韓紅衛(wèi), 張 帥, 汪恩良, 宋春山, 張浩東

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150030;2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 黑龍江省寒區(qū)水資源與水利工程重點實驗室, 黑龍江 哈爾濱 150030)

截至2010年,中國東北地區(qū)寒區(qū)水庫數(shù)量有3722 座[1].1960～2015年間東北平原地區(qū)湖泊面積增加了37%[2].如此眾多的寒區(qū)水庫每年都要經(jīng)歷冰生消過程,在封凍期,冰層對水庫護坡的破壞包括冰推破壞和冰拔破壞.這些破壞會引起護坡、齒墻等被推起、拔起、旋轉(zhuǎn)或松動[3].因冰層熱膨脹所產(chǎn)生的靜冰壓力除了與冰溫、溫升率和冰層厚度等有關(guān)外,還與水庫形狀，護坡材料、強度及護坡表面粗糙率等約束條件有極大關(guān)系[4-6].在無法改變天然條件以降低冰凍災(zāi)害的前提下,通過工程設(shè)計和改善護坡材料性能的途徑，來降低寒區(qū)水庫冰推破壞和冰拔破壞是最好的選擇.

冰附著強度的研究焦點主要集中在如何降低冰與其他材料間的附著強度[7-10].目前,降低冰附著強度的方法主要有3種：電加熱法、化學(xué)法和機械法[11].其中，電加熱法用來清除輸電線積冰[12-13]；化學(xué)法主要通過表面疏水涂層來降低冰附著強度,多用于航空[14]、輸電[15]和交通運輸[16-17]等行業(yè).研究人員對冰附著強度進行了大量研究.如李志軍等[18]獲取了冰與鋼材、木材、混凝土的附著強度與剪切位移速率、剪應(yīng)力速率的關(guān)系以及冰塊接觸面積、材料表面粗糙度、吸水性等對各冰溫下最大附著強度的影響；Jia等[19]測試了水庫淡水冰在不同溫度、不同應(yīng)變速率下與混凝土間的附著強度,發(fā)現(xiàn)隨著溫度的降低，兩者間的過渡區(qū)逐漸向低應(yīng)變速率偏移；Nakazawa等[20]發(fā)現(xiàn)在一定條件下,海冰的附著強度在很大程度上取決于建筑材料的表面粗糙度,且附著強度隨著冰層厚度的增加而增大,并逐漸接近一個常數(shù)；Zou等[21]發(fā)現(xiàn)冰附著強度與具有相似粗糙度表面樣品的水接觸角相關(guān),且隨液態(tài)水接觸角增加而降低.

本文采用直接剪切法開展憎水涂層混凝土冰附著強度試驗研究,分析不同憎水材料涂層及混凝土表面粗糙度對冰附著強度的影響規(guī)律.另外,以黑龍江省典型平原水庫為例,探討寒區(qū)水庫憎水涂層混凝土護坡的應(yīng)用性能.

1 試件制備及試驗方法

1.1 試件制備

冰附著強度試驗所用混凝土板尺寸為180mm×180mm×30mm,強度等級為C30.混凝土板表面采取不同粗糙度進行處理.混凝土板制作好后,選用工程常用防水材料作為憎水涂層,共設(shè)計4組憎水涂層試件(防水漆組(編號為B)、聚氨酯防水瀝青組(編號為C)、有機硅憎水劑組(編號為D)和HZ憎水劑組(編號為E)),并與1組無涂抹對照試件(編號為A)進行對比試驗.需要說明的是,為使聚氨酯防水瀝青的效果更佳,先將其橫向均勻涂抹在混凝土板表面,待用手按壓其表面不產(chǎn)生任何痕跡時,再縱向均勻涂抹1遍；防水漆只需在混凝土板表面均勻涂抹即可；有機硅憎水劑在涂抹前,先按照濃縮液與水的體積比為1∶12進行調(diào)配,再按照聚氨酯防水瀝青的涂抹方式進行；HZ憎水劑在涂抹前先按照濃縮液與水的體積比為1∶10進行調(diào)配,再均勻涂抹在混凝土板上即可.以上所有憎水涂層在涂抹結(jié)束后均須在自然狀態(tài)下風(fēng)干,然后使用型號為HG-C1050L的激光位移傳感器(量程為30mm,精度為30μm),測量每個混凝土板2個垂直方向上的輪廓高度.考慮到混凝土板底面無法保證處于絕對平面狀態(tài),激光位移傳感器測量得到的僅為相對輪廓高度,因此在計算表面粗糙度前,需要修正并消除底面不平整的影響.圖1為混凝土板消除底板不平整后的絕對輪廓高度.

