寒冷地區運煤棧橋結構混凝土耐久性試驗

楊源遠 樊 平

(陜煤集團神木紅柳林礦業有限公司，陜西榆林 719300)

1 概述

運煤棧橋是煤礦和燃煤電廠的重要構筑物。大型煤礦輸煤棧橋的土建投資高達數千萬元，承擔著將煤炭快速運輸的重要作用，棧橋在長期使用過程中，在各種自然環境或人為因素作用下，隨著服役時間的推移，結構材料將發生老化和損傷，這是一個永久不可逆的過程，這種損傷累積導致結構性能劣化，承載力下降，耐久性能降低［1，2］。對于新建棧橋而言，在竣工初期對其進行結構性能退化規律研究不僅能夠掌握結構構件的性能退化規律，揭示潛在的危險，同時還能依據研究結果制定合理的使用及維護方案，提高建筑物的安全性能，延長其使用年限［3-5］。因此，對棧橋結構耐久性和壽命預測進行深入、系統的研究就顯得尤為重要。

陜煤化集團紅柳林礦業有限公司運煤棧橋位于榆林市神木縣西北15 km，位于神木縣瑤鎮鄉、麻家塔鄉及店塔鄉交接地段(如圖1所示)。棧橋總長約5.6 km;抗震設防烈度為6度(第一組)，基本地震加速度為0.05g。棧橋運煤通廊采用鋼桁架結構，支架采用鋼筋混凝土框架結構，柱和梁的混凝土強度設計等級為C30，設計混凝土保護層厚度為30 mm。

圖1 紅柳林棧橋

該地區冬季寒冷、漫長，皮帶棧橋結構長期遭受到凍融侵害導致混凝土構件表面損傷、內部劣化、強度下降，加速了腐蝕性介質的侵入。同時，棧橋結構暴露在大氣環境中，還將遭受二氧化碳氣體的侵蝕，從而導致鋼筋鈍化、銹蝕，構件承載力下降。為掌握運煤棧橋結構混凝土的性能退化規律，利用該棧橋主要構件(梁、柱)現場施工時的材料及配合比制作了一批混凝土試件，養護到齡期后進行室內試驗和室外自然暴露試驗。試驗內容包括:混凝土碳化試驗、凍融試驗、堿骨料反應試驗。

2 混凝土試驗配合比

為使試驗情況更加接近棧橋的實際工作情況，本次試驗所用試件采用與棧橋實際施工同配比、同材料的混凝土，并且與棧橋構件混凝土同條件養護。結合現場情況并查閱相關施工質量控制單，完成了現場原材料及配合比的確定。水泥采用聲威水泥廠P.O42.5R水泥;細骨料為常家溝砂子;粗骨料為電塔卵石，粒徑20 mm～40 mm連續級配。棧橋主要構件的混凝土配合比及設計強度等級見表1。

表1 主要構件混凝土配合比設計

3 耐久性試驗

3.1 混凝土碳化試驗

參照規范［6］對棧橋的混凝土試件進行快速碳化試驗，試件尺寸為150 mm×150 mm×300 mm。在溫度為60℃的烘箱中烘干48 h后，然后再放入碳化箱。碳化箱內的環境條件為溫度:(20±5)℃;濕度:(70±5)%;二氧化碳濃度:(20±3)%。測試時，用濃度為1%的酚酞乙醇指示劑噴于斷裂面，從試件表面到混凝土變色邊界，每邊測量9個位置的碳化深度，取其算術平均值作為試件的碳化深度值。分別測定7 d，14 d，28 d，56 d的碳化深度，測試值精確到0.5 mm?；炷猎嚰B護到規定時間后，棧橋主要構件混凝土碳化深度變化規律見圖2。

