胡少偉，韋 華，范 冰

(1.南京水利科學(xué)研究院， 江蘇 南京 210024;2.水利部水工新材料工程技術(shù)研究中心， 江蘇 南京 210029)

隨著混凝土材料在各類水利工程中的大量投入使用，其服役安全性及耐久性已成為工程界普遍關(guān)心的熱點(diǎn)問題。旱區(qū)寒區(qū)水利混凝土結(jié)構(gòu)，在嚴(yán)酷的、容易引發(fā)混凝土耐久性問題的環(huán)境之中服役，如氯離子侵蝕、硫酸鹽腐蝕等；另外，由于混凝土材料本身的特性，結(jié)構(gòu)內(nèi)部不可避免的存在裂縫或者孔隙，外部環(huán)境侵蝕介質(zhì)可借助裂縫通道實(shí)現(xiàn)再對混凝土材料侵蝕，如硫酸鹽侵蝕、酸雨侵蝕、氯離子銹蝕等[1]；同時(shí)，混凝土材料還具有明顯的干縮濕脹特性，外部的嚴(yán)酷環(huán)境作用易導(dǎo)致混凝土材料形成由表及里的損傷，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生裂紋或者裂縫，例如高低溫環(huán)境，凍融等，這些復(fù)雜的環(huán)境腐蝕作用具有普遍性、隱蔽性、漸進(jìn)性和突發(fā)性的特點(diǎn)，會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的安全性、適用性、耐久性降低，最終引起結(jié)構(gòu)失效。隨著工程結(jié)構(gòu)安全問題的日益突出，這些耐久性的問題已成為混凝土的研究熱點(diǎn)問題，受到了越來越多的關(guān)注。我國2008年編著了《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》[2](GB/T 50476—2008)、日本土木學(xué)會混凝土規(guī)范《混凝土標(biāo)準(zhǔn)示方書》[3]以及歐洲的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[4](CEB-FIP: Model Code 2010)均將混凝土材料耐久性考慮到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之中。

本文以旱區(qū)寒區(qū)環(huán)境作用下混凝土材料與斷裂性能為主線，對該領(lǐng)域國內(nèi)外研究進(jìn)展和作者近年來的研究成果進(jìn)行回顧與分析，提出了該領(lǐng)域目前存在的不足及尚需深入研究的問題，明確未來研究方向，為我國旱區(qū)寒區(qū)水工建設(shè)的發(fā)展提供參考。

1 旱區(qū)寒區(qū)水工混凝土腐蝕與斷裂特性

旱區(qū)寒區(qū)水工建筑物多使用混凝土為主要建筑材料，因我國旱區(qū)寒區(qū)氣候與地理環(huán)境的特殊性，使得混凝土在不同服役階段主要的破壞因素與破壞特征差異較大，現(xiàn)從不同的服役階段分析旱區(qū)寒區(qū)水工混凝土主要破壞形式及破壞原因,并對酸腐蝕條件下混凝土的斷裂特性進(jìn)行了分析。

1.1 開裂破壞

旱區(qū)寒區(qū)氣候干旱少雨，年平均氣溫較低，日溫差較大。如我國新疆、甘肅部分地區(qū)年平均降水量僅為150 mm左右，年平均氣溫在10℃以下，1月平均氣溫可達(dá)-20℃以下，日溫差可達(dá)10℃～30℃[5]。此外，旱區(qū)寒區(qū)的紫外線照射強(qiáng)烈，風(fēng)速較大，混凝土中水分蒸發(fā)較快，這些氣候因素極大地加劇了混凝土的溫度收縮、干燥收縮、碳化收縮，導(dǎo)致混凝土表面易開裂[6]，進(jìn)而促發(fā)深層次開裂。除了氣候因素外，旱區(qū)寒區(qū)水工混凝土往往使用水化熱較高的水泥、且用量較大，混凝土因水化放熱產(chǎn)生的溫度裂縫也十分明顯。因此，旱區(qū)寒區(qū)水工混凝土早期的主要破壞形式為混凝土開裂破壞。

1.2 開裂破壞機(jī)理

旱區(qū)寒區(qū)水工混凝土往往因氣候的急劇變化引起各種各樣的收縮變形，當(dāng)這些收縮變形受到約束后，會產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力引起混凝土開裂，旱區(qū)寒區(qū)環(huán)境下的收縮變形種類主要有干燥收縮、溫度變形、碳化收縮。

旱區(qū)寒區(qū)氣候干旱少雨，混凝土毛細(xì)孔水分極易蒸發(fā)，使得毛細(xì)孔中形成負(fù)壓，隨著空氣濕度的降低負(fù)壓逐漸增大，產(chǎn)生收縮力，引起混凝土表面干縮[7]。由于旱區(qū)寒區(qū)的晝夜溫差較大，混凝土極易受到溫度變化的影響產(chǎn)生熱脹冷縮的現(xiàn)象。此外，混凝土的導(dǎo)熱能力很低，水工大體積混凝土在水化放熱階段內(nèi)部溫度較高，外部溫度較低，其表面極易受到內(nèi)部熱膨脹作用處于受拉狀態(tài)，引起混凝土表面開裂[8]。此外，在冬季施工時(shí)，旱區(qū)寒區(qū)環(huán)境下早齡期混凝土往往需要火爐進(jìn)行加熱保溫，產(chǎn)生的CO2會與硬化水泥漿體中的水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生碳酸鈣、硅膠、鋁膠和游離水等，引起碳化收縮，導(dǎo)致混凝土表面開裂[9]。

