中圖分類號：TQ178 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2025）07-0083-04

Abstract：The concrete cover plate of the channel isoperated ina fully enclosed stateallthe year round，and the concrete cover plateof thechannel is affctedby the freeze-thaw cycle in winter，and the concrete atthe bottom of theslab is seriously damaged.Inorderto improvethe lifeof the concrete coverplate and deeplyanalyzethe disease mechanism of the damage effctof the cover plate，according to theoperating environment of the closed water conveyance channel，the comparative method was used to systematically study the development processof the hydration slurry microstructure andthe concrete interface microstructure of the cementitious material in the concrete before and after the test，the deterioration and evolution mechanism of the concrete disease of theclosed channel were revealed，and the research on the treatment of concrete cover plate disease by spraying cement-based permeable crystalline waterproof materials was cariedout，soas to provide technical support forimproving orreinforcing the closed water conveyance channel.

Key words：closed water transmision channel;concrete cover plate;freeze-thaw cycle；disease mechanism；penetrating crystalline materials

利用原開敞式灌溉渠道，進行覆蓋、防滲處理，改造為封閉式生活供水渠道，有利于保障輸送水的質(zhì)量和效能，但在封閉式的特殊運行環(huán)境下，混凝土建筑物受凍融循環(huán)1作用破壞嚴重。我國北方利用灌溉渠道經(jīng)上部增加混凝土蓋板覆蓋，改造成常年生活供水渠道的情況較多，為提高混凝土蓋板壽命，保障城鄉(xiāng)供水正常運行，應深人探究能夠?qū)炷两Y(jié)構產(chǎn)生一定影響的病害機理。針對太河水庫封閉輸水渠道運行環(huán)境，采用對比法，系統(tǒng)研究治理前后混凝土內(nèi)膠凝材料水化漿體微結(jié)構[2]、混凝土界面微結(jié)構的發(fā)展歷程，揭示封閉式渠道混凝土病害劣化演變機理[3-5]，提出相應的解決措施，為改善或加固封閉式輸水渠道提供技術支撐。

1 工程概況

太河水庫輸水渠道是在原開敞式灌溉渠道基礎上，進行了覆蓋、防滲處理改造而成，覆蓋總長度15.04km ，覆蓋采用 120mm 厚預應力鋼筋混凝土空心板，設計強度等級C30，設計荷載 8.36kN/m² 。輸水渠道地處北溫帶半濕潤大陸性季風氣候區(qū)，春季干燥多風，夏季濕熱多雨，秋季晴朗干旱，冬季寒冷少雪，四季交替分明。太河水庫輸水渠道通水運行14年多來，渠道覆蓋段預應力空心板底部混凝土保護層脫落嚴重，脫落面積占總面積的 20% ＼～30% ，脫落形式以順鋼筋混凝土保護層脫落為主，部分渠段同時存在鋼筋銹蝕和凍融循環(huán)雙重劣化破壞現(xiàn)象。從多年觀測統(tǒng)計情況看，渠道蓋板底部混凝土保護層剝蝕嚴重，嚴重影響到工程設施安全和城鄉(xiāng)供水安全。

2凍融循環(huán)下混凝土結(jié)構病害機理研究

2.1宏觀力學力學性能試驗結(jié)果及分析[6-7]

當已經(jīng)發(fā)生凍融循環(huán)作用之后，混凝土也會或多或少有剝蝕損傷，并且引發(fā)其結(jié)構宏觀力學性能的降低。研究封閉式輸水渠道混凝土蓋板的破壞機理，需要首先研究對比混凝土分別在自然狀態(tài)（0.7% ）、飽水狀態(tài)（ 6% ）下，不同凍融損傷程度時，試樣在準靜態(tài)情況時所達到的單軸抗壓強度，本文基于GB/T50081—2002標準，來開展相應的單軸壓縮試驗。

在凍融循環(huán)已滿足預設次數(shù)時：即40、60、80、100和120次的情況下，需要第一時間進行抗壓強度測試。試樣破壞過程中會發(fā)生脆響，而且在凍融次數(shù)逐步增多后，脆響分貝更高，這代表了材料的脆性逐步增長；從破壞面來看，已凸起的骨料等均出現(xiàn)了壓壞的情況。