圖1 混凝土板絕對輪廓高度Fig.1 Absolute contour height of concrete slab

表面粗糙度Re采用輪廓高度的算術(shù)平均偏差[22]來表示,其表達式為：

(1)

式中：y(x)為基于中線的表面輪廓高度；l為取樣長度，0～180mm.

在環(huán)境溫度為-10℃條件下,把預(yù)制好的尺寸為100mm×100mm×100mm的淡水冰與混凝土板完全凍結(jié),具體過程為：(1)在混凝土板表面進行補水至表面飽滿,并快速把冰塊擺至預(yù)定位置；(2)如果發(fā)現(xiàn)冰塊與混凝土板的凍結(jié)面有空隙,則從側(cè)面進行補水直至完全凍結(jié)；(3)進行力學(xué)試驗前,所有組別試件在相同環(huán)境溫度條件下均凍結(jié)24h以上,以保證冰塊與混凝土板處于完整凍結(jié)狀態(tài).

1.2 試驗方法

施加在冰與其他材料凍結(jié)附著面的作用力可以分解為平行于凍結(jié)附著面的力和垂直于凍結(jié)附著面的力(見圖2).針對這2種受力方式,冰與其他材料的附著強度試驗一般采用推出試驗、拉拔試驗、扭轉(zhuǎn)試驗和剪切試驗[23].一般來說,垂直于凍結(jié)附著面的力很少發(fā)生,而平行于凍結(jié)附著面的力比較常見,因此在測量附著強度時,采用圖2(a)所示的平行于凍結(jié)附著面的剪切力加載方式.

圖2 冰與其他材料凍結(jié)附著面間的可能作用力Fig.2 Possible forces between ice and other frozen material surfaces

本試驗采用直接剪切法,由電動液壓式冰壓力試驗機提供平行于凍結(jié)附著面的作用力來完成冰附著強度(σb)試驗.加載過程中,保證平行于凍結(jié)附著面的作用力盡可能地接近凍結(jié)附著面邊緣,盡量減少彎矩作用力產(chǎn)生的垂直凍結(jié)附著面的剪切力.其中,壓桿與調(diào)節(jié)頭之間裝有10kN拉壓力傳感器(型號為PPM226-LS2-1,精度為0.002kN).σb采用冰塊脫落于混凝土板時的最大剪切力進行計算,其表達式為：

(2)

式中：Pb為試件破壞時最大剪切力，N；S為凍結(jié)附著面面積，m2.

2 結(jié)果與分析

2.1 表面粗糙度對冰附著強度的影響

冰-材料附著強度與材料的表面粗糙度有關(guān),材料表面越光滑,兩者間的冰附著強度越小[18,24].當(dāng)冰與混凝土板完全凍結(jié)在一起時,混凝土表面的凹槽和凸起部分與冰相互交錯咬合,形成具有一定結(jié)合強度的界面,即附著面.在平行于凍結(jié)附著面的剪切力作用下,凍結(jié)附著面上的冰發(fā)生剪切破壞,隨著混凝土表面粗糙度的增大,冰塊與填充于結(jié)構(gòu)表面凹槽內(nèi)冰塊之間的咬合作用也更加明顯,冰塊與混凝土板之間表現(xiàn)出更高的附著強度.冰-混凝土凍結(jié)接觸面積與混凝土的表面粗糙度有關(guān).理論上,混凝土表面的凹凸形態(tài)增加了冰與混凝土的凍結(jié)接觸面積,凍結(jié)附著面發(fā)生剪切破壞時既有混凝土的破壞,又有冰晶體的剪切破壞,試驗中無法直接量化實際剪切破壞面的面積,而計算附著強度所使用的面積要小于實際凍結(jié)附著面面積,導(dǎo)致試驗結(jié)果大于實際附著強度.這種由于混凝土表面粗糙度而引起的誤差一般無法消除,因此通過建立附著強度與混凝土表面粗糙度的關(guān)系，可以較好地解釋兩者間的變化規(guī)律.

考慮到同一混凝土板經(jīng)歷不同凍結(jié)附著試驗時,因凍結(jié)過程、凍結(jié)起始點及凍結(jié)附著面剪切破壞起始點均存在差異,會不可避免地導(dǎo)致冰附著強度試驗結(jié)果存在誤差.因此試驗采用混凝土板單次凍結(jié)試驗,每個混凝土板唯一的表面粗糙度下對應(yīng)1個附著強度.采用線性擬合不同憎水涂層條件下冰附著強度與混凝土表面粗糙度的關(guān)系，見圖3.由圖3可知：冰與混凝土的附著強度隨著混凝土表面粗糙度的增大而增大.