為了提高水工材料的抗裂性能，現(xiàn)階段可從嚴(yán)格控制原材料的質(zhì)量、科學(xué)設(shè)計(jì)混凝土的配合比、加強(qiáng)施工質(zhì)量控制及管理、合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)四個(gè)方面進(jìn)行改善。同時(shí)也可選擇合適的修補(bǔ)材料，對已開裂的水工材料進(jìn)行修補(bǔ)，延長水工建筑物的使用壽命。

1.3 鹽堿環(huán)境腐蝕破壞

旱區(qū)寒區(qū)的土壤環(huán)境為典型的鹽堿環(huán)境，其環(huán)境中含有大量的氯鹽、硫酸鹽、鎂鹽等腐蝕性介質(zhì)，在水工混凝土開裂后，腐蝕介質(zhì)極易通過混凝土裂縫進(jìn)入混凝土內(nèi)部，對混凝土造成腐蝕，簡要分析這幾種腐蝕介質(zhì)對水工混凝土的腐蝕機(jī)理。

1.3.1 氯鹽侵蝕

對于旱區(qū)寒區(qū)環(huán)境下的混凝土，氯鹽侵蝕主要在于氯離子引起的鋼筋銹蝕?；炷羶?nèi)部的堿性環(huán)境使得鋼筋表面形成一層致密的鈍化膜，可以有效保護(hù)鋼筋免受腐蝕。當(dāng)氯離子侵入到鋼筋表面，會降低鋼筋表面的pH，破壞鋼筋表面鈍化膜，使鋼筋暴露于腐蝕環(huán)境中，引起鋼筋銹蝕，相關(guān)反應(yīng)如式(1)所示。

Fe2++ 2H2O + 2Cl-→ Fe(OH)2+ 2HCl

(1)

此外，旱區(qū)寒區(qū)環(huán)境下溫、濕度變化較大，氯鹽侵蝕后會產(chǎn)生嚴(yán)重結(jié)晶破壞，引起混凝土開裂。氯鹽也會與混凝土內(nèi)CH的反應(yīng)，生成CaCl2·Ca(OH)2·H2O復(fù)鹽，在混凝土表層膨脹，引起表面剝離，相關(guān)反應(yīng)如式(2)、式(3)所示[10]：

2Cl-+ Ca(OH)2→ CaCl2+ 2NaOH

(2)

Ca(OH)2+ CaCl2+nH2O → CaCl2·Ca(OH)2·nH2O

(3)

在我國西北地區(qū)，冬季低溫環(huán)境下氯鹽還會與凍融破壞疊加引起更加嚴(yán)重的鹽凍破壞?；炷潦茺}凍破壞后，其表面剝蝕開裂，氯離子將沿裂縫滲透到混凝土內(nèi)部，加速鋼筋銹蝕，引起混凝土銹脹開裂。

1.3.2 硫酸鹽腐蝕

旱區(qū)寒區(qū)環(huán)境中含有大量的硫酸鹽，我國西部地區(qū)土壤中SO42-濃度常常在10 000 mg/L以上，有的甚至高達(dá)20 000 mg/L。此環(huán)境中的SO42-會對混凝土造成嚴(yán)重的腐蝕。硫酸鹽對混凝土的腐蝕機(jī)理主要在于SO42-會與水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)生成石膏和鈣礬石，引起混凝土膨脹開裂，相關(guān)反應(yīng)如式(4)、式(5)[11]所示。

Ca(OH)2+ SO42-+ 2H2O → CaSO4·2H2O + 2OH-

(4)

CaO·Al2O3·13H2O + 3(CaSO4·2H2O) + 2H2O→

3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O + Ca(OH)2

(5)

此外，在旱區(qū)寒區(qū)環(huán)境下，侵入到混凝土內(nèi)部的硫酸鹽容易在干濕循環(huán)的影響下發(fā)生結(jié)晶膨脹，也會引起混凝土開裂?；炷灵_裂后，硫酸鹽及其他侵蝕物質(zhì)將迅速進(jìn)入到混凝土內(nèi)部，加劇混凝土的破壞。

1.3.3 鎂鹽腐蝕

除了氯鹽、硫酸鹽外，旱區(qū)寒區(qū)環(huán)境中還存在大量的鎂鹽。鎂鹽對混凝土的腐蝕機(jī)理主要在于Mg2+與水化產(chǎn)物Ca(OH)2反應(yīng)生成Mg(OH)2沉淀，消耗了Ca(OH)2，破壞C-S-H水化產(chǎn)物的水穩(wěn)定性，促使了膠凝材料的解體。不僅如此，鎂鹽腐蝕還會與硫酸鹽腐蝕相互疊加，構(gòu)成嚴(yán)重的復(fù)合腐蝕，生成的腐蝕產(chǎn)物主要有水鎂石、鈣礬石、石膏及水化硅酸鎂等，主要反應(yīng)如式(6)、式(7)[12]所示。