從抗壓強度試驗可以看出兩種狀態(tài)下隨著凍融循環(huán)次數(shù)提高，抗壓強度、彈性模量都會有所下降。在自然狀態(tài)下，混凝土對應的抗壓強度 48.1MPa 彈性模量3.841GPa;但飽水情況下，混凝土的這兩項參數(shù)值分別為 46.2MPa 與 3.058GPa 。在受到一定的水作用之后，混凝土的抗壓強度大約會下浮

4% ，同時，彈性模量也會下浮 20% 。本研究表明，當處在含水量相對較高時，混凝土內(nèi)含有數(shù)量較多的自由水，這會削弱各凝膠體顆粒彼此間存在的范德華力，由此減少混凝土能夠達到的宏觀力學強度。

結(jié)合抗壓強度試驗和抗壓強度損失率與凍融循環(huán)次數(shù)存在的關系?？梢灾庇^地看出，在兩種不同的狀態(tài)下凍融循環(huán)對混凝土單軸抗壓強度的影響較大。隨凍融循環(huán)次數(shù)提高，混凝土單軸抗壓強度、彈性模量都處于逐步下降的趨勢，其抗壓強度損失率也在逐步提高。

2.2凍融循環(huán)下混凝土宏觀損傷分析

混凝土材料中本來就有一定的細觀缺陷，當其經(jīng)過了凍融循環(huán)后，因為受到來源于凍脹力等作用，會產(chǎn)生并且逐步擴大微裂紋[8]。故而，唯有從損傷力學方向著手，才可以更好描述材料的劣化機制。

從混凝土損傷理論來看，彈性模量能夠直觀體現(xiàn)混凝土的損傷程度；而凍融損傷變量對應的求解公式： D_n=1-E_n/E₀ ，其中 E₀，E_n 分別代表開展凍融試驗之前與試驗后試樣對應的彈性模量[8]

基于上式求解能夠得知，凍融損傷變量及其循環(huán)次數(shù)二者之間存在正比關系，當混凝土所經(jīng)過的凍融次數(shù)逐步增多時，其對應的凍融損傷變量也會有一定的增長；損傷變量在凍融循環(huán)40次之前小于0.092，而后迅速提升；在凍融循環(huán)為80、100次時，損傷變量0.27增長至0.42；在第120次凍融循環(huán)后，該數(shù)值提升至0.54。這說明混凝土凍融損傷正在逐步劣化，從一開始的損傷擴展緩慢，到后續(xù)的逐步擴大，直至破損。

2.3噴涂滲透結(jié)晶材料治理混凝土蓋板病害研究

2.3.1試件表面噴涂滲透結(jié)晶材料的凍融試驗

成型C30混凝土試件，依次于其表層分別噴涂1.0、3.54和 4.04kg/m² 的滲透結(jié)晶材料，對其進行標準養(yǎng)護28d，開展科學嚴謹?shù)目箖鲆约拔试囼?。結(jié)果表明，沒有噴涂上述材料的試件質(zhì)量損失率更低，吸水率大體相同于噴涂 4.04kg/m² 滲透結(jié)晶材料后的情況。在噴涂 1.06，3.54kg/m² 滲透結(jié)晶材料時，雖然吸水率較低，卻也超過了現(xiàn)有的基準混凝土[9]

從相對動彈模量試驗結(jié)果來看，噴涂3.54kg/m² 的滲透結(jié)晶材料，其相對動彈模量超過了噴涂 1.06kg/m² 滲透結(jié)晶材料的。從凍融前與凍融后混凝土所呈現(xiàn)的結(jié)果可知，噴涂一定量滲透結(jié)晶材料之后的試件表面更為良好；當試件凍融25次后，表面會出現(xiàn)明顯的剝蝕現(xiàn)象。

2.3.2表面噴涂滲透結(jié)晶材料的混凝土微觀結(jié)構

選用電子顯微鏡觀測已噴涂一定量滲透結(jié)晶材料的試件，在進行凍融循環(huán)后所呈現(xiàn)出的表面，隨著基準混凝土凍融次數(shù)增加，混凝土表面剝蝕程度大，具有明顯的空隙出現(xiàn)，且空隙較大[10]。與基準混凝土比較，噴涂滲透結(jié)晶材料的混凝土表面凍融前較密實，僅有小空隙存在。隨著噴涂量增加，混凝土凍融后的密實度稍好，但效果不十分明顯。噴涂滲透結(jié)晶材料的混凝土隨凍融次數(shù)增加，表面空隙數(shù)量增加，孔徑變大[11]

