文 洁

（第三储备资产管理局重庆管理站，重庆 400010）

为了更有效地减少冰冻灾害带来的破坏性影响，设计防御性措施和改良护坡材料成为很重要的方法。目前，采用的措施主要包括加固护坡结构、配置预制块和杆件支撑以及选取适合冰川特性的材料进行改良。应用这些技术手段，可以有效地保护水库周围的护坡，避免其受到不利气候条件的破坏。

1 试验制备及试验方法

1.1 试验所用的原料及技术

憎水涂层混凝土冰附着强度试验是一种常用的检测方法，用于评估在极低温度下，混凝土表面涂覆憎水材料后，其与冰之间的附着强度。

1.1.1 原料

1.1.1.1 混凝土

通常使用普通混凝土或高性能混凝土，其28 天抗压强度一般大于50MPa。

1.1.1.2 憎水材料

常用的憎水材料包括硅烷、氟碳等。这些材料通过表面活性剂处理，能够在混凝土表面形成微小孔洞，从而减少在混凝土表面的接触角，起到憎水效果。

1.1.1.3 冰块

冰块应该是均匀无气泡的。

1.1.2 相关技术1.1.2.1 试验前准备

混凝土表面要经过充分准备，例如清洗、打磨等，以确保试样表面光滑、干燥以及无杂质。同时，将憎水材料均匀地涂覆在混凝土表面，并根据憎水材料的规格和说明书对其进行适当处理。涂覆后的混凝土需要静置24h 以上，以保证憎水材料与混凝土表面充分反应。

1.1.2.2 试验过程

将冰块放置在混凝土表面，按照规定时间间隔进行拉伸试验。通过试验仪器测量拉伸力、位移及变形等数据，计算附着强度。可根据实际情况进行多次试验，取平均值作为最终结果。

1.1.2.3 试验后处理

试验结束后，要及时清理试样和试验仪器，以确保下次试验的准确性。

1.2 试验设计

憎水涂层混凝土冰附着强度试验是在混凝土表面涂覆憎水材料后，在极低温下，将冰块固定在混凝土表面，并通过拉伸试验来测定冰与混凝土之间的附着强度。设计思路和设计原理如下。

1.2.1 设计思路

确定试验目的：评估在极低温条件下，混凝土表面涂覆憎水材料后，其与冰之间的附着强度。

选取试验方法：憎水涂层混凝土冰附着强度试验是一种常用的试验方法，适合用于评估混凝土涂覆憎水材料后与冰之间的附着强度。

确定试验参数：试验参数包括混凝土类型、憎水材料类型、涂覆方式和冰块尺寸等。这些参数应根据实际情况进行确定，并要充分考虑试验精确性、可重复性和代表性。

执行试验：按照确定的试验方法和试验参数执行试验，记录试验数据，并根据试验结果对混凝土涂覆憎水材料后与冰之间的附着强度进行评估。

1.2.2 设计原理

1.2.2.1 混凝土表面处理

混凝土表面要充分打磨、清洁，并确保干燥无气泡。然后涂覆憎水材料，使混凝土表面形成微小孔洞，从而具有一定的憎水性能。

1.2.2.2 固定冰块

将规定尺寸的均匀无气泡的冰块固定在混凝土表面上，并通过试验夹具将其拉伸。

1.2.2.3 根据试验数据计算附着强度

通过试验仪器记录拉伸力和位移等数据，计算附着强度。其中，附着强度的计算公式：附着强度=拉断力/冰块接触面积。

1.3 试验制备

该研究中，相关工作人员针对冰附着强度设计了一种试验方法。该试验所使用的砼板尺寸为195mm×195mm×35mm，强度等级为C40 的砼板。研究人员根据试验需求，对其表面进行不同程度的粗糙处理。为了探究憎水涂层对砼板冰附着强度的影响，试验设计5 组试件，第一组试件在砼板表面涂刷防水漆，第二组试件在砼板表面涂刷聚氨酯防水沥青，第三组在砼板表面涂刷有机硅憎水剂组，第四组在砼板表面涂刷HZ 憎水剂组，第五组为对照组，砼板表面未做任何处理[1]。

在该试验中，为消除底面不平整造成的影响，使用型号为HG-C1050L 的激光位移传感器进行修正。通过同步测量每个砼板2 个垂直方向上的轮廓高度信息来获得更精确的冰附着力数据。在试验过程中，在不同温度下制备成冰的水被涂抹在试件表面形成冰层，然后扫描仪扫描冰层的表面来测定冰附着力（如图1所示）。