MgSO4+ Ca(OH)2+ 2H2O → Mg(OH)2+ CaSO4·2H2O

(6)

MgSO4+ CaO·SiO2·H2O → MgO·SiO2·H2O + CaSO4

(7)

上述反應(yīng)生成的Mg(OH)2、MgO·SiO2·H2O均無黏聚力，在流動(dòng)水作用下易于溶出，增大了混凝土孔隙率。鎂鹽與硫酸鹽的復(fù)合腐蝕將使混凝土內(nèi)部產(chǎn)物變得酥松，表面漿體脫落嚴(yán)重，整體力學(xué)性能大幅下降。

1.4 酸腐蝕對混凝土斷裂性能影響

旱區(qū)寒區(qū)水工混凝土在長期運(yùn)行過程中受到腐蝕介質(zhì)侵蝕，對于旱區(qū)寒區(qū)的水工結(jié)構(gòu)，可能會引起拱壩壩肩、巖質(zhì)邊坡變形失穩(wěn)乃至破壞；壩基基巖在酸性溶液的長期作用下，其中某些化學(xué)成分的腐蝕遷移，會使壩基有泥化的危險(xiǎn)；城市的工業(yè)廢水和生活污水的隨意排放所造成的地下水或者土壤環(huán)境的酸性化污染，極易導(dǎo)致作為重要工程的混凝土材料的物理化學(xué)力學(xué)性質(zhì)發(fā)生退化，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體的破壞[13]。

目前，有關(guān)酸腐蝕作用下混凝土損傷機(jī)理和損傷評價(jià)的研究已相繼開展。Reis[14]采用三點(diǎn)彎曲梁的形式，研究了環(huán)氧聚合物混凝土試件浸泡于pH值變化范圍從1.2～12.8的7種不同溶液中，得到的結(jié)果表明：受到酸性腐蝕作用的混凝土斷裂參數(shù)以及彈性模量衰減明顯。Wang同樣采用三點(diǎn)彎曲梁的形式，研究硝酸浸泡后鈣元素流出對混凝土斷裂性能的影響，得到混凝土斷裂性能隨著硝酸腐蝕時(shí)間的退化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，失穩(wěn)韌度和起裂韌度在酸性條件侵蝕60 d左右呈現(xiàn)出逐步降低的變化趨勢。另外起裂韌度變化沒有失穩(wěn)韌度變化的敏感[15]。

其他一些學(xué)者主要是側(cè)重于酸性腐蝕環(huán)境對混凝土材料抗壓強(qiáng)度，彈性模量等性能衰減的研究。Okochi等[16]分別在實(shí)驗(yàn)室以及室外條件下研究酸沉積引起的混凝土結(jié)構(gòu)性能退化。Xie等[17]討論了酸雨對混凝土、砂漿和灰磚的侵蝕機(jī)理，表明了腐蝕行為是氫離子和硫酸根離子共同侵蝕作用的結(jié)果。周定等[18]采用了酸浸泡混凝土試樣的方式進(jìn)行酸雨腐蝕實(shí)驗(yàn)。胡曉波[19]采用以噴淋光照循環(huán)方式，研究了pH值、離子濃度、噴淋雨量、溫度與溫差、干濕交替等參數(shù)對混凝土材料的侵蝕的影響，提出了耐酸雨侵蝕的混凝土壽命評價(jià)方法。Zhang等[20]通過在實(shí)驗(yàn)室配制了硫酸硝酸混合溶液來模擬酸雨環(huán)境，采用加速腐蝕的方式開展酸雨對混凝土力學(xué)性能劣化規(guī)律的研究，包括軸心抗壓強(qiáng)度[21]、彈性模量[22]、抗拉強(qiáng)度等[23]，并建立了酸雨環(huán)境中混凝土力學(xué)性能的退化分析模型。綜上所述，酸腐蝕對混凝土斷裂性能影響的研究還是相對較少。

為深入研究酸腐蝕作用對混凝土斷裂性能的影響，Hu等[24]設(shè)計(jì)制作了6組24根標(biāo)準(zhǔn)混凝土三點(diǎn)彎曲梁試件，將試件放置于pH=1的硫酸溶液中分別浸泡3、6、9、12、15個(gè)月，以完全浸泡的方式，完成酸介質(zhì)對混凝土材料的劣化腐蝕。為保證試驗(yàn)過程中，酸溶液對試件的持續(xù)腐蝕作用的均勻性，采用耐腐蝕的自吸泵實(shí)現(xiàn)測試環(huán)境箱內(nèi)溶液的循環(huán)，如圖1(b)所示；同時(shí)，在試驗(yàn)過程中，以pH計(jì)來監(jiān)控溶液的酸度，通過增加高濃度的硫酸溶液實(shí)現(xiàn)測試箱內(nèi)溶液pH值的穩(wěn)定，具體的試件制備過程如圖1(a)所示。