2.3.3表面噴涂滲透結(jié)晶材料的混凝土內(nèi)部結(jié)構

采用SEM對混凝土凍融循環(huán)前后內(nèi)部水泥石樣品，放大2000倍，進行微觀形貌觀察?；鶞驶炷羶?nèi)水泥水化槳體有 Ca（OH）₂ 晶體存在，可觀測到裂紋存在；而噴涂滲透結(jié)晶材料的混凝土內(nèi)未發(fā)現(xiàn)Ca（OH）晶體中存在明顯的裂紋[12]

基準混凝土經(jīng)過凍融循環(huán)后，水泥水化漿內(nèi)出現(xiàn)裂紋，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，裂紋寬度和數(shù)量增加明顯。噴涂 1kg/m² 滲透結(jié)晶材料的混凝土，在凍融19次后出現(xiàn)裂紋；在22次后，裂紋寬度增加。噴涂 2kg/m² 滲透結(jié)晶材料的混凝土，在凍融19次后出現(xiàn)細微裂紋，在22次后裂紋寬度增加。

2.3.4混凝土界面過渡區(qū)結(jié)構與凍融循環(huán)

采用SEM對混凝土界面過渡區(qū)凍融循環(huán)前后，放大1000倍，進行微觀形貌觀察。隨著基準混凝土隨凍融次數(shù)增加，界面過渡區(qū)裂縫寬度增加；凍融13次，裂縫寬度為 2～5μm ；凍融至22次，增加為30μm 左右。與基準混凝土比較，噴涂滲透結(jié)晶材料的混凝土界面過渡區(qū)在凍融前，結(jié)構密實。隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加.噴涂滲透結(jié)晶材料的混凝土界面裂紋寬度和數(shù)量增加。噴涂 1kg/m² 滲透結(jié)晶材料的混凝土在凍融22次后，裂紋寬度為 5～7μm ：噴涂 2kg/m² 滲透結(jié)晶材料的混凝土，凍融22次后的裂紋寬度在 2μm 左右。

3混凝土孔結(jié)構與凍融循環(huán)試驗結(jié)果與分析

采用了壓汞法來精準測量水泥石對應的孔結(jié)構。結(jié)合預先設定的測孔要求，可對應制備試樣，在綜合比較后，決定選用由美國研發(fā)的全自動壓汞儀[13]。試驗結(jié)果如表1～表3所示，并對各孔徑進行統(tǒng)計分析。

混凝土的具體性能關系到其基本結(jié)構與孔徑，而其分布狀態(tài)則關聯(lián)于孔隙率[14]。由表1～表3可知，與基準混凝土比較，噴涂滲透結(jié)晶材料的混凝土孔隙率少;噴涂量增加，孔隙率減少。凍融次數(shù)增加，混凝土的孔隙率增加;凍融循環(huán)次數(shù)相同，噴涂 1kg/m² 混凝的孔隙率比基準混凝土降低約 2% 左右；噴涂2kg/m² 混凝的孔隙率減少 3% 左右。同時也可以看出，凍融次數(shù)增加，基準混凝土的中值孔徑和平均孔徑明顯增大，而噴涂滲透結(jié)晶材料的混凝土變化不大。

由表 1～ 表3還可知，凍融循環(huán)前，噴涂滲透結(jié)晶材料 1kg/m² 混上的最可幾孔徑與基準混凝土基本相等，各孔徑分布基本相同，噴涂 2kg/m² 混凝的最可幾孔徑減小，孔徑小于 20nm 明顯增多，幾乎是前兩者的兩倍；孔徑大于 200nm 明顯減少，幾乎是前兩者的50% 。凍融循環(huán)次數(shù)增加，基準混凝土的最可幾孔徑增大;凍融19～22次，最可幾孔徑約是凍融前的3.5倍；孔徑 20～100nm 的含量減少，孔徑大于 200nm 的含量增加。噴涂滲透結(jié)晶材料 1kg/m² ，混凝凍融19次前，最可幾孔徑?jīng)]有明顯變化；凍融22次，最可幾孔徑增大；各孔徑分布沒有明顯變化。噴涂滲透結(jié)晶材料 2kg/m² ，混凝土凍融22次后，最可幾孔徑幾乎是凍融前的2倍，孔徑大于 200nm 含量具有增加的趨勢。噴涂滲透結(jié)晶材料 2kg/m² ，孔徑大于 200nm 減少，孔徑小于 20nm 增多，最終抗凍性比基準混凝土和噴涂1kg/m² 的混凝土性能好。

