韩红卫, 张 帅, 汪恩良, 宋春山, 张浩东

(1.东北农业大学 水利与土木工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150030;2.东北农业大学 黑龙江省寒区水资源与水利工程重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150030)

截至2010年,中国东北地区寒区水库数量有3722 座[1].1960～2015年间东北平原地区湖泊面积增加了37%[2].如此众多的寒区水库每年都要经历冰生消过程,在封冻期,冰层对水库护坡的破坏包括冰推破坏和冰拔破坏.这些破坏会引起护坡、齿墙等被推起、拔起、旋转或松动[3].因冰层热膨胀所产生的静冰压力除了与冰温、温升率和冰层厚度等有关外,还与水库形状，护坡材料、强度及护坡表面粗糙率等约束条件有极大关系[4-6].在无法改变天然条件以降低冰冻灾害的前提下,通过工程设计和改善护坡材料性能的途径，来降低寒区水库冰推破坏和冰拔破坏是最好的选择.

冰附着强度的研究焦点主要集中在如何降低冰与其他材料间的附着强度[7-10].目前,降低冰附着强度的方法主要有3种：电加热法、化学法和机械法[11].其中，电加热法用来清除输电线积冰[12-13]；化学法主要通过表面疏水涂层来降低冰附着强度,多用于航空[14]、输电[15]和交通运输[16-17]等行业.研究人员对冰附着强度进行了大量研究.如李志军等[18]获取了冰与钢材、木材、混凝土的附着强度与剪切位移速率、剪应力速率的关系以及冰块接触面积、材料表面粗糙度、吸水性等对各冰温下最大附着强度的影响；Jia等[19]测试了水库淡水冰在不同温度、不同应变速率下与混凝土间的附着强度,发现随着温度的降低，两者间的过渡区逐渐向低应变速率偏移；Nakazawa等[20]发现在一定条件下,海冰的附着强度在很大程度上取决于建筑材料的表面粗糙度,且附着强度随着冰层厚度的增加而增大,并逐渐接近一个常数；Zou等[21]发现冰附着强度与具有相似粗糙度表面样品的水接触角相关,且随液态水接触角增加而降低.

本文采用直接剪切法开展憎水涂层混凝土冰附着强度试验研究,分析不同憎水材料涂层及混凝土表面粗糙度对冰附着强度的影响规律.另外,以黑龙江省典型平原水库为例,探讨寒区水库憎水涂层混凝土护坡的应用性能.

1 试件制备及试验方法

1.1 试件制备

冰附着强度试验所用混凝土板尺寸为180mm×180mm×30mm,强度等级为C30.混凝土板表面采取不同粗糙度进行处理.混凝土板制作好后,选用工程常用防水材料作为憎水涂层,共设计4组憎水涂层试件(防水漆组(编号为B)、聚氨酯防水沥青组(编号为C)、有机硅憎水剂组(编号为D)和HZ憎水剂组(编号为E)),并与1组无涂抹对照试件(编号为A)进行对比试验.需要说明的是,为使聚氨酯防水沥青的效果更佳,先将其横向均匀涂抹在混凝土板表面,待用手按压其表面不产生任何痕迹时,再纵向均匀涂抹1遍；防水漆只需在混凝土板表面均匀涂抹即可；有机硅憎水剂在涂抹前,先按照浓缩液与水的体积比为1∶12进行调配,再按照聚氨酯防水沥青的涂抹方式进行；HZ憎水剂在涂抹前先按照浓缩液与水的体积比为1∶10进行调配,再均匀涂抹在混凝土板上即可.以上所有憎水涂层在涂抹结束后均须在自然状态下风干,然后使用型号为HG-C1050L的激光位移传感器(量程为30mm,精度为30μm),测量每个混凝土板2个垂直方向上的轮廓高度.考虑到混凝土板底面无法保证处于绝对平面状态,激光位移传感器测量得到的仅为相对轮廓高度,因此在计算表面粗糙度前,需要修正并消除底面不平整的影响.图1为混凝土板消除底板不平整后的绝对轮廓高度.