圖1酸腐蝕作用下混凝土三點(diǎn)彎曲梁的試件制備

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)浸泡于硫酸溶液時(shí)，主導(dǎo)作用為化學(xué)反應(yīng)，腐蝕的時(shí)間為3個(gè)月時(shí)，起裂荷載僅降低了2.75%，隨著腐蝕時(shí)間的進(jìn)一步增加，酸堿中和反應(yīng)的化學(xué)產(chǎn)物不斷溶解在腐蝕溶液中，從腐蝕6個(gè)月開始，試件表面的砂漿開始逐漸脫落，起裂荷載出現(xiàn)明顯下降，見圖2。與起裂荷載不用，失穩(wěn)荷載隨著腐蝕時(shí)間的增加呈現(xiàn)出近似線性折減的變化曲線。起裂、失穩(wěn)韌度隨酸劣化時(shí)間呈現(xiàn)與荷載相似的衰減趨勢，如圖3所示。

圖2 荷載與酸劣化時(shí)間的關(guān)系

圖3韌度與酸劣化時(shí)間的關(guān)系

2 旱區(qū)寒區(qū)水工混凝土凍融與斷裂特性

旱區(qū)寒區(qū)水工混凝土在服役過程中往往處于正負(fù)溫交替的暴露環(huán)境，其表面經(jīng)常與水接觸，易受到凍融破壞的影響，產(chǎn)生嚴(yán)重的剝蝕破壞。旱區(qū)寒區(qū)的土壤環(huán)境中還含有大量的氯鹽、硫酸鹽、鎂鹽等腐蝕性介質(zhì)，混凝土在服役過程中將遭受到上述腐蝕介質(zhì)的腐蝕，進(jìn)而引起力學(xué)性能、耐久性能退化，降低水工建筑物的使用壽命。因此旱區(qū)寒區(qū)水工混凝土服役過程的破壞形式主要是多因素耦合條件下的凍融破壞。本節(jié)闡述了凍融循環(huán)及雜散電流對混凝土的破壞機(jī)理，并對低溫、凍融循環(huán)條件下混凝土的斷裂特性進(jìn)行了分析。

2.1 凍融破壞機(jī)理

旱區(qū)寒區(qū)環(huán)境下的氣溫較低，水工混凝土受到凍融破壞的影響，產(chǎn)生凍脹開裂?；炷羶鋈谄茐牡臋C(jī)理眾多，主要有靜水壓理論[25]、滲透壓理論[26]、臨界飽水程度理論[27]等。以靜水壓理論為例，當(dāng)氣溫低于零度時(shí)，混凝土孔隙內(nèi)的自由水結(jié)冰，體積膨脹約9%，它將迫使未凍水向外遷移產(chǎn)生靜水壓力，其過程如圖4所示。當(dāng)該壓力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土將開裂破壞。

圖4靜水壓理論

此外，由于旱區(qū)寒區(qū)環(huán)境中的鹽分較大，鹽分的侵入將增加混凝土飽水程度和飽水時(shí)間，將產(chǎn)生更加嚴(yán)重的鹽凍破壞，剝蝕混凝土表面[28]。

為了提高旱區(qū)寒區(qū)混凝土的抗凍性能，現(xiàn)階段主要通過添加引氣劑的措施改善混凝土的抗凍性。在混凝土中添加引氣劑，可以引入大量均勻分布、穩(wěn)定而封閉的微小氣泡，這些氣泡可以消減凍融循環(huán)過程中的各種變形和應(yīng)力，提高混凝土的抗凍性能[29]。除了添加引氣劑外，還可以通過選用抗凍性能強(qiáng)的水泥、配置防凍融鋼筋、添加減水劑等方式加強(qiáng)混凝土的抗凍性能。

2.2 雜散電流對寒冷地區(qū)混凝土的破壞

在我國旱區(qū)寒區(qū)修建了大量的水電站工程，上述工程在服役過程中均產(chǎn)生電流，由此產(chǎn)生的雜散電流會與凍融相結(jié)合，對混凝土產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞作用。雜散電流與凍融耦合對混凝土的影響機(jī)理主要在于以下三個(gè)方面。

2.2.1 加速鋼筋銹蝕

雜散電流對混凝土中鋼筋的腐蝕本質(zhì)上為電化學(xué)腐蝕，具有陽極反應(yīng)過程和陰極反應(yīng)過程[14]。在陽極，鐵原子被氧化形成離子進(jìn)人電解質(zhì)，同時(shí)釋放電子，一般反應(yīng)如下：

2Fe → 2Fe2++ 4e-

(8)

在陰極，因周圍環(huán)境的差異可分為兩種情況。一種為氧氣充足時(shí)，陰極區(qū)發(fā)生如下反應(yīng)：

O2+ 2H2O + 4e-→ 4OH-

(9)

另一種為缺氧或酸性環(huán)境時(shí)，陰極區(qū)發(fā)生如下反應(yīng)，有氫氣產(chǎn)生：

4H2O + 4e-→ 2OH-+ H2↑

(10)

相比于自然腐蝕，雜散電流作用下鋼筋的腐蝕質(zhì)量更大，鋼筋銹蝕的速度更快。此外，雜散電流對鋼筋的腐蝕往往集中于某些局部位置，如保護(hù)層的缺陷部位，這些部位的鋼筋將很快銹斷。

