永圣渡槽混凝土干縮與耐久性試驗研究

胡小梅 周鐵軍 陳崇德

(1.湖北省漳河工程管理局，湖北 荊門 448156；2.鄂北地區(qū)水資源配置工程建設(shè)與管理局，湖北 武漢 430071)

1 概 述

永圣渡槽位于湖北省漳河灌區(qū)四干渠北干23+000～23+600處，跨越永圣河，灌溉面積1.13萬hm2，設(shè)計流量為11.24m3/s，渡槽全長555m，縱坡0.0012，采用15m跨排架支撐簡支梁結(jié)構(gòu)，槽身橫斷面為矩形，斷面尺寸見圖1。

本文對C30渡槽槽身混凝土的干縮性能、抗凍性、抗?jié)B及抗化學(xué)侵蝕性(硫酸鹽侵蝕)等進行了研究，為其工程應(yīng)用提供重要的基礎(chǔ)試驗數(shù)據(jù)。

圖1 永圣渡槽橫斷面尺寸圖 (單位：cm)

2 混凝土原材料與配合比試驗

2.1 混凝土原材料試驗

2.1.1 原材料試驗方法

a.運用X射線熒光測試(XRF)、X射線衍射分析(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、綜合熱分析(TG-DTG-DSC)等測試技術(shù)，研究分析水泥、粉煤灰、河砂及碎石等原料的化學(xué)組成、礦物組成，以及粉煤灰的顆粒形態(tài)等。

b.采用勃氏透氣法、沸煮法(雷氏夾法)、維卡儀標準法等方法檢測水泥的比表面積、體積安定性、凝結(jié)時間，采用標準膠砂強度試驗測試水泥強度、粉煤灰的活性指數(shù)；采用篩析法進行河砂、碎石的細度模數(shù)與級配的檢測與分析。

c.采用混凝土坍落度試驗，以及強度(抗壓、劈裂抗拉)試驗，進行混凝土配合比設(shè)計及基本力學(xué)性能的研究；采用混凝土干縮性、抗凍性、抗?jié)B性試驗進行混凝土的變形性能和耐久性研究[1-2]。

2.1.2 原材料試驗結(jié)果

a.水泥。水泥為42.5普通硅酸鹽水泥，進行了比表面積、標準稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性、抗折強度、抗壓強度等測試，其主要性能、化學(xué)成分符合《通用硅酸鹽水泥》(GB 175—2007)、《水泥化學(xué)分析》(GB 176—2017)等相關(guān)規(guī)范的要求。

b.粉煤灰。所用粉煤灰為Ⅱ級粉煤灰，進行了化學(xué)成分及燒失量、礦物成分、細度、需水量比等測試，其主要技術(shù)性質(zhì)、化學(xué)成分符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596—2017)等規(guī)范的要求。

c.細骨料。試驗所用細骨料為普通河砂，對河砂的表觀密度、堆積密度、細度模數(shù)進行了試驗分析，其主要性能符合《水工混凝土施工規(guī)范》(SL 677—2014)的要求。

d.粗骨料。試驗采用的粗骨料為5～20 mm的連續(xù)級配石灰?guī)r碎石，取部分碎石顆粒，破碎后磨成細粉通過0.08mm的方孔篩，進行其XRD及綜合熱分析(TG-DTG-DSC)，主要對表觀密度、松散堆積密度、緊密堆積密度、飽和面干吸水率、含泥量、壓碎指標、針片狀含量等進行測試分析；其主要性能滿足《水工混凝土施工規(guī)范》(SL 677—2014)等相關(guān)規(guī)范的要求。

e.拌和用水。對化學(xué)成分、礦物成分等進行了檢測分析，其水質(zhì)的分析結(jié)果滿足《水工混凝土施工規(guī)范》(SL 677—2014)的要求。

2.2 混凝土配合比試驗

2.2.1 設(shè)計指標

永圣渡槽槽身混凝土性能的主要設(shè)計指標見表1。

表1 永圣渡槽槽身混凝土的主要設(shè)計技術(shù)指標(供混凝土試驗)

2.2.2 永圣渡槽槽身混凝土配合比設(shè)計

從表1可知，渡槽槽身混凝土的抗凍等級為F50，其抗凍性能要求不高，因此，在進行混凝土配合比設(shè)計時，考慮不摻入引氣劑，而通過摻入適量的減水劑和粉煤灰、降低水膠比的技術(shù)措施來提高混凝土的密實性，從而保證混凝土的抗凍性[3-4]。根據(jù)表1及《水工混凝土試驗規(guī)程》(SL 352—2006)的要求，對C30槽身混凝土配合比確定了0.38、0.40、0.43和0.45四組不同水膠比的混凝土進行試驗，成果見表2。