图1 混凝土板绝对轮廓高度Fig.1 Absolute contour height of concrete slab

表面粗糙度Re采用轮廓高度的算术平均偏差[22]来表示,其表达式为：

(1)

式中：y(x)为基于中线的表面轮廓高度；l为取样长度，0～180mm.

在环境温度为-10℃条件下,把预制好的尺寸为100mm×100mm×100mm的淡水冰与混凝土板完全冻结,具体过程为：(1)在混凝土板表面进行补水至表面饱满,并快速把冰块摆至预定位置；(2)如果发现冰块与混凝土板的冻结面有空隙,则从侧面进行补水直至完全冻结；(3)进行力学试验前,所有组别试件在相同环境温度条件下均冻结24h以上,以保证冰块与混凝土板处于完整冻结状态.

1.2 试验方法

施加在冰与其他材料冻结附着面的作用力可以分解为平行于冻结附着面的力和垂直于冻结附着面的力(见图2).针对这2种受力方式,冰与其他材料的附着强度试验一般采用推出试验、拉拔试验、扭转试验和剪切试验[23].一般来说,垂直于冻结附着面的力很少发生,而平行于冻结附着面的力比较常见,因此在测量附着强度时,采用图2(a)所示的平行于冻结附着面的剪切力加载方式.

图2 冰与其他材料冻结附着面间的可能作用力Fig.2 Possible forces between ice and other frozen material surfaces

本试验采用直接剪切法,由电动液压式冰压力试验机提供平行于冻结附着面的作用力来完成冰附着强度(σb)试验.加载过程中,保证平行于冻结附着面的作用力尽可能地接近冻结附着面边缘,尽量减少弯矩作用力产生的垂直冻结附着面的剪切力.其中,压杆与调节头之间装有10kN拉压力传感器(型号为PPM226-LS2-1,精度为0.002kN).σb采用冰块脱落于混凝土板时的最大剪切力进行计算,其表达式为：

(2)

式中：Pb为试件破坏时最大剪切力，N；S为冻结附着面面积，m2.

2 结果与分析

2.1 表面粗糙度对冰附着强度的影响

冰-材料附着强度与材料的表面粗糙度有关,材料表面越光滑,两者间的冰附着强度越小[18,24].当冰与混凝土板完全冻结在一起时,混凝土表面的凹槽和凸起部分与冰相互交错咬合,形成具有一定结合强度的界面,即附着面.在平行于冻结附着面的剪切力作用下,冻结附着面上的冰发生剪切破坏,随着混凝土表面粗糙度的增大,冰块与填充于结构表面凹槽内冰块之间的咬合作用也更加明显,冰块与混凝土板之间表现出更高的附着强度.冰-混凝土冻结接触面积与混凝土的表面粗糙度有关.理论上,混凝土表面的凹凸形态增加了冰与混凝土的冻结接触面积,冻结附着面发生剪切破坏时既有混凝土的破坏,又有冰晶体的剪切破坏,试验中无法直接量化实际剪切破坏面的面积,而计算附着强度所使用的面积要小于实际冻结附着面面积,导致试验结果大于实际附着强度.这种由于混凝土表面粗糙度而引起的误差一般无法消除,因此通过建立附着强度与混凝土表面粗糙度的关系，可以较好地解释两者间的变化规律.

考虑到同一混凝土板经历不同冻结附着试验时,因冻结过程、冻结起始点及冻结附着面剪切破坏起始点均存在差异,会不可避免地导致冰附着强度试验结果存在误差.因此试验采用混凝土板单次冻结试验,每个混凝土板唯一的表面粗糙度下对应1个附着强度.采用线性拟合不同憎水涂层条件下冰附着强度与混凝土表面粗糙度的关系，见图3.由图3可知：冰与混凝土的附着强度随着混凝土表面粗糙度的增大而增大.