2.2.2 引起水泥水化產(chǎn)物分解

雜散電流作用下，混凝土孔溶液中的離子會隨電場作用向外遷移，引起水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2、C-S-H凝膠發(fā)生分解，如式(11)、式(12)所示，導(dǎo)致混凝土孔隙率增大，力學(xué)性能降低，耐久性能退化[30]。

Ca(OH)2→ Ca2++ 2OH-

(11)

3CaO·2SiO2·3H2O → 3Ca2++ 6OH-+ 2SiO2

(12)

Ca(OH)2與C-S-H凝膠中的Ca2+會隨電場作用向混凝土外部的陰極遷移，而OH-則會向陽極方向移動(dòng)，電場作用下不同離子向外遷移的過程如圖5所示。

2.2.3 加速氯離子對混凝土侵蝕

雜散電流作用時(shí)，侵入混凝土中的氯離子會在電場力作用下加速向混凝土內(nèi)部遷移，促使鋼筋表面氯離子濃度提前達(dá)到鋼筋銹蝕的臨界氯離子濃度，增大鋼筋的銹蝕速率[31]。雜散電流作用在混凝土內(nèi)部形成的電場如圖6所示，混凝土外側(cè)的土壤或者埋地的金屬管線可以看成是平板電極。

圖5 電場作用下離子遷移

圖6雜散電流作用形成的電場

在寒冷地區(qū)，氯離子的快速遷移同時(shí)也會增大鹽凍對混凝土的破壞作用，引起混凝土表面剝蝕開裂。南京水科院陳迅捷等[32]研究了鹽凍環(huán)境中雜散電流對鋼筋混凝土腐蝕的影響，研究結(jié)果表明，在雜散電流-鹽凍環(huán)境下，混凝土的主要破壞形式為混凝土疏松破壞，雜散電流的存在加劇了混凝土在鹽溶液中的凍融破壞。

2.3 寒冷地區(qū)環(huán)境下混凝土斷裂性能研究

旱區(qū)寒區(qū)的水工建筑物長期受凍融循環(huán)破壞，其力學(xué)性能必然會受到影響。而混凝土是一種多相組成的準(zhǔn)脆性材料，在其結(jié)構(gòu)的表面或者內(nèi)部，空隙、微裂紋等缺陷的存在是不可避免的，而且在結(jié)構(gòu)工作過程中這些缺陷可能還會繼續(xù)擴(kuò)展，發(fā)展成為深度裂縫甚至是貫穿裂縫，最終對結(jié)構(gòu)耐久性帶來損失，導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)提前失穩(wěn)破壞。因此，研究低溫、凍融環(huán)境下混凝土斷裂性能對于確保寒區(qū)水工建筑物安全運(yùn)行具有著重要意義。

2.3.1 低溫環(huán)境下混凝土斷裂性能研究

早在20世紀(jì)七八十年代，國外學(xué)者針對低溫環(huán)境下混凝土力學(xué)性能進(jìn)行了大量的研究。研究顯示混凝土抗壓強(qiáng)度隨含水率增加和溫度降低而升高，但增加量幾乎與其室溫時(shí)強(qiáng)度無關(guān)。例如，Yamane等[33]將混凝土試件按不同的含水率分為：潮濕組和干燥組。研究結(jié)果表明潮濕組試件的抗壓強(qiáng)度在降溫的初期迅速增加，而對于干燥組試件，在20℃～-30℃范圍內(nèi)，抗壓強(qiáng)度保持不變，而隨著溫度的進(jìn)一步降低，抗壓強(qiáng)度明顯增加。近年來，我國學(xué)者也開展了低溫下混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究，時(shí)旭東等[34]對干燥型混凝土進(jìn)行低溫受壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究，研究表明混凝土的低溫受壓強(qiáng)度經(jīng)歷損傷階段、快速增長階段和平穩(wěn)波動(dòng)階段，相應(yīng)的溫度區(qū)間分別為20℃～-20℃、-20℃～-100℃和-100℃～-196℃。王傳星等[35]提出了低溫下混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度隨著溫度的降低而提高，且隨溫度變化曲線基本呈線性關(guān)系，低溫條件下不同尺寸混凝土試件立方體抗壓強(qiáng)度之間仍然存在尺寸效應(yīng)，但尺寸效應(yīng)隨著溫度的不斷降低而逐漸減弱。

相比力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，低溫環(huán)境下混凝土斷裂性能的研究目前相對較少。Planas等[36]和Maturana等[37]通過三點(diǎn)彎斷裂實(shí)驗(yàn)得到了混凝土的斷裂能和特征長度隨著溫度的降低而增加，隨后，Ohlsson等[38]也通過三點(diǎn)彎斷裂實(shí)驗(yàn)對低溫下混凝土斷裂能進(jìn)行了研究，并得到了類似的增長趨勢。