圖2 碳化深度變化規律

由圖2可知，混凝土碳化深度受混凝土強度影響較大，混凝土碳化深度隨碳化時間的增長而增大。

3.2 混凝土凍融試驗

參照規范［6］對棧橋主要構件的混凝土試件進行了快速凍融試驗，具體步驟如下:1)將養護到28 d的混凝土試件從養護室取出，觀察其外表，放入(20±2)℃的水中浸泡4 d后取出擦干表面水分稱量質量。浸泡時水面高出試件頂面20 mm;2)把試件放入160 mm×160 mm×490 mm厚度為1.2 mm的鐵皮盒子中，再把盒子放入裝有冷凍液的凍融箱里。試件盒內加入自來水，水分高于試件頂面10 mm。且凍融箱內冷凍液液面高于試件盒內自來水液面;3)在頂面中心留有直徑10 mm，長150 mm孔的溫控試件中插入溫度傳感器，放入試件盒中作為測溫試件。將測溫試件放入凍融箱的中心位置，用以測定凍融箱內中心試件內部溫度。試件盒內空余空間由防凍液填滿，防凍液面高度高于試件頂面;4)每次凍融循環在2 h～4 h內完成，且融化時間不得少于一次循環時間的1/4;5)保證在冷凍以及融化終了時，試件中心溫度分別控制在(－18±2)℃和(5±2)℃，且任何時刻中心溫度不得高于7℃，也不得低于－20℃;6)每個試件從5℃～－16℃的耗時不得少于冷凍時間的1/2。每個試件從－16℃～5℃的耗時也不能少于融化時間的1/2，試件內外溫差不宜相差28℃;7)冷凍和融化之間的轉換時間不宜超過10 min。凍融循環達到以下3種情況之一便可終止試驗:a.凍融循環已達到300次;b.相對初始動彈性模量下降超過40%;c.相對初始質量損失超過5%。本次試驗分別測試凍融循環次數為0次，25次，50次，75次，100次，125次，150次，175次時混凝土試件的動彈性模量、質量及抗壓強度，試驗結果見圖3。試驗過程中，隨著凍融次數的增加，混凝土試件表面的水泥砂漿不斷剝落，其中澆筑面剝落情況最為嚴重，基本上初始面層全部剝落完畢。其余各面則首先出現數個小的蝕坑，隨凍融次數增加，蝕坑變大，最后呈現片狀剝落，表面砂漿層疏松。由圖3a)可以看出當凍融循環達到75次左右時，圖中線段較陡，這是由于此時試件部分骨料凍裂，試件較為薄弱面產生裂縫隨著凍裂面成塊剝落，此段試塊質量損失較大。在經歷175次凍融循環后，試件因為質量損失達到5%，凍融試驗終止。試驗結束后試件所有面均有粗骨料外露現象;由圖3b)可以看出雖然凍融循環導致試件質量不斷下降，但是試件動彈模量損失并不大，當凍融到第175次循環時，動彈模量損失不到31%，最后試件因為質量損失達到凍融耐久性極限。由圖3c)混凝土立方體試塊抗壓強度變化規律可以看出，試件的抗壓強度損失隨凍融循環次數的增加同樣較為緩慢，試驗結束時試件抗壓強度為初始的83.1%，表明試件在凍融破壞后仍具有一定的抗壓強度。

3.3 堿骨料反應試驗

1)堿骨料反應危害。

堿骨料反應是指混凝土中的堿與骨料中的活性組分之間發生的破壞性膨脹反應，是影響混凝土結構耐久性能的主要因素之一。該反應不同于其他混凝土病害，其開裂破壞是整體性的。而且反應一旦發生就很難阻止，更不易修補和挽救。

2)堿骨料反應測試方法及原理。

巖相法鑒定骨料活性是通過肉眼和顯微鏡對骨料進行觀察，鑒定骨料的巖石種類、結構構造及礦物成分，確定骨料是否含有堿活性礦物、堿活性礦物的類別以及堿活性礦物占骨料的重量百分含量，從而定性評定骨料的堿活性。硅質骨料膨脹率檢測方法:按水泥與試樣比 1∶2.25、水灰比0.47成型三個試件，標養24 h±2 h后，小心脫模并迅速將試件放入80℃ ±2℃的水浴放置24 h±2 h后測初長，完畢后將試件放入裝有足量養護液(1 mol/L NaOH溶液)的養護容器置于80℃ ±2℃的水浴中，自試件放于80℃養護液中算起，養護至齡期為14 d±2 h時，測定長度并計算膨脹率。當14 d齡期長度膨脹率小于0.10%時，將骨料評定為非堿—硅酸反應活性骨料;否則為堿—硅酸反應活性骨料。本次試驗采用兩種巖相法鑒定與膨脹率檢測相結合的方法。課題組從棧橋現場提取石子(10 kg)和砂子(3 kg)樣品，參照規范［7，8］進行本次堿骨料反應試驗。試驗儀器:磨片機、偏光顯微鏡及附件;破碎設備，方孔篩，天平，膠砂攪拌機，25 mm×25 mm×280 mm試模及測頭，測長儀，養護容器及恒溫水浴箱。

圖3 凍融試驗結果

3)巖相鑒定及膨脹率測試結果。

碎石:呈紅棕色，具有層狀構造。鏡下觀察主要由石英和紅棕色基質組成。石英棱角分明，磨圓度較差，基本上無波狀消光，粒度0.02 mm～0.08 mm。基質呈紅棕色，富含鐵質。主要成分及含量見表2。

表2 碎石巖相鑒定結果

砂:砂石呈肉紅色，肉眼可見堿性長石、石英等。鏡下觀察，礦物主要由正長石、斜長石、石英和巖屑組成。大部分顆粒磨圓度較高，少數的還有棱角。正長石表面渾濁，部分可見波狀消光，粒度0.5 mm～1 mm。斜長石可見卡納雙晶，粒度0.6 mm～1 mm。石英可見波狀消光，粒度0.5 mm～1.2 mm。此外還有一部分巖屑，巖屑以石英巖和碳酸巖為主。主要成分及含量見表3。

一組試件所有試件的膨脹率與平均值相差不大于0.01%，則認為結果有效，膨脹率測試結果見表4。

表3 砂巖相鑒定結果

表4 膨脹率檢測結果

由表4可知，粗、細骨料的膨脹率均變化甚微，不存在堿—硅酸反應危害，即棧橋結構所用材料不會發生堿骨料反應。

4 結語

1)棧橋混凝土碳化試驗結果表明，碳化深度受混凝土強度影響較大，隨著混凝土抗壓強度降低碳化深度逐漸增大。

2)混凝土凍融試驗表明，隨凍融次數的增加，廠區外山下試件損傷最為嚴重。

3)堿骨料反應試驗表明，粗細骨料的膨脹率均變化不大，不存在潛在的堿—硅酸反應危害。

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