表2 永圣渡槽槽身混凝土配合比

2.2.3 混凝土性能試驗

依據(jù)《水工混凝土試驗規(guī)程》(SL 352—2006)、表2中四組配比，進行混凝土的拌和物性能試驗，成果見表3。

表3 渡槽槽身混凝土拌和物的和易性

從表3試驗結(jié)果可知，表2中幾組混凝土的坍落度都達到了設(shè)計要求，其中，水膠比為0.38的混凝土拌和物坍落度最小，且拌和物較黏稠，擴展度較小。水膠比為0.40和0.43的混凝土拌和物和易性較好，而水膠比0.45的混凝土拌和物流動性最大。

3 渡槽槽身混凝土的干縮與耐久性試驗

3.1 干縮性能試驗

3.1.1 試驗方法

采用接觸式混凝土收縮膨脹儀進行試驗，每組混凝土試件3個,尺寸為100mm×100mm×515mm。按照《水工混凝土試驗規(guī)程》(SL 352—2006)的相關(guān)規(guī)定,試件兩端預(yù)埋金屬測頭，試件成型后，送入養(yǎng)護室養(yǎng)護，兩晝夜后拆模并編號。試件拆模后，立即送干縮室(室內(nèi)溫度控制在20℃±2℃，相對濕度控制在60%±5%)并測長，此長度即為試件的基準長度。干縮齡期為3天、7天、14天、28天等,每個齡期測長一次，測長方法和測長方向與測基準長度的一致。

3.1.2 渡槽槽身混凝土的干縮性能及分析

對混凝土進行干縮性能試驗，結(jié)果見表4，繪制干縮率的變化趨勢圖,見圖2。

表4 混凝土干縮性能試驗結(jié)果

圖2 各組混凝土的干縮率與齡期的關(guān)系

從圖2可以看出，不同水膠比的混凝土各齡期干縮率的變化趨勢相同,干縮率隨著齡期的延長而增長，其干縮在早期(3天、7天)增長迅速，后期(28天)增長逐漸減緩。這是由于早期的干燥失水速度和水泥水化反應(yīng)速度均相對后期要快，因此混凝土的干縮在早期時增長迅速，后期逐漸減緩[5-6]。從圖2還可看出，在相同齡期時，混凝土的水膠比越小，其干縮率越大。其原因在于：這幾組混凝土的用水量相同(以保證混凝土拌和物的流動性符合施工設(shè)計要求)，當(dāng)其水膠比減小時，混凝土中水泥用量增加[7]。而在混凝土強度相近時，其干縮率主要影響因素是水泥用量，干縮率隨著混凝土水泥用量的增加而增大[8]。

3.2 渡槽槽身混凝土的抗凍性能

3.2.1 抗凍性試驗方法

按照《水工混凝土試驗規(guī)程》(SL 352—2006)規(guī)定的方法進行混凝土抗凍性試驗，凍融循環(huán)采用TDRF-2型風(fēng)冷式混凝土快速凍融裝置，凍融循環(huán)技術(shù)參數(shù)與規(guī)范規(guī)定一致。使用NEL-DTA型動彈儀檢測試件的動彈性。

3.2.2 渡槽槽身混凝土抗凍性能及分析

對各組混凝土的抗凍性能進行試驗，結(jié)果見表5和圖3。

表5 渡槽槽身混凝土抗凍性的試驗結(jié)果

圖3 各組混凝土在經(jīng)受凍融循環(huán)后的相對動彈性模量

由圖3可知，經(jīng)50次凍融循環(huán)后，四組混凝土的相對動彈性模量均大于60%，表明各組混凝土的抗凍性都滿足設(shè)計要求(不低于F50)。此外，在相同凍融循環(huán)次數(shù)時，水膠比為0.40(2號配比)的混凝土相對動彈模量最高，表明其抗凍性能在這四組混凝土中最好。

3.3 渡槽槽身混凝土的抗?jié)B性能

3.3.1 抗?jié)B性試驗方法

試驗采用《水工混凝土試驗規(guī)程》(SL 352—2006)中的混凝土抗?jié)B性試驗方法，儀器設(shè)備為HS-40型混凝土抗?jié)B儀，密封采用防水硅橡膠加密封膠圈雙層密封的方法。試件為上口直徑175mm、下口直徑185mm、高150mm的截頭圓錐體，每組混凝土成型六個試件。試驗時，從0.1MPa開始每隔8h增加0.1MPa水壓，取每組六個試件中三個表面出現(xiàn)滲水時的水壓力為最大水壓力。