图1 砼板绝对轮廓高度

经过多次试验取平均值来衡量冰附着强度。该试验结果将有助于揭示不同类型的憎水涂层对砼板冰附着强度的影响。有效的憎水涂层能够降低砼板的冰附着强度，从而减少冰的积累和滑落造成的危险。该试验还为砼工程设计提供一定的理论依据，以保障其安全性和可靠性。

研究人员设砼板表面粗糙程度为Re，引入轮廓高度算是平均差列出公式（1）。

式中：y（x）为表面轮廓高度（中线）；l为取样长度。

研究人员将试验环境温度设定为-10℃，在该环境下，研究人员详细记录冰与砼板冻结的完整过程。从微观层面来看，该过程先令砼板表面处于吸水饱满状态，再将冰块快速摆放至预定位置[2]。如果试验过程中出现缝隙，则研究人员要从侧面进行补充水，直至冰与砼板完全处于冻结状态。在所有试验样品达到完整冻结状态后，就可以进行力学试验了。

1.4 试验过程

当砼板上的水分开始冻结时，它会释放热量，导致周围的环境温度降低并加快整个过程的进展。一旦砼板被完全冻结，其内部产生了很高的应力，并且由于温度变化，还会出现收缩和膨胀等形变现象。因此，在进行力学试验的过程中需要非常谨慎。这种试验方法能够帮助工程师们更好地研究砼、岩石、人工复合材料等材料在极低温环境下的机械性质和结构行为，有助于确定这些材料的可行性、耐久性以及在极寒环境下的使用范围等问题。此外，该试验方法还可以作为一种检验砼质量的手段，通过模拟极端的低温条件，评估砼在不利环境下的抗冻融性能和强度等特征，从而提高砼结构体系的安全耐久性。

首先，在进行实测的过程中，研究人员采用增加平行冻结附着面剪切力的方式测量冰与砼板的附着强度。通过这种方式，可以模拟实际情况下物体受到水平冲击力造成的冰雪附着压力，非常符合实际应用场景。

其次，在试验设备方面，电动液压式冰压力试验机是一款比较常见的测试设备。在测试过程中，试验机提供作用力，借助这种方式令冻结附着面作用力能够覆盖与附着面边缘位置。同时，为了增强测试精度，研究人员在压杆、调节头处安装了压力传感器，型号为PPM226-LS2-1，其精度能达到0.002kN，可以准确地测量冰与其他材料间的附着力。

除了这些基本的测试方式和设备，研究人员对冰与其他材料附着强度测试的方法进行探索[3]。例如针对不同区域的特点，提出不同的测试策略。在山区及高海拔地区中通常采用垂直于冻结附着面的拉伸试验来衡量冰雪的附着强度，在平原地区中更重视各种特定气象条件下的实测结果，也会利用现代技术手段进行数据分析和处理。

该研究中，相关工作人员设冰附着强度为σb，则砼板上的冰块脱落时，最大剪切力计算如公式（2）所示。

式中：Pb为试件破坏时最大剪切力；S为冰块附着面积。

2 试件结果分析

2.1 砼材料表面粗糙度与冰附着能力关系分析

该研究中，相关工作人员为了探究冰附着强度和砼表面粗糙度之间的关系，使用砼板单次冻结试验来控制误差，并探究表面粗糙度对附着强度的影响。

通过试验发现材料表面越光滑，附着强度越小。其原因如下：首先，如果附着物表面十分光滑，冰与砼板附着面接触区域减少，冰的附着能力降低。其次，在平行于砼表面的剪切力影响下，砼表面凹槽以及凸起部分，与附着面的结合程度提高。原因是在冰与砼表面接触过程中，冰会填满砼表面缝隙以及其表面存在的细微凹槽，在该过程中，砼表面逐渐形成了锚固点，令冰能够更紧密地与砼表面结合。最后，根据试验结果可以得出，附着强度与砼表面粗糙度成正比。由于砼表面粗糙度会对结果产生误差，因此需要明确附着强度与砼表面粗糙度之间的关系，通过这种方式解释两者间的变化规律。

冻结附着试验是深入研究冰与砼相互作用的一种方法。由于该测试机理非常复杂且在采集试验数据的同时会受到一些误差的影响，因此科学家们需要不断改进试验方法，以获得更精确的结果。为了消除这些误差，重点是如何制定正确的试验方案。其中，砼板单次冻结试验是一种常用的解决方案。该试验的基本原理是将砼板置于冰块上，在恒定温度下将水表面固化成冰，并测量冰块贴着砼的强度来反映它们之间的附着强度。对单个试件进行多次测试并取平均值，最终可以得出比较准确的结果[4]。

