馮家山灌區(qū)渠道襯砌混凝土抗凍試驗(yàn)初探

王勇斌 王莉麗 姜建民

（1.寶雞市馮家山水庫(kù)管理局 陜西 寶雞 721300；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院 陜西 楊凌 712100）

馮家山灌區(qū)地處關(guān)中西部渭河北岸黃土塬區(qū)，地屬溫暖帶大陸性半干旱氣候，凍土深度為0.33m[1]。灌區(qū)農(nóng)田灌溉、工業(yè)用水等一般采用明渠引水，凍融破壞是水工混凝土結(jié)構(gòu)老化病害的主要原因之一，嚴(yán)重影響混凝土結(jié)構(gòu)物的使用壽命和安全運(yùn)行，影響了渠道的輸水性能。要使渠道混凝土襯砌具有較高耐久性，必須保證混凝土具有較高的抗凍性。因此，研究渠道襯砌混凝土的抗凍耐久性具有重要意義。

灌區(qū)渠道改造的設(shè)計(jì)要求：渠道斷面為梯形和弧底梯形兩種形式，梯形渠道主要為干渠采用的斷面形式：底板采用等厚15cm，坡板采用楔形板，底部15cm，頂部10cm，弧底梯形主要為支渠斷面形式：全斷面厚度10cm，混凝土強(qiáng)度標(biāo)號(hào)為C15，抗凍標(biāo)準(zhǔn)為F50，抗?jié)B等級(jí)為W4。

影響混凝土抗凍性能的因素有許多，本試驗(yàn)主要研究水膠比、粉煤灰摻量對(duì)襯砌渠道混凝土抗凍性能的單因素影響和綜合影響。通過(guò)回歸分析，建立水膠比、粉煤灰摻量與相對(duì)動(dòng)彈性模量的二元線性回歸方程。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)原材料

（1）水泥，采用P.O.42.5級(jí)“盾石”牌普通硅酸鹽水泥，見(jiàn)表1。

（2）粉煤灰，采用Ⅱ級(jí)粉煤灰，戶縣電廠生產(chǎn)。

（3）砂，采用渭河中砂，細(xì)度模數(shù)2.8，砂率為38%。

（4）石，采用渭河河卵石，粒徑5mm～10mm占45%，10mm～20 mm占55%。

（5）減水劑，山西凱迪外加劑廠生產(chǎn)。

（6）引氣劑，山西凱迪外加劑廠生產(chǎn)，配成濃度為1.0%的溶液。

（7）水，拌制混凝土和試件養(yǎng)護(hù)用水采用自來(lái)水。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

混凝土的抗凍性主要取決于混凝土中的粉煤灰取代率、含氣量、水膠比等因素[2]。通過(guò)多次試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析混凝土抗凍性能與各影響因素的關(guān)系，找出能夠滿足馮家山灌區(qū)渠道襯砌混凝土抗凍要求的最優(yōu)配合比方案，具體配合比試驗(yàn)如表2。

1.3 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)采用快速凍融試驗(yàn)，采用100mm×100mm×400 mm的棱柱體混凝土試件，以3塊為1組。抗凍試驗(yàn)的試件采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)（溫度(20±3)℃，濕度大于95%），到達(dá)試驗(yàn)齡期的前4天，從標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室取出然后放在在溫度為（20±3)℃的水中浸泡4天，快速凍融試驗(yàn)參照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL352-2006)進(jìn)行[3]，測(cè)得經(jīng)過(guò)一定凍融循環(huán)次數(shù)后試件的動(dòng)彈性模量和質(zhì)量，然后計(jì)算試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量和質(zhì)量損失率。

1.3.1 相對(duì)動(dòng)彈性模量

相對(duì)動(dòng)彈性模量可按（1）式計(jì)算，以3個(gè)試件試驗(yàn)結(jié)果的平均值作為測(cè)定值：

式中，Pn——n次凍融循環(huán)以后試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量，%；

f0——試件凍融循環(huán)前的自振頻率，Hz；

fn——試件經(jīng)過(guò)n次凍融循環(huán)以后的自振頻率，Hz。

1.3.2 質(zhì)量損失率

質(zhì)量損失率可按（2）式計(jì)算，以3個(gè)試件試驗(yàn)結(jié)果的平均值作為測(cè)定值：

其中：Wn——n次凍融循環(huán)后試件質(zhì)量損失率，%；

W0——凍融前的試件質(zhì)量，g；

Wn——n次凍融后的試件質(zhì)量，g。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

試件經(jīng)過(guò)一定次數(shù)的凍融循環(huán)后，測(cè)其凍融后的質(zhì)量和自振頻率，然后計(jì)算相應(yīng)的質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量，試驗(yàn)結(jié)果如表3。