3.3.2 渡槽槽身混凝土的抗?jié)B性能及分析

對渡槽槽身混凝土抗?jié)B性進行試驗，結(jié)果見表6。

表6 渡槽槽身混凝土抗?jié)B性能試驗結(jié)果

由表6可知，四組混凝土的抗?jié)B等級均大于W6。同時，水膠比對混凝土抗?jié)B性的影響明顯：水膠比增大時，混凝土的抗?jié)B性能下降；水膠比較小時，混凝土抗?jié)B性增強。因此，適當(dāng)?shù)亟档退z比能明顯改善混凝土的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)[9]，提高混凝土抗?jié)B性能。

3.4 渡槽槽身混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能

3.4.1 抗硫酸鹽侵蝕性能試驗方法

試驗按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082—2009)規(guī)定的試驗方法進行,試驗設(shè)備為CABR-LSB/Ⅲ型全自動混凝土硫酸鹽試驗機。硫酸鹽侵蝕溶液采用純Na2SO4和普通自來水配制。為保證試驗機中硫酸鹽溶液的濃度為5%，每隔30天更換一次溶液。

每個配比的混凝土成型6組尺寸為100mm×100mm×100mm的試件。標準養(yǎng)護至26天時，將試件從標準養(yǎng)護室中取出。擦干試件表面的水分，然后將試件放入烘箱中，并在(80±5)℃下烘48h。烘干結(jié)束后將試件在干燥環(huán)境中冷卻至室溫，移入CABR-LSB/Ⅲ型全自動混凝土硫酸鹽試驗機，開始進行硫酸鹽溶液干濕循環(huán)試驗。干濕循環(huán)30次、60次、90次時，取出混凝土試件，進行混凝土抗壓強度試驗，同時檢測同一齡期標準養(yǎng)護試件的抗壓強度。

混凝土抗壓強度耐蝕系數(shù)按式(1)計算：

Kf=(fcn/fco)×100

(1)

式中Kf——抗壓強度耐蝕系數(shù),%；

fcn——n次干濕循環(huán)后受硫酸鹽腐蝕的一組混凝土試件的抗壓強度測定值,MPa；

fco——與受硫酸鹽腐蝕試件同齡期的標準養(yǎng)護的一組對比混凝土試件的抗壓強度測定值,MPa。

3.4.2 渡槽槽身混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能及分析

在各組配比情況下，對混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能進行試驗，結(jié)果見表7。

表7 混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性試驗結(jié)果

由表7可知，四組混凝土在經(jīng)歷60次、90次5%硫酸鈉溶液的干濕循環(huán)后，其抗壓強度耐蝕系數(shù)均隨著水膠比的增大而減小，但在經(jīng)歷90次干濕循環(huán)后，試件的耐蝕系數(shù)仍不低于89%。這表明，這四組混凝土的抗硫酸鹽侵蝕等級均在KS90以上，具有較好的抗硫酸鹽侵蝕性能[10]。

3.5 混凝土干縮與耐久性性能試驗小結(jié)

四種水膠比的混凝土干縮變形性、抗凍性和抗?jié)B性等性能的試驗結(jié)果表明：

a.在保持混凝土單方用水量不變，并控制混凝土拌和物流動度在100～130mm的條件下，混凝土干縮隨著水膠比的減小而減小。因而，在本課題的研究條件下，提高混凝土的水膠比對混凝土的抗裂性有利。

b.抗凍性和抗?jié)B性試驗結(jié)果表明，本課題設(shè)計制備的四組混凝土的抗凍性、抗?jié)B性均能滿足工程設(shè)計要求(即抗凍等級不低于F50、抗?jié)B等級不低于W6)。在這四組混凝土中，以水膠比0.40的混凝土抗?jié)B性和抗凍性最好。

c.抗硫酸鹽侵蝕性能試驗結(jié)果表明，混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性隨著水膠比的增大而下降，四組混凝土的抗硫酸鹽侵蝕等級均不低于FS90。

3.6 渡槽槽身混凝土的推薦配合比

根據(jù)以上干縮性、抗凍性與抗?jié)B性的研究結(jié)果，結(jié)合混凝土和易性和力學(xué)性能(抗壓、劈裂抗拉強度)，并綜合考慮到成本等其他因素，推薦的永圣渡槽槽身混凝土配合比見表8。

表8 推薦的永圣渡槽槽身混凝土配合比

4 結(jié) 語

通過對原材料、混凝土配合比以及槽身混凝土的檢測試驗分析，掌握了應(yīng)用于混凝土工程的各種原材料性能指標及對于混凝土的影響規(guī)律，經(jīng)過反復(fù)試驗，提出了用于永圣渡槽槽身的混凝土配合比，為永圣渡槽的設(shè)計與施工提供了一定的理論基礎(chǔ)。實踐證明：所推薦的混凝土配合比應(yīng)用于永圣渡槽工程，混凝土外觀質(zhì)量良好，渡槽槽身各項性能滿足工程設(shè)計要求，社會效益和經(jīng)濟效益顯著。