高寒地區(qū)渡槽現(xiàn)澆混凝土抗凍性試驗研究

倪 明

(中國水利水電第十工程局有限公司，成都 610037)

1 工程背景

某灌溉工程區(qū)位于四川盆地與青藏高原的過渡地帶，平均海拔2 190～2 560m，主要為長江水系切割改造下的斷陷盆地地貌景觀。工程區(qū)屬高原大陸性氣候，冷干時期較長，暖濕時期較短，雨熱同期，日照充足，多年平均氣溫為7.2℃，極端最高氣溫為34.3℃，極端最低氣溫為-23.8℃，多年平均降水量244.1mm，多年平均蒸發(fā)量(E601蒸發(fā)器)為1 252.4mm，年日照時數(shù)2 904h，太陽總輻射量為每年1 512cal/cm2，年平均風(fēng)速為2.1m/s。

工程設(shè)計總控制灌溉面積為1.334 7×104hm2，其中現(xiàn)狀灌溉面積為0.8×104hm2，規(guī)劃新增灌溉面積為0.534 7×104hm2，干渠設(shè)計流量為9.43m3/s，加大流量11.6m3/s，灌溉設(shè)計保證率為P=75%，年引水量為11 231×104m3，屬Ⅲ等中型工程。干渠總長52.295km，流量分段為8段，其中明(暗)渠段長11.997km，占干渠總長度的22.95%；隧洞15座，總長30.60km，占干渠總長度的58.54%；渡槽25座，總長8.33km，占干渠總長度的15.94%；倒虹吸4座，總長1.34km，占干渠總長度的2.53%；干渠其它建筑物169座。由于干渠的設(shè)計流量及槽身斷面均較大，跨度為10m時，一跨槽身自重約60t，采用預(yù)制吊裝所需機械較大，考慮施工水平及施工道路的限制，大部分渡槽槽身采用現(xiàn)澆砼，小部分渡槽槽身采用整體預(yù)制吊裝[1-2]。

2 試驗概況

2.1 原材料

試驗原材料主要包括P.O 42.5普通硅酸鹽水泥、Ⅱ級粉煤灰、粗骨料(5～30mm連續(xù)級配，孔隙率47%，含水率0.3%，壓碎指標6.6%)、細骨料(中粗砂，細度模數(shù)為2.64，堆積密度為1 550kg/m3，含泥量為1.3%)、尾礦砂、自來水。

2.2 試驗配合比

試驗前，先對渡槽混凝土的基礎(chǔ)配合比進行計算和設(shè)計。按照相關(guān)標準[3-4]，確定渡槽混凝土的水膠比為0.44，每立方米渡槽混凝土中水泥、細骨料、粗骨料和水的用量分別為438、617、1 152和193 kg。由于工程屬于高海拔地區(qū)，晝夜溫差大，冬季氣溫極低，且持續(xù)時間長，要求混凝土具有較好的抗凍性能。因此，擬采用粉煤灰和尾礦砂對渡槽混凝土進行性能改善，同時考慮粗骨料粒徑的影響，對渡槽混凝土進行正交試驗。

采用三因素四水平方案(L1643)進行正交試驗，見表1。粉煤灰摻量(替代水泥比例，A因素)分別為0、10%、20%和30%，尾礦砂摻量(替代細骨料比例，B因素)分別為0、25%、50%和75%，粗骨料的粒徑(C因素)分別為5～15、15～20、20～25、25～30mm，每組配合比下均進行3次試驗，盡量減小試驗離散性的影響。

表1 正交試驗配合比方案

2.3 抗凍試驗方案

由于該地區(qū)晝夜溫差大，會導(dǎo)致渡槽結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度分布不均勻，從而產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力。為減小溫度應(yīng)力帶來的影響，除了提升渡槽混凝土抗凍性，還需盡可能提升導(dǎo)熱系數(shù)，故利用DRE-Ⅲ多功能快速導(dǎo)熱系數(shù)測試儀對渡槽混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)進行測試[5-6]。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 質(zhì)量損失率

不同配合比方案下渡槽混凝土質(zhì)量損失率試驗結(jié)果見圖1。由圖1可知，在0～100次凍融循環(huán)下，渡槽混凝土的質(zhì)量損失率均小于5%，且一直處于較低水平。試驗14-16組試件在進行到100次凍融循環(huán)后，發(fā)生崩解破壞，故而未能測得質(zhì)量損失率。在16組配合比方案中，相同凍融循環(huán)次數(shù)下，試驗1-8組的質(zhì)量損失率要明顯小于試驗9-16組的質(zhì)量損失，說明粉煤灰摻量對渡槽混凝土抗凍性有顯著性影響。當(dāng)粉煤灰摻量為0～10%時，粉煤灰可有效填充尾礦砂帶來的結(jié)構(gòu)孔隙，混凝土試件的密實性較好，具有更好的抗?jié)B性；當(dāng)粉煤灰摻量繼續(xù)增加時，混凝土中水泥量減少，而且尾礦砂的吸水性大于普通砂，導(dǎo)致混凝土水化反應(yīng)不足，混凝土結(jié)構(gòu)密實性反而