表1 水泥的主要物理性能

表2 混凝土抗凍試驗(yàn)配合比

表3 混凝土凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

表4 相對(duì)動(dòng)彈性模量與水膠比、粉煤灰摻量的二元線性回歸表

圖1 不同水膠比下，相對(duì)動(dòng)彈性模量與凍融次數(shù)關(guān)系曲線

圖2 不同粉煤灰摻量下，相對(duì)動(dòng)彈性模量與凍融次數(shù)關(guān)系曲線

2.2 數(shù)據(jù)分析

2.2.1 水膠比對(duì)相對(duì)動(dòng)彈性模量的影響

為了得到反映水膠比對(duì)試件相對(duì)動(dòng)彈性模量的影響，單獨(dú)考慮水膠比與相對(duì)動(dòng)彈性模量之間的關(guān)系，經(jīng)過(guò)100次凍融循環(huán)以后的水膠比與相對(duì)動(dòng)彈性模量的關(guān)系曲線，如圖1。

由圖1水膠比與相對(duì)動(dòng)彈性模量關(guān)系曲線可以看出，隨著水膠比的增大，抗凍性呈下降趨勢(shì)。水膠比小，混凝土微觀結(jié)構(gòu)密實(shí)，毛細(xì)孔含量少，因此毛細(xì)孔中可參與凍融破壞的自由水量就少。此外，低水膠比混凝土中的自由水很快被水泥水化反應(yīng)消耗完，混凝土內(nèi)部干燥，而且該混凝土非常密實(shí)，一旦產(chǎn)生硬化后，外部的水分很難進(jìn)入，內(nèi)部一直保持比較干燥狀態(tài)，參與凍融破壞的水量就少，所以對(duì)于低水膠比的混凝土抗凍性能要好。本試驗(yàn)中，水膠比為0.55的試件抗凍性能比其他幾個(gè)水膠比的試件抗凍性能要好，可能是由于本試驗(yàn)采用的引氣劑對(duì)“盾石”水泥有一個(gè)最優(yōu)摻量或由試驗(yàn)誤差造成。

2.2.2 粉煤灰摻量對(duì)相對(duì)動(dòng)彈性模量的影響

單獨(dú)考慮粉煤灰摻量與相對(duì)動(dòng)彈性模量之間的關(guān)系，經(jīng)過(guò)100次凍融循環(huán)以后的粉煤灰摻量與相對(duì)動(dòng)彈性模量的關(guān)系曲線，如圖2。

由圖2可以看出，隨著粉煤灰摻量的增大，其抗凍性能不斷的下降，對(duì)于摻量超過(guò)60%的混凝土，抗凍性能下降趨勢(shì)比較顯著。由于粉煤灰的火山灰反應(yīng)比較慢，粉煤灰混凝土的早期強(qiáng)度發(fā)展也比較緩慢，因而粉煤灰混凝土的早期抗凍性能相比普通混凝土要差。

2.2.3 綜合影響分析

由試驗(yàn)結(jié)果可知，相對(duì)動(dòng)彈性模量隨著水膠比、粉煤灰摻量的增大而減小，若將水膠比和粉煤灰摻量作為兩個(gè)獨(dú)立變量，可通過(guò)回歸分析，建立相對(duì)動(dòng)彈性模量與水膠比和粉煤灰摻量的二元線性回歸方程[3]。

由表4的數(shù)據(jù)分析可得如下結(jié)論：

（1）c值相對(duì)穩(wěn)定：表明在本試驗(yàn)條件和環(huán)境下，外界其他因素對(duì)混凝土抗凍性能的影響很小。

（2）a值變化越來(lái)越小：表明水膠比對(duì)混凝凝土凍融初期影響顯著，后期影響程度越來(lái)越小。

（3）b值初期變化大，后期逐漸穩(wěn)定：表明粉煤灰摻量對(duì)混凝土抗凍性能的影響在凍融初期顯著，后期趨于穩(wěn)定。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)抗凍試驗(yàn)表明：水膠比和粉煤灰摻量的增大對(duì)混凝土的抗凍性能起到不利作用，當(dāng)水膠比大于0.5，而且粉煤灰的摻量超過(guò)60%時(shí)，這種不利影響會(huì)更顯著。

（2）通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二元線性回歸可知：水膠比和粉煤灰摻量與相對(duì)動(dòng)彈性模量存在一定的線性關(guān)系；通過(guò)影響參數(shù)可知：水膠比和粉煤灰摻量對(duì)混凝土凍融初期影響較大，后期影響較小。陜西水利

[1]馮家山水庫(kù)志.陜西人民出版社.2004.6。

[2]顧世安.混凝土抗凍耐久性試驗(yàn)分析[J].低溫建筑技術(shù)，2009，（11）：10-11.

[3]中華人民共和國(guó)水利部.S L352－2006水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程[S].北京:中國(guó)水利水電出版社,2006.