摻量，常態(tài)混凝土含氣量控制在4.0%～5.0%，測試碳化-凍融循環(huán)協(xié)同作用對混凝土性能的影響，結(jié)果見表3、4。試驗結(jié)果表明，碳化-凍融共同作用下，混凝土宏觀上表現(xiàn)為開裂、表面剝落、粗細(xì)骨料分離、鋼筋被腐蝕及力學(xué)性能下降等。

無論是先碳化后凍融還是先凍融后碳化，其碳化深度總體來說都隨著水膠比的增加而增大。隨著水膠比的增大，混凝土密實性降低、滲透性增強，CO2更容易滲透到混凝土內(nèi)部，致使碳化深度加大。當(dāng)水膠比一定時，由于粉煤灰取代水泥使水化生成的氫氧化鈣總量減少以及粉煤灰的二次水化消耗部分氫氧化鈣，引起混凝土內(nèi)部有效堿量(即氫氧化鈣濃度)降低，導(dǎo)致混凝土的抗碳化能力下降。因此，混凝土碳化深度隨粉煤灰摻量的增加而增大。

比較混凝土碳化深度，先凍融后碳化的遠(yuǎn)大于先碳化后凍融的。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因有：一是混凝土養(yǎng)護(hù)28 d后，再經(jīng)過碳化，產(chǎn)生的碳酸鈣使結(jié)構(gòu)更加密實。經(jīng)過100次凍融，外部水分在膨脹壓和滲透壓作用下，滲透到一些孔隙中，使試件中心沒有發(fā)生碳化反應(yīng)的氫氧化鈣分子隨著水的流動逐漸向試件的四周滲透，導(dǎo)致先碳化的試件碳化深度較小。二是先凍融的試件，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生微裂縫，甚至造成表面開裂或剝落，加快了CO2的侵入速度，使擴散向更深處發(fā)展。

由碳化機理可知，碳化過程產(chǎn)生的碳酸鈣和其他固態(tài)物質(zhì)堵塞在混凝土孔隙中，使試件內(nèi)部的孔隙率下降，大孔減少，從而減弱了后續(xù)CO2的擴散，提高了混凝土的密實度和強度，一定程度上改善了抗凍性能。但混凝土碳化過程是氫氧化鈣晶體的分解和碳酸鈣的沉淀過程，該過程會導(dǎo)致試件逐漸收縮產(chǎn)生微裂隙，形成惡性循環(huán)，使混凝土強度逐步降低。所以，在合理的碳化時間范圍內(nèi)，碳化時間越長，抗凍能力會增強，但最終會降低混凝土的長期抗凍性。

表3 混凝土試件的碳化深度

表4 混凝土試件相對動彈性模量

6 化學(xué)侵蝕-凍融協(xié)同作用

選擇0.45水膠比、20%粉煤灰摻量，混凝土含氣量控制在4.0%～5.0%，成型尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的試件，1 d后脫模并保養(yǎng)28 d，然后進(jìn)行化學(xué)侵蝕-凍融協(xié)同作用試驗。將經(jīng)受NaCl溶液、Na2SO4溶液浸泡，然后將凍融循環(huán)100次的混凝土試件取出進(jìn)行抗壓強度試驗(表5)。

表5 經(jīng)受凍融循環(huán)作用下混凝土試件強度試驗結(jié)果(90 d)

經(jīng)過凍融循環(huán)后混凝土試件的強度均出現(xiàn)不同程度降低。經(jīng)過水溶液和Na2SO4溶液浸泡，200次凍融循環(huán)，混凝土試件的強度降低幅度分別達(dá)27.5%和45.6%，均高于ASTM規(guī)定的25%，可視為已經(jīng)破壞；經(jīng)過NaCl溶液浸泡，200次凍融循環(huán)作用，混凝土試件的強度出現(xiàn)小幅增長，其實，混凝土內(nèi)部已經(jīng)遭冰棱破壞；經(jīng)NaCl和Na2SO4混合溶液凍融破壞的混凝土試件，經(jīng)過100次凍融循環(huán)后，混凝土試件的強度降低率就達(dá)到30.6%，已明顯劣化。