2.2 憎水涂層材料對冰附著強度的影響

由剪切試驗結(jié)果可知，A組試件冰附著強度平均值為267.5kPa；B組試件冰附著強度平均值為119.7kPa,較A組試件冰附著強度降低55.3%；C組試件冰附著強度平均值為157.3kPa,較A組試件冰附著強度降低41.2%；D組試件冰附著強度平均值為240.9kPa,較A組試件冰附著強度降低9.9%；E組試件冰附著強度平均值為170.2kPa,較A組試件冰附著強度降低36.4%.由此說明,防水漆涂層(B組)對降低冰附著強度效果最好,其次為聚氨酯防水瀝青涂層(C組).

為研究憎水涂層材料對冰附著強度的影響,針對混凝土表面粗糙度為0.2～0.4、0.4～0.6、0.6～0.8μm的各組試件進行冰附著強度試驗，結(jié)果見圖4.由圖4可知：當(dāng)混凝土表面粗糙度為0.2～0.4μm 時,各組試件的冰附著強度平均值從大到小依次為：A組(220.1kPa)>D組(213.6kPa)>E組(180.9kPa)>C組(158.2kPa)>B組(93.7kPa)；當(dāng)混凝土表面粗糙度為0.4～0.6μm時,各組試件的冰附著強度平均值從大到小依次為：A組(237.5kPa)>D組(224.2kPa)>C組(153.3kPa)>E組(126.3kPa)>B組(123.9kPa)；當(dāng)混凝土表面粗糙度為0.6～0.8μm時,各組試件的冰附著強度平均值從大到小依次為：A組(265.8kPa)>D組(256.7kPa)>E組(189.7kPa)>C組(152.8kPa)>B組(130.6kPa).由此可見,防水漆涂層(B組)和聚氨酯防水瀝青涂層(C組)降低冰附著強度的效果較好.

圖3 不同憎水涂層條件下冰附著強度與混凝土表面粗糙度的關(guān)系Fig.3 Relationship between ice adhesion strength and concrete roughness under different hydrophobic coating conditions

圖4 不同試驗組冰附著強度變化規(guī)律Fig.4 Variation of ice adhesion strength for different test groups

冰附著強度的大小取決于基質(zhì)表面與水之間的分子間作用力[25].一般而言,基質(zhì)材料與水分子間作用力越大,冰附著強度就越高[17].在混凝土表面涂抹憎水材料可隔絕易吸附水分的混凝土與水的直接接觸,通過降低分子間作用力,達到被動防冰的目的.圖5為無涂抹對照組(A組)和聚氨酯防水瀝青組(C組)冰附著強度試驗后的表面形態(tài).圖中黑色方框包圍區(qū)域為凍結(jié)附著區(qū).由圖5可以看出：無涂抹對照組凍結(jié)附著試驗后,混凝土板表面明顯存在碎冰,其破壞主要以冰晶剪切破壞為主；涂抹聚氨酯防水瀝青混凝土凍結(jié)附著試驗后,冰塊整體脫落,混凝土板表面無碎冰殘留.

D組試件和E組試件采用的憎水材料主要成分為烷基烷氧基硅烷.烷是一種既對水穩(wěn)定,又能起疏水作用的有機硅化合物,混凝土表面涂抹后可在混凝土微裂隙和毛細孔內(nèi)形成憎水保護層.這2種憎水涂層有較好的防水效果,但是無法有效改變混凝土表面凹槽內(nèi)冰之間咬合作用；而B組防水漆和C組聚氨酯防水瀝青除了可在混凝土表面形成1層致密的防水膜,還可以有效阻斷冰與混凝土表面凹槽和凸起處的凍結(jié)咬合作用.因此,雖然4種防水涂層均可降低冰與混凝土的附著強度,但防水漆和聚氨酯防水瀝青具有更好的效果.