2.2 憎水涂层材料对冰附着强度的影响

由剪切试验结果可知，A组试件冰附着强度平均值为267.5kPa；B组试件冰附着强度平均值为119.7kPa,较A组试件冰附着强度降低55.3%；C组试件冰附着强度平均值为157.3kPa,较A组试件冰附着强度降低41.2%；D组试件冰附着强度平均值为240.9kPa,较A组试件冰附着强度降低9.9%；E组试件冰附着强度平均值为170.2kPa,较A组试件冰附着强度降低36.4%.由此说明,防水漆涂层(B组)对降低冰附着强度效果最好,其次为聚氨酯防水沥青涂层(C组).

为研究憎水涂层材料对冰附着强度的影响,针对混凝土表面粗糙度为0.2～0.4、0.4～0.6、0.6～0.8μm的各组试件进行冰附着强度试验，结果见图4.由图4可知：当混凝土表面粗糙度为0.2～0.4μm 时,各组试件的冰附着强度平均值从大到小依次为：A组(220.1kPa)>D组(213.6kPa)>E组(180.9kPa)>C组(158.2kPa)>B组(93.7kPa)；当混凝土表面粗糙度为0.4～0.6μm时,各组试件的冰附着强度平均值从大到小依次为：A组(237.5kPa)>D组(224.2kPa)>C组(153.3kPa)>E组(126.3kPa)>B组(123.9kPa)；当混凝土表面粗糙度为0.6～0.8μm时,各组试件的冰附着强度平均值从大到小依次为：A组(265.8kPa)>D组(256.7kPa)>E组(189.7kPa)>C组(152.8kPa)>B组(130.6kPa).由此可见,防水漆涂层(B组)和聚氨酯防水沥青涂层(C组)降低冰附着强度的效果较好.

图3 不同憎水涂层条件下冰附着强度与混凝土表面粗糙度的关系Fig.3 Relationship between ice adhesion strength and concrete roughness under different hydrophobic coating conditions

图4 不同试验组冰附着强度变化规律Fig.4 Variation of ice adhesion strength for different test groups

冰附着强度的大小取决于基质表面与水之间的分子间作用力[25].一般而言,基质材料与水分子间作用力越大,冰附着强度就越高[17].在混凝土表面涂抹憎水材料可隔绝易吸附水分的混凝土与水的直接接触,通过降低分子间作用力,达到被动防冰的目的.图5为无涂抹对照组(A组)和聚氨酯防水沥青组(C组)冰附着强度试验后的表面形态.图中黑色方框包围区域为冻结附着区.由图5可以看出：无涂抹对照组冻结附着试验后,混凝土板表面明显存在碎冰,其破坏主要以冰晶剪切破坏为主；涂抹聚氨酯防水沥青混凝土冻结附着试验后,冰块整体脱落,混凝土板表面无碎冰残留.

D组试件和E组试件采用的憎水材料主要成分为烷基烷氧基硅烷.烷是一种既对水稳定,又能起疏水作用的有机硅化合物,混凝土表面涂抹后可在混凝土微裂隙和毛细孔内形成憎水保护层.这2种憎水涂层有较好的防水效果,但是无法有效改变混凝土表面凹槽内冰之间咬合作用；而B组防水漆和C组聚氨酯防水沥青除了可在混凝土表面形成1层致密的防水膜,还可以有效阻断冰与混凝土表面凹槽和凸起处的冻结咬合作用.因此,虽然4种防水涂层均可降低冰与混凝土的附着强度,但防水漆和聚氨酯防水沥青具有更好的效果.