為了更進(jìn)一步研究混凝土低溫?cái)嗔研阅?，Hu等[39]研發(fā)了一套低溫環(huán)境加載系統(tǒng)，該測試系統(tǒng)包括一個(gè)機(jī)電伺服萬能試驗(yàn)壓力機(jī)、兩個(gè)低溫環(huán)境箱和溫度傳感器等，如圖7所示?；谠撛O(shè)備，制作了32根三點(diǎn)彎曲梁，根據(jù)不同的齡期將試件分為兩組(28 d和120 d)，研究了混凝土試件在20℃、0℃、-20℃和-40℃溫度下的斷裂性能[39]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，低溫對混凝土的斷裂性能影響很大，不同齡期的試件呈現(xiàn)出不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖8描述了起裂、失穩(wěn)斷裂韌度隨溫度的變化趨勢，對于28 d齡期混凝土，隨著溫度的降低起裂、失穩(wěn)韌度都呈單調(diào)增長的趨勢，試件強(qiáng)度明顯增強(qiáng)；而對于120 d齡期混凝土，隨著溫度的降低起裂韌度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，并在-20℃達(dá)到最小值，失穩(wěn)韌度隨溫度的降低單調(diào)增長。

圖7低溫?cái)嗔褱y試系統(tǒng)

圖8韌度隨溫度的變化趨勢

混凝土斷裂全過程是定量研究其破壞過程的有效方法，是預(yù)測其裂縫發(fā)展的重要手段，而裂縫擴(kuò)展阻力Kr曲線模型是目前較為流行的，定量解釋混凝土破壞過程中應(yīng)力強(qiáng)度因子變化規(guī)律的方法。Hu等[40]基于實(shí)測的P-CMOD曲線計(jì)算了低溫下混凝土的裂縫擴(kuò)展阻力曲線，如圖9所示。結(jié)果表明28 d和120 d的Kr曲線均隨溫度的降低而升高，但曲線的起點(diǎn)不同。對于28 d齡期混凝土，Kr曲線的起始點(diǎn)隨著溫度的降低而顯著增加，而對于120 d齡期混凝土，Kr曲線的起始點(diǎn)隨著溫度的降低而輕微減小，且0℃和-20℃時(shí)的Kr曲線幾乎一致。通過該方法可觀測每一加載時(shí)刻的裂縫擴(kuò)展阻力變化情況，定量解釋在低溫環(huán)境下混凝土斷裂全過程中的變化規(guī)律，是評估結(jié)構(gòu)的損傷破壞的有力依據(jù)。

數(shù)字圖像相關(guān)方法(DIC)是20世紀(jì)80年代由Yamaguchi[41]和美國South Carolina大學(xué)的Peters等[42]、Chu等[43]同時(shí)獨(dú)立提出的一種新型光測力學(xué)方法。該方法通過對物體表面散斑圖像的灰度進(jìn)行分析，最終獲得物體的運(yùn)動(dòng)和變形物理描述的測量方法。2011年，Wu等[44]提出了將DIC方法用于混凝土斷裂，并對不同跨度三點(diǎn)彎曲梁的斷裂過程區(qū)長度進(jìn)行了分析。隨后，Dong等[45-47]通過DIC方法對巖石-混凝土交界面及長期荷載條件下混凝土的斷裂過程區(qū)長度進(jìn)行了研究，計(jì)算結(jié)果證明了DIC技術(shù)測量混凝土裂縫擴(kuò)展的有效性。為了研究低溫下混凝土的斷裂過程區(qū)長度變化情況，將低溫環(huán)境加載系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的設(shè)備可利用DIC采集系統(tǒng)通過試驗(yàn)機(jī)的觀測窗獲取試件表面的位移場、應(yīng)變場，如圖10所示。通過DIC方法確定的FPZ擴(kuò)展路徑與試驗(yàn)最終測得試件的破壞路徑進(jìn)行對比，驗(yàn)證了改裝后的設(shè)備在測量低溫混凝土結(jié)構(gòu)的斷裂過程中FPZ擴(kuò)展路徑的準(zhǔn)確性，這為真實(shí)環(huán)境下混凝土斷裂試驗(yàn)設(shè)備提供了一種新的非接觸式采集手段，解決了傳統(tǒng)采集方法(夾式引伸計(jì)、應(yīng)變片等)在低溫環(huán)境下無法正常使用的技術(shù)難題。

圖9 裂縫擴(kuò)展阻力曲線隨溫度的變化趨勢

圖10DIC方法觀測低溫下裂縫擴(kuò)展

2.3.2 鹽凍融環(huán)境下混凝土斷裂性能研究

在寒冷地區(qū)，冬季積雪經(jīng)常會誘發(fā)交通事故，對道路交通安全帶來不可估量的影響。含氯鹽成分的融雪劑由于其成本低、易獲取的特點(diǎn)，被大量國家廣泛用于道路除冰除雪。含氯鹽融雪劑的融雪機(jī)理為降低積雪的冰點(diǎn)使其融化以便清除，這樣一來在達(dá)到除雪目的的同時(shí)也會帶來巨大的負(fù)面影響，氯鹽溶于水且易與鐵等金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成橋梁內(nèi)鋼筋銹蝕、混凝土凍融破壞、地下水污染等問題。在混凝土受凍融破壞時(shí)，氯鹽的存在不僅加劇了混凝土的破壞水平，而且使混凝土的破壞提早發(fā)生。因此，研究混凝土在真實(shí)環(huán)境下鹽凍融損傷后的斷裂過程，對比分析水凍融與鹽凍融環(huán)境對混凝土斷裂性能影響的異同，為已有的水凍融下混凝土斷裂力學(xué)性能的研究提供更接近于真實(shí)環(huán)境的修正，得到混凝土自然環(huán)境下的凍融破壞規(guī)律，將為后續(xù)混凝土抗凍融破壞研究提供有力的依據(jù)，對真實(shí)環(huán)境下混凝土斷裂性能研究與服役能力評定具有重要的意義。

