寒區(qū)電站尾水閘墩混凝土凍融破壞分析

劉 勇，林運東

（嫩江尼爾基水利水電有限責任公司，黑龍江齊齊哈爾161000）

1 研究背景

尼爾基水利樞紐為多年調(diào)節(jié)水庫，屬于松遼流域，位于嫩江干流中游段，處于中溫帶季風氣候區(qū)，流域緯度較高，冬季氣候嚴寒，夏季溫濕多雨，年內(nèi)及年際氣溫變化較大。尼爾基多年平均氣溫1.5℃，極端最高氣溫39.5℃，極端最低氣溫-40.4℃，每年有5個月溫度在0℃以下。尼爾基水利樞紐電站廠房2006年投入運行，尾水冬季水位變化區(qū)在181.06～184.40m高程范圍內(nèi)。2010年，發(fā)現(xiàn)廠房尾水閘墩處于水位變化區(qū)部位的混凝土表面，出現(xiàn)不同程度的凍融剝蝕破壞，局部鋼筋裸露，最大凍融剝蝕深度約10cm。

水電站水工混凝土建筑物凍融破壞問題在我國北方嚴寒地區(qū)非常普遍，特別是電站廠房尾水閘墩的水位變化區(qū)部位尤為明顯。因機組啟、停機頻繁，長期處于水位變化區(qū)的混凝土閘墩部位，受自然凍融循環(huán)作用影響會產(chǎn)生嚴重的剝蝕破壞。目前，國內(nèi)外對混凝土抗凍性能的研究，主要集中在對混凝土抗凍指標方面及對混凝土力學性能影響方面，從純物理模型試驗方法出發(fā)，經(jīng)假設(shè)和推導得出相關(guān)結(jié)論，混凝土抗凍效果得到了很大程度的提高，在一定程度上延長了混凝土建筑物壽命，但并未徹底解決混凝土凍融破壞問題。

2 混凝土凍融破壞原因分析

以尼爾基水利樞紐尾水閘墩水位變化區(qū)部位混凝土凍融剝蝕破壞為研究對象，產(chǎn)生破壞的表面原因是設(shè)計上尾水閘墩混凝土標號選用C20W6，無抗凍標號，外加劑采用YQ-3緩凝減水劑，混凝土強度不高，外加劑對混凝土抗凍性的提升也不明顯，所以，在短短4年運行時間后，尾水閘墩處于水位變化區(qū)部位的混凝土，在吸水飽和狀態(tài)下及凍融循環(huán)的環(huán)境中產(chǎn)生凍融破壞是不可避免的。產(chǎn)生破壞的深層原因也就是混凝土凍融破壞的機理，混凝土的凍結(jié)破壞過程復雜，混凝土拌合物的用水量多于水泥水化作用所需量，多余的水在混凝土硬化后，一部分會蒸發(fā)出來，另一部分則以水的形態(tài)留于混凝土中，從而在混凝土中形成了微毛細孔和大毛細管。微毛細孔直徑非常小，處于微毛細孔中的水只有在-78℃以下的環(huán)境中才會凍結(jié)，因此，即便在北方嚴寒地區(qū)，自然條件下，環(huán)境溫度遠達不到-78℃以下，微毛細孔中的水對混凝土抗凍性是沒有影響的。大毛細管直徑一般是微毛細孔直徑的1000倍，由于其直徑大，留存于大毛細管中的水是可以遷移的，環(huán)境水也可以滲入到大毛細管中，在冬季負溫條件下，混凝土中飽和水的凍結(jié)和融化主要是在大毛細管這種孔隙中進行的。

眾所周知，水結(jié)冰時體積膨脹達9%，在凍結(jié)溫度下，大毛細管中孔壁承受壓力一部分來自于結(jié)冰水產(chǎn)生的體積膨脹，另一部分來自于冰與過冷水的飽和蒸汽壓差和過冷水之間的鹽分濃度差，引起的水分遷移而形成的滲透壓力。這兩種壓力會損傷混凝土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，經(jīng)過反復多次的凍融循環(huán)，破壞作用不斷積累，發(fā)展成互相凍融的裂縫，使混凝土的強度逐步降低，由外向里，直至混凝土破壞，其特點是從表層開始向內(nèi)逐層剝落。

由此可見，混凝土發(fā)生凍融破壞的必要條件有兩個，其一是混凝土處于飽和水狀態(tài)下；其二是冬季外界氣溫正負變化，使混凝土孔隙水反復發(fā)生凍融循環(huán)。

3 防治措施

專家學者的研究方向多傾向于如何有效提高混凝土的性能上，對如何提高混凝土的保護措施缺少研究，特別是像尾水閘墩水位變化區(qū)部位，易受凍融循環(huán)破壞影響的混凝土建筑物的表面防護問題，在相關(guān)設(shè)計規(guī)范中未得到足夠的重視。根據(jù)混凝土發(fā)生凍融破壞的必要條件分析，北方嚴寒地區(qū)氣溫低、溫差大的自然氣候條件是無法改變的，行之有效的防治措施主要從兩方面考慮：一是在設(shè)計和施工上，從影響混凝土抗凍性能的主要因素上深入研究，添加混凝土外加劑，提高混凝土強度等級，改善混凝土結(jié)構(gòu)性狀，在施工過程中加強振搗與養(yǎng)護，提高施工質(zhì)量；二是對處于水位變化區(qū)部位的混凝土表面進行保護，使混凝土與環(huán)境水分離，盡可能地使混凝土不處于飽和水狀態(tài)。雙管齊下，才能達到有效避免或降低混凝土遭受凍融破壞的目的。