图5 冻结附着破坏后的界面形态Fig.5 Interface morphology after ice adhesion failure

3 寒区水库憎水涂层混凝土护坡应用性能探讨

以黑龙江省红旗泡水库(46°36′N,125°16′E)为例,探讨寒区水库憎水涂层混凝土护坡的应用性能.寒区水库每年发生2次冰爬坡现象：第1次发生在入冬封库之后,因水库结冰,体积膨胀所引起的爬坡；第2次发生在开春快速升温期,因冰层升温,热膨胀所引起的爬坡[26].在水位恒定的条件下,寒区水库坝坡静冰压力示意图如图6所示.由图6可见：冰层热膨胀积蓄的静冰压力F通过水库岸坡处冰块位移被逐渐卸载；当冰与护坡混凝土板间的附着强度大于静冰压力F沿坡面向上的作用力F1时,混凝土板存在与冰层共同向上移动的风险,即发生冰推破坏可能.混凝土护坡的稳定验算表达式为：

F1≤Gsinθ+(F2+Gcosθ)tanφ

(3)

式中：F2为静冰压力垂直于坡面的分力；G为冰层以上护坡混凝土板的自重；θ为坝坡坡角,取为21.8°；φ为混凝土中砂的内摩擦角,取为30°.

当F1大于冰层与护坡混凝土板间的冻结附着力时,冰层即可脱离混凝土板向上滑动,达到释放冰层静冰压力效果.

图6 寒区水库坝坡静冰压力示意图Fig.6 Ice force on and near inclined dam slope of reservoir in cold region

假设淡水冰层为线弹性体,冰层静冰压力F可采用下式进行计算[27]：

F=hEαΔT

(4)

式中：h为冰层厚度，m；E为淡水冰弹性模量，GPa；α为冰膨胀系数，5.0×10-5/℃；ΔT为冰层升温幅度，℃.

统计黑龙江省红旗泡水库56个冬季最大冰厚可知,10a重现期最大冰厚为1.22m[28].因此将h取为10a重现期最大冰厚1.22m,来进行憎水涂层混凝土护坡应用性能的验证.根据淡水冰弯曲试验结果得到,在10-8～10-9m/s速率下,淡水冰弹性模量E为1.5GPa[29].

在水位恒定条件下,冰层与混凝土板护坡间的冻结附着面,在热膨胀作用下被破坏时的静冰压力F计算表达式为[27]：

(5)

分别使用本文试验设计的4组憎水涂层和1组无憎水涂层作为黑龙江省红旗泡水库混凝土护坡材料,在满足式(3)护坡稳定校核的前提下,根据式(4)、(5)计算得到不同护坡材料工况下,冰层脱离混凝土板向上临界滑动所对应的冰层升温幅度和冰层静冰压力,见表1.由表1可知：若采用表面粗糙度小于0.4μm防水漆混凝土板护坡,则当冰层升温幅度达到3.62℃时,静冰压力为331.47kN/m,静冰压力将破坏冰层与混凝土板附着状态,使冰层和护坡分离开来,引导冰层上滑,削减了对护坡的直接作用力；若采用无憎水涂层的普通混凝土板护坡,则只有当冰层升温幅度超过8.5℃,且静冰压力大于778.6kN/m时才能破坏冰层与混凝土板间的冻结附着,远大于DL 5077—1997《水工建筑物设计规范》规定的冰厚为1.2m时所对应的静冰压力标准值350kN/m[30],所以在冰层与混凝土板脱离上滑之前,护坡稳定性遭到破坏,混凝土板将伴随冰层整体向上移动,发生冰推破坏.

表1 不同表面粗糙度条件下各涂层与冰层临界滑动对应的冰层升温幅度和冰层静冰压力

4 结论

(1)冰附着强度随着混凝土表面粗糙度的增加而增大.

(2)憎水材料涂层可降低冰附着强度,其中防水漆降低冰附着强度的效果最好,相对无涂抹组冰附着强度降低55.3%,其次为聚氨酯防水沥青,其冰附着强度相对无涂抹组降低41.2%.

(3)寒区水库憎水涂层混凝土护坡应用性能分析显示,当坝坡坡角为21.8°,春季冰层最大厚度为1.22m、冰层升温幅度达到3.62℃、静冰压力为331.47kN/m时,冰层与表面粗糙度小于0.4μm的防水漆涂层混凝土板护坡分离.