為研究真實(shí)鹽凍融環(huán)境對混凝土斷裂性能的影響，胡少偉等[48]設(shè)5組15根三點(diǎn)彎曲混凝土梁，試件長度為500 mm，試件截面寬度100 mm，截面高度100 mm，初始設(shè)計(jì)縫高比為0.4，對應(yīng)的初始裂縫長為40 mm。凍融循環(huán)次數(shù)分別為0次、5次、10次、15次和20次。此外設(shè)計(jì)了3根水凍融下三點(diǎn)彎曲混凝土梁，凍融循環(huán)次數(shù)為10次，用于與鹽凍融結(jié)果進(jìn)行對比。凍融一次循環(huán)周期為48 h，冷凍時(shí)試驗(yàn)箱內(nèi)溫度維持在-30℃，循環(huán)10個(gè)周期。降溫過程在低溫試驗(yàn)箱中完成，升溫過程在試驗(yàn)室室溫環(huán)境下進(jìn)行。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)循環(huán)次數(shù)為5次時(shí)，混凝土試件的起裂荷載和失穩(wěn)荷載相比于非凍融試件都有一定程度的提高，原因?yàn)檠h(huán)次數(shù)較低時(shí)，混凝土內(nèi)孔隙還未發(fā)生明顯破壞，而鹽結(jié)晶充實(shí)了混凝土內(nèi)缺陷與孔隙，導(dǎo)致試件斷裂性能有所提高。隨著循環(huán)次數(shù)的增大，起裂荷載和失穩(wěn)荷載出現(xiàn)較大幅度的明顯衰減，且起裂荷載與失穩(wěn)荷載數(shù)值逐漸接近，見圖11。起裂、失穩(wěn)韌度均隨著鹽凍融次數(shù)的增加呈現(xiàn)與荷載相似的變化趨勢，如圖12所示。此外發(fā)現(xiàn)，鹽凍融對混凝土造成的損傷較水凍融更為顯著。

圖11 荷載與鹽凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

圖12韌度與鹽凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

3 提高旱區(qū)寒區(qū)水工混凝土耐久性措施及方法

旱區(qū)寒區(qū)環(huán)境中水工混凝土比內(nèi)陸地區(qū)更容易破壞，工程人員研究了多種方法來提高混凝土的耐久性，首先應(yīng)嚴(yán)格控制原材料質(zhì)量，如原材料應(yīng)盡量采用早期水化熱低的水泥，避免水化熱過大引起的溫度裂縫。此外，還應(yīng)盡量選擇線膨脹系數(shù)較小的粗骨料，并避免使用含泥量大的細(xì)砂，降低因骨料引起的收縮變形。

除此之外，在保證混凝土早期強(qiáng)度的前提下，可以通過摻加礦物摻合料來替代水泥，來改善混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，使用的礦物摻合料有粉煤灰、礦粉、硅粉等。如秦子鵬等[49]的研究結(jié)果表明，當(dāng)水膠比在0.35，粉煤灰摻量在50%時(shí)，混凝土的力學(xué)性能、抗凍融性能和抗?jié)B性能均較突出，能夠較好地滿足西北寒旱區(qū)水利工程建設(shè)的要求。同時(shí)也可以向混凝土中添加引氣劑、減水劑等外加劑來提高混凝土的抗凍性能和抗侵蝕性能。如曹四偉等[50]通過向混凝土中加入引氣劑、減水劑和粉煤灰，研制了適用于西北寒冷地區(qū)水工高抗凍性混凝土，能滿足C30F300高抗凍混凝土的要求。還可以考慮在混凝土中摻用纖維材料，抑制混凝土裂縫的發(fā)展，可采用的纖維有聚合物纖維、鋼纖維、碳纖維、玻璃纖維等。如趙慶等[51]以柳樹溝面板壩為研究背景，向面板混凝土中摻入羅賽植物纖維和鋼纖維的方法提高抗裂性能，研究結(jié)果表明，在旱區(qū)寒區(qū)環(huán)境下鋼纖維以及羅賽植物纖維可以明顯提高凝土初裂強(qiáng)度和斷裂韌性。