4蓋板噴涂滲透結(jié)晶材料治理混凝土結(jié)構病害初步應用

選取輸水干渠混凝土預制蓋板病害較嚴重

4900m² ，結(jié)合噴涂材料實驗數(shù)據(jù)，選用噴涂 1.5kg/m² 水泥基滲透結(jié)晶材料進行病害處理應用實驗。主要施工工序：基面清理、找補填平、噴涂滲透結(jié)晶材料、養(yǎng)護及成品保護。在噴涂完成后，采取隨機取樣和固定斷面取樣的方法，同步進行實驗數(shù)據(jù)檢測，選取25個斷面，共計取樣75組。檢測數(shù)據(jù)（平均值）為抗?jié)B壓力（56d）0.6MP;對鋼筋無銹蝕;抗凍融循環(huán)250次；抗壓強度 38.22N/mm² ；涂層未見脫落現(xiàn)象，水泥基滲透結(jié)晶材料活性良好，經(jīng)試驗后多年的觀察量測，預制板底噴涂水泥基滲透結(jié)晶材料后效果良好。

5結(jié)語

（1）混凝土構件在飽水狀態(tài)下（含水量約 6% ）較自然狀態(tài)下，抗壓強度大約會下浮 4% ，同時，彈性模量會下浮 20% 。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土單軸抗壓強度一直處于逐步下降的趨勢、抗壓強度損失率也在穩(wěn)步提高、其對應凍融損傷也在穩(wěn)步上升；（2）混凝土構件噴涂滲透結(jié)晶材料后，孔隙率減小，并隨噴涂量增加，孔隙率逐漸減小;在相同凍融循環(huán)次數(shù)下，噴涂 2kg/m² 較噴涂 1kg/m² 的構件，孔隙率降低約 1% 左右。

【參考文獻】

[1]周玉琴，陳佳瑞，柯莉.纖維復材增強混凝土抗凍融循環(huán)試驗及性能分析J].粘接，2024，51（6：68-72.

[2]甘軼凡，李慶斌，胡昱.白鶴灘大壩混凝土干燥養(yǎng)護強度與微觀結(jié)構[J].水力發(fā)電學報，2022，41（5）：42-49.

[3］陳衛(wèi)東.纖維摻比優(yōu)化改性混凝土抗凍融抗侵蝕性能研究[J].粘接，2024，51（7） ：88-91.

[4］高鵬，陳星，王維，等.粉煤灰不同摻量對高性能混凝土耐久性影響研究[J].粘接，2024，51（2）：80-83.

[5］劉桂榮，竇曉雪，曲福來，等.水環(huán)境下鋼筋與混凝土黏結(jié)性能試驗研究［J].華北水利水電大學學報（自然科學版），2021，42（6） ：55-59.

[6]周禹辛，周晶.凍融循環(huán)下混凝土的動態(tài)數(shù)值模擬分析[J].水利與建筑工程學報，2018，16（5）：181-184.

[7］韓敏，楊淑雁，陳小龍，等.硫酸鹽-干濕循環(huán)與凍融復合作用對混凝土力學性能的影響[J].混凝土，2023（8）：66-71.

[8］胡少偉，王陽.不同凍融方式下混凝土雙K斷裂韌度對比試驗[J].水利水運工程學報，2018（2）：90-96.

[9]楊松，鄭山鎖，明銘，等.凍融環(huán)境下的混凝土經(jīng)時抗壓強度[J].土木與環(huán)境工程學報（中英文），2024，46（4）：167-174.

［10］孫路，李廷輝.凍融循環(huán)作用下的鋼筋混凝土梁橋地震易損性分析[J].自然災害學報，2023，32（5）：167-176.

[11]劉鵬，劉夢路，陳穎，等.水泥基滲透結(jié)晶型防水材料研究進展綜述[J].混凝土，2023（9）：168-172.

[12]張大利，寧作君，鄭秀梅，等.復雜環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構壽命預測研究進展[J].混凝土，2023（8）：8-13.

[13］孟亞，徐超，李格燁，等.凍融循環(huán)對加筋土結(jié)構性能影響的研究進展［J].科學技術與工程，2023，23（27） ：11496-11504.

[14]董振平，黃新凱，雷永潔，等.凍融循環(huán)作用下承壓混凝土凍脹應變研究［J].西安建筑科技大學學報（自然科學版），2023，55（4）：515-519.溉排水學報，2024，43（S1）：33-41.