3.1 提高混凝土抗凍性能

國內(nèi)外專家學者對混凝土抗凍性能開展了大量的研究工作，研究的方向主要集中在對提升混凝土抗凍指標和混凝土力學性能影響等方面。如在國外，從純物理模型出發(fā)，早期開展研究的美國學者T.C.Powers提出的靜水壓理論和滲透壓理論，德國的M.J.Setzer、美國的G.W.Scherer和英國的F.B.resme提出的熱力學理論，前蘇聯(lián)學者從力學概念出發(fā)提出的現(xiàn)象學觀點等。在國內(nèi)，專家學者研究的主要方向是對處于復雜應(yīng)力狀態(tài)的混凝土結(jié)構(gòu)力學性能試驗研究。

添加引氣劑是提高混凝土抗凍性能的一種途徑。引氣劑的最高減水率可達10%以上，加入引氣劑的混凝土，內(nèi)部產(chǎn)生大量封閉微氣孔，改變了混凝土內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)，能夠有效提高混凝土抗凍性；添加礦物摻合料如硅灰、礦渣、粉煤灰等，可以有效提高混凝土密實度，減少孔的數(shù)量，從而提高混凝土抗凍性；使用相變材料、表面有機涂劑、纖維增強材料或者在較易出現(xiàn)裂縫的部位加大配筋量等措施，也可以改善混凝土抗凍性；在施工過程中，控制好坍落度，加強混凝土振搗和養(yǎng)護，設(shè)防水層，及時排除積水等，都能有效提高混凝土的施工質(zhì)量。

3.2 混凝土表面防護

尼爾基水利樞紐尾水閘墩水位變化區(qū)部位，混凝土凍融剝蝕破壞在2014年進行了維修處理，主要施工工藝是閘墩混凝土鑿毛、預縮砂漿填筑、閘墩表面鉆孔錨栓、外表面安裝10mm厚焊接鋼板、接觸灌漿、鋼板表面聚脲噴涂。采取這種修復措施的主要目的是利用鋼板與聚脲材料的保護，使混凝土閘墩表面與廠房尾水隔離，盡可能地使混凝土不處于飽和水狀態(tài)，有效地避免了混凝土凍融破壞的再發(fā)生，同時聚脲材料又能夠保證鋼板不被環(huán)境水銹蝕破壞，整體上延長了修繕周期。

另外，對于形狀奇異、部位分散的水工混凝土凍融破壞修復也可采取噴射混凝土工藝，噴射混凝土具有較高的力學性能，并且能夠與噴射修復面緊密結(jié)合，提高混凝土修復強度。

4 經(jīng)驗與建議

目前，國家有關(guān)防治混凝土凍融破壞的設(shè)計規(guī)范，主要是NB/T35024-2014《水工建筑物抗冰凍設(shè)計規(guī)范》，規(guī)范從冰凍荷載及荷載組合、材料與結(jié)構(gòu)構(gòu)造、堤壩與泄水建筑物、引水與電（泵）站建筑物、渠道襯砌、閘涵建筑物、擋土墻、渡槽與橋梁、水工金屬結(jié)構(gòu)、多年凍土區(qū)水工建筑物、監(jiān)測等11個方面，全面闡釋了對于水工混凝土建筑物在抗冰凍設(shè)計中的有關(guān)要求，為新、改建水工建筑物提供了有力設(shè)計依據(jù)。

國內(nèi)外專家學者對混凝土凍融破壞的理論方面還沒有達成共識，關(guān)于凍融循環(huán)對混凝土力學性能影響的研究少之又少。理論試驗方面所取得的成果應(yīng)用于實踐中，雖能有效減輕嚴寒地區(qū)處于水位變化區(qū)部位的混凝土凍融循環(huán)破壞，提高混凝土強度，但并不能從根本上解決混凝土受凍融循環(huán)破壞問題。在依托抗冰凍設(shè)計規(guī)范的基礎(chǔ)上，對于一般的水工混凝土建筑物進行外表面全方位防護是不現(xiàn)實的，但對易受凍融循環(huán)破壞的尾水閘墩混凝土表面增加防護措施卻是十分有必要的。

所以，建議對北方嚴寒地區(qū)新建水電站項目，設(shè)計上加入高頻水位變化區(qū)部位混凝土表面防護措施，如不銹鋼焊接鋼板、聚脲噴涂等，或者采用永久鋼模板支模，然后在鋼模板表面噴涂聚脲防護層，或者根據(jù)施工環(huán)境條件，選用其它防護性措施。在相關(guān)設(shè)計規(guī)范中，以建筑物材料與結(jié)構(gòu)構(gòu)造為抗冰凍設(shè)計基礎(chǔ)，進一步增加對長期處于水位變化區(qū)部位的混凝土表面防護的設(shè)計說明。