此外，根据钻孔和剖面观察，科学家还发现砼表面粗糙度会对冰与砼的附着强度产生影响。具体来说，随着砼表面粗糙度增加，冰块能更容易地卡紧砼表面，因此附着强度也会增加。这个试验结果对现代建筑材料领域有很大的意义。基于该结论，人们可以在建筑砼表面进行特殊处理以改变其表面粗糙度，从而提高建筑物在冬季和极寒环境下的抗寒性能、延长使用寿命。同时，该试验也为深入认识冰和砼之间的相互作用机制提供了重要的手段和思路。

2.2 憎水涂层材料与冰附着强度的关系

憎水涂层材料作为一种特殊的表面涂层，能够在其表面形成微观结构，使其具有憎水性质。这些微观结构通常被称为“蜡质树枝状结构”或“脉冲形态结构”，它们可以改变表面张力并减少吸附作用，使液体无法附着在表面。经过试验，研究人员得到以下3 个结论：1）涂层材料的类型对憎水涂层的效果影响较大。通常来说，聚合物材料和氟化物材料被认为是两种最常用的憎水涂层材料。其中，氟化物材料具有更好的憎水性能，因此在防冰技术中广泛使用。这些涂层可以形成一个十分平整且均匀的表面，表面的疏水性质可以有效地降低冰的黏附力。2）涂覆厚度也是影响涂层效果的重要因素。一般来说，涂层的厚度越大，其憎水性能和抗冰附着性能会相应增强。特别是对氟化物材料涂层来说，厚度通常在几微米，超过这个范围会导致其他性能下降。3）处理方法也会影响涂层效果。不同的处理方法可以改变涂层的结构和表面形态，进而影响其憎水性能和抗冰附着性能。例如采用等离子喷涂法制备氟化物涂层时，在控制等离子喷涂参数的过程中可以调节涂层表面的粗糙度，从而获得不同的憎水性能和抗冰附着性能。

3 水库憎水涂层砼护坡应用方式

研究人员为了解决该水库每年发生两次的“冰爬坡”问题，以红旗泡水库为例，尝试引入带有憎水涂层的砼护坡。这种现象在寒冷的气候环境下非常常见，当水库表面结冰后，水位开始上升，并向周围推进。当水库松动时，可能会发生冰爬坡现象，即冰体从水库表面“爬”起来，推移砼坝身并造成损害。

在红旗泡水库的应用示例中，憎水涂层砼护坡应用效果很好。憎水是一种表面被涂覆上防水剂（如硅烷等物质）的砼表面。这样的涂层可以有效地阻止水分渗透进入砼内部，保证砼表面的干燥性和质量。在实践中，憎水涂层砼护坡能够降低冰爬坡现象所产生的推力，并减轻砼板的运动风险和受冰推破坏的可能性。为了更好地评估憎水涂层砼护坡的优劣，研究者提供了砼护坡的稳定验算表达式[5]。这个表达式可以预测冰压作用力和附着强度之间的关系，并通过一些试验数据来展示其可靠性。通过试验结果可以看出，憎水涂层砼护坡在保证耐久性和性价比的前提下，可以有效地防止水库中发生冰爬坡现象，为水利工程的安全运行提供重要保障。护坡稳定验算如公式（3）所示。

式中：F1为静冰压力沿坡面向上的作用力；F2为静冰压力垂直于坡面的分力；G为冰层以上护坡砼板自重；θ为坝坡的坡脚，在该研究中，θ=21.8，φ为砼原料中砂的内摩擦角，φ=30°。

当F1的数值大于护坡砼板冻结附着力时，静冰层与砼板脱离并沿着护坡的方向向上移动，在冰层移动的过程中，冰层静冰压力降低，对护坡形成保护。

在具体实践中，可以在砼表面喷涂或刷涂防水材料，以防止水分渗透。该涂层需要定期检查并重新施工，保证其完整性和持久性。建造水泥砼结构形成一定的高度和坡度，以起到防水、护坡和固土等作用。该结构需要结合地质情况、设计要求和施工工艺综合考虑，通常需要进行基础处理和钢筋预埋。

4 结语

研究人员对憎水涂层砼冰附着强度进行试验以及对应用性能进行研究，得到以下结论。首先，这种涂层能够显著提高砼冰附着强度，在防止冰凌形成、减轻积雪对建筑物所造成的负荷等方面具有重要作用。其次，为确保该涂层的应用效果，须注意施工过程中的适宜条件以及合理选择材料。最后，在实际工程中广泛采用这种技术，进一步提高建筑物的安全性、可靠性和耐久性。希望未来能够有更多的研究者关注和深入探讨这个领域，使其发展得更完善和成熟。