遭受溶液凍融侵蝕的混凝土試件的質(zhì)量損失與動彈模損失試驗結(jié)果分別見表6、7。

表6 經(jīng)過凍融循環(huán)試驗混凝土試件的質(zhì)量損失

表7 經(jīng)過凍融循環(huán)試驗混凝土試件的相對動彈模

試驗結(jié)果表明，經(jīng)受NaCl冷凍液凍融循環(huán)的混凝土試件質(zhì)量損失最大(4.355%)，在混凝土試件表面清晰可見裸露的骨料顆粒和凹凸不平的表面。其次是水溶液(0.584%)，NaCl和Na2SO4混合溶液作為冷凍液時混凝土試件質(zhì)量先略有增加然后降低，100次凍融循環(huán)后質(zhì)量損失為0.324%，經(jīng)受Na2SO4溶液凍融循環(huán)后混凝土試件的質(zhì)量均略有增加，但隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，質(zhì)量增長幅度有減小趨勢，混凝土試件表面整體性較好。

比較混凝土的相對動彈模可知，經(jīng)受NaCl溶液凍融循環(huán)的混凝土相對動彈模降幅最大，其次是水溶液和Na2SO4溶液，經(jīng)受NaCl和Na2SO4混合溶液凍融的混凝土試件的相對動彈模降幅最小。盡管如此，各種混凝土試件的質(zhì)量損失均小于5%，相對動彈模均低于60%。

結(jié)合抗壓強度試驗結(jié)果，盡管混凝土試件經(jīng)受多次凍融循環(huán)后，外觀、質(zhì)量以及相對動彈模變化不大，但強度劣化十分嚴(yán)重，建議采用性能損耗率或降低率等指標(biāo)來表征混凝土的凍融耐久性。美國ASTM標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)試件質(zhì)量損失超過5%，長度膨脹大于0.4，強度損失大于25%時，表明已經(jīng)發(fā)生了侵蝕破壞。據(jù)此可以認(rèn)定，經(jīng)水溶液凍融循環(huán)破壞的混凝土試件抗凍等級達(dá)到F200，經(jīng)NaCl溶液、Na2SO4溶液、NaCl和Na2SO4混合溶液凍融循環(huán)破壞的混凝土試件抗凍等級達(dá)到F100。

7 結(jié) 語

高寒地區(qū)水電站混凝土抗凍性試驗研究基礎(chǔ)上，筆者結(jié)合當(dāng)?shù)厮せ炷量赡芙?jīng)受的干濕循環(huán)、碳化、化學(xué)侵蝕等耐久性問題，開展多因素作用下高寒地區(qū)水電站混凝土耐久性的研究。

(1)凍融循環(huán)和干濕循環(huán)的循環(huán)疊加作用對混凝土性能的影響不是二種因素之間的簡單疊加，而是會產(chǎn)生放大效應(yīng)。

(2)無論是先碳化后凍融還是先凍融后碳化，其碳化深度總體來說都隨著水膠比的增加而增大。混凝土碳化深度隨粉煤灰摻量的增加而增大。先凍融后碳化的混凝土碳化深度遠(yuǎn)大于先碳化后凍融的。碳化可以在一定程度上改善混凝土試件的抗凍性，在合理的碳化時間范圍內(nèi)，碳化時間越長，抗凍能力會增強，但最終會降低混凝土的長期抗凍性。

(3)盡管混凝土試件經(jīng)受多次凍融循環(huán)后，外觀、質(zhì)量以及相對動彈模變化不大，但強度劣化十分嚴(yán)重，建議采用性能損耗率或降低率等指標(biāo)來表征混凝土的凍融耐久性。經(jīng)水溶液凍融循環(huán)破壞的混凝土試件抗凍等級達(dá)到F200，經(jīng)NaCl溶液、Na2SO4溶液、NaCl和Na2SO4混合溶液凍融循環(huán)破壞的混凝土試件抗凍等級達(dá)到F100。