圖5 凍結(jié)附著破壞后的界面形態(tài)Fig.5 Interface morphology after ice adhesion failure

3 寒區(qū)水庫憎水涂層混凝土護坡應(yīng)用性能探討

以黑龍江省紅旗泡水庫(46°36′N,125°16′E)為例,探討寒區(qū)水庫憎水涂層混凝土護坡的應(yīng)用性能.寒區(qū)水庫每年發(fā)生2次冰爬坡現(xiàn)象：第1次發(fā)生在入冬封庫之后,因水庫結(jié)冰,體積膨脹所引起的爬坡；第2次發(fā)生在開春快速升溫期,因冰層升溫,熱膨脹所引起的爬坡[26].在水位恒定的條件下,寒區(qū)水庫壩坡靜冰壓力示意圖如圖6所示.由圖6可見：冰層熱膨脹積蓄的靜冰壓力F通過水庫岸坡處冰塊位移被逐漸卸載；當(dāng)冰與護坡混凝土板間的附著強度大于靜冰壓力F沿坡面向上的作用力F1時,混凝土板存在與冰層共同向上移動的風(fēng)險,即發(fā)生冰推破壞可能.混凝土護坡的穩(wěn)定驗算表達式為：

F1≤Gsinθ+(F2+Gcosθ)tanφ

(3)

式中：F2為靜冰壓力垂直于坡面的分力；G為冰層以上護坡混凝土板的自重；θ為壩坡坡角,取為21.8°；φ為混凝土中砂的內(nèi)摩擦角,取為30°.

當(dāng)F1大于冰層與護坡混凝土板間的凍結(jié)附著力時,冰層即可脫離混凝土板向上滑動,達到釋放冰層靜冰壓力效果.

圖6 寒區(qū)水庫壩坡靜冰壓力示意圖Fig.6 Ice force on and near inclined dam slope of reservoir in cold region

假設(shè)淡水冰層為線彈性體,冰層靜冰壓力F可采用下式進行計算[27]：

F=hEαΔT

(4)

式中：h為冰層厚度，m；E為淡水冰彈性模量，GPa；α為冰膨脹系數(shù)，5.0×10-5/℃；ΔT為冰層升溫幅度，℃.

統(tǒng)計黑龍江省紅旗泡水庫56個冬季最大冰厚可知,10a重現(xiàn)期最大冰厚為1.22m[28].因此將h取為10a重現(xiàn)期最大冰厚1.22m,來進行憎水涂層混凝土護坡應(yīng)用性能的驗證.根據(jù)淡水冰彎曲試驗結(jié)果得到,在10-8～10-9m/s速率下,淡水冰彈性模量E為1.5GPa[29].

在水位恒定條件下,冰層與混凝土板護坡間的凍結(jié)附著面,在熱膨脹作用下被破壞時的靜冰壓力F計算表達式為[27]：

(5)

分別使用本文試驗設(shè)計的4組憎水涂層和1組無憎水涂層作為黑龍江省紅旗泡水庫混凝土護坡材料,在滿足式(3)護坡穩(wěn)定校核的前提下,根據(jù)式(4)、(5)計算得到不同護坡材料工況下,冰層脫離混凝土板向上臨界滑動所對應(yīng)的冰層升溫幅度和冰層靜冰壓力,見表1.由表1可知：若采用表面粗糙度小于0.4μm防水漆混凝土板護坡,則當(dāng)冰層升溫幅度達到3.62℃時,靜冰壓力為331.47kN/m,靜冰壓力將破壞冰層與混凝土板附著狀態(tài),使冰層和護坡分離開來,引導(dǎo)冰層上滑,削減了對護坡的直接作用力；若采用無憎水涂層的普通混凝土板護坡,則只有當(dāng)冰層升溫幅度超過8.5℃,且靜冰壓力大于778.6kN/m時才能破壞冰層與混凝土板間的凍結(jié)附著,遠大于DL 5077—1997《水工建筑物設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的冰厚為1.2m時所對應(yīng)的靜冰壓力標準值350kN/m[30],所以在冰層與混凝土板脫離上滑之前,護坡穩(wěn)定性遭到破壞,混凝土板將伴隨冰層整體向上移動,發(fā)生冰推破壞.

表1 不同表面粗糙度條件下各涂層與冰層臨界滑動對應(yīng)的冰層升溫幅度和冰層靜冰壓力

4 結(jié)論

(1)冰附著強度隨著混凝土表面粗糙度的增加而增大.

(2)憎水材料涂層可降低冰附著強度,其中防水漆降低冰附著強度的效果最好,相對無涂抹組冰附著強度降低55.3%,其次為聚氨酯防水瀝青,其冰附著強度相對無涂抹組降低41.2%.

(3)寒區(qū)水庫憎水涂層混凝土護坡應(yīng)用性能分析顯示,當(dāng)壩坡坡角為21.8°,春季冰層最大厚度為1.22m、冰層升溫幅度達到3.62℃、靜冰壓力為331.47kN/m時,冰層與表面粗糙度小于0.4μm的防水漆涂層混凝土板護坡分離.