施工過程中，應(yīng)采用先進(jìn)的施工方法控制混凝土的塑性開裂。養(yǎng)護(hù)過程中，應(yīng)避免風(fēng)吹及太陽直射，做好保濕、保溫措施。當(dāng)環(huán)境溫度過低時(shí)也可采用蒸汽、火爐等加熱措施進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。如周立霞[52]從摻合料、集料、養(yǎng)護(hù)技術(shù)的三個(gè)方面優(yōu)化了西北戈壁地區(qū)高性能混凝土耐久性，研究結(jié)果表明，選用粉煤灰、礦粉、硅粉復(fù)摻、控制集料破碎面、采用保濕保溫膜包裹養(yǎng)護(hù)等措施可以有效提高混凝土強(qiáng)度、抗?jié)B性和抗裂性能。

4 旱區(qū)寒區(qū)水工混凝土修補(bǔ)材料與修補(bǔ)方法

旱區(qū)寒區(qū)水工混凝土容易開裂和遭受凍融破壞，目前針對旱區(qū)寒區(qū)水工混凝土破壞的修補(bǔ)方法主要有壓力灌漿法和表面覆蓋法，其修補(bǔ)材料分為注漿材料和涂層材料。由于旱區(qū)寒區(qū)環(huán)境的氣溫較低，采用的修補(bǔ)材料應(yīng)具有良好的抗凍性能，且在低溫環(huán)境下使用性能良好。此外，旱區(qū)寒區(qū)環(huán)境中含有大量的腐蝕介質(zhì)，修補(bǔ)材料應(yīng)具有高抗化學(xué)侵蝕性能、高耐久性能、高耐磨性能，并能夠有效改善混凝土表面強(qiáng)度和孔隙結(jié)構(gòu)。

常用的注漿材料有普通環(huán)氧樹脂、水性環(huán)氧樹脂、柔性環(huán)氧樹脂、聚氨醋、聚浮超細(xì)復(fù)合水泥等。葉姣鳳[53]將丁腈橡膠、瀝青、糠醛/丙酮和聚氨酯改性的NH2-nano-SiO2粒子加入到環(huán)氧樹脂中，研制出高性能的環(huán)氧樹脂修補(bǔ)材料，可以有效應(yīng)對高寒高原地區(qū)由于風(fēng)蝕和凍融等因素引起混凝土開裂問題。王子龍[54]開發(fā)了用于混凝土防護(hù)的濕固化型單組份聚氨酯防護(hù)涂層和用于混凝土裂縫修補(bǔ)用的聚氨酯改性環(huán)氧樹脂材料，上述材料可以有效提高旱區(qū)寒區(qū)環(huán)境下混凝土的耐久性能。

常用的涂層材料有環(huán)氧樹脂砂漿、丙乳砂漿、聚脲噴涂彈性體材料、水泥基滲透結(jié)晶型防水材料、EVA樹脂乳液涂料等。修補(bǔ)過程中還應(yīng)根據(jù)水工建筑物的實(shí)際破壞情況及程度，選擇合適的修補(bǔ)材料和方法。張浩[55]采用SPC聚合物砂漿對西藏地區(qū)“八一”水電站的溢流壩混凝土進(jìn)行了修補(bǔ)，修補(bǔ)結(jié)果表明SPC聚合物砂漿具有良好的黏結(jié)性能、防滲性能和耐久性能。樊銳[56]以漢江上游的石泉大壩為修補(bǔ)對象，使用丙乳砂漿和聚脲噴涂相結(jié)合的技術(shù)對壩面混凝土進(jìn)行了修復(fù)，經(jīng)檢測丙乳砂漿抗壓強(qiáng)度達(dá)到M30以上等級、聚脲與基層粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)到4.25 MPa，取得了良好的修復(fù)效果。杜喜龍等[57]采用最新的納米表面處理劑對西北高原某水電站水工混凝土進(jìn)行了維護(hù)，試驗(yàn)研究結(jié)果表明，納米表面處理劑對混凝土表面拉拔強(qiáng)度和回彈強(qiáng)度以及混凝土裂縫修補(bǔ)均有顯著改善效果。

5 小 結(jié)

現(xiàn)階段旱區(qū)寒區(qū)水工混凝土的發(fā)展趨勢主要有以下幾個(gè)方面：

(1) 從水工材料自身出發(fā)，通過原材料優(yōu)選、配合比優(yōu)化、嚴(yán)格的工程質(zhì)理管理等措施提高水工混凝土的早期抗裂性。

(2) 合理選擇與添加外加劑、配合比優(yōu)化、采用先進(jìn)施工技術(shù)提升混凝土抗凍融性能和抗鹽堿腐蝕性能。

(3) 研發(fā)新型修補(bǔ)材料，針對旱區(qū)寒區(qū)水工混凝土破壞特性，對破壞的水工建筑物進(jìn)行維護(hù)和修補(bǔ)。

(4) 通過開展旱區(qū)寒區(qū)環(huán)境下混凝土斷裂實(shí)驗(yàn)，探究斷裂參數(shù)在不同環(huán)境因素作用下的變化規(guī)律，提出切實(shí)可行的結(jié)構(gòu)安全評估方法。

(5) 目前的試驗(yàn)研究只停留在單一環(huán)境荷載因素的影響，因此有必要研發(fā)一套滿足各種真實(shí)環(huán)境的一體化實(shí)驗(yàn)設(shè)備，以期揭示水工混凝土材料在多因素復(fù)合作用下的劣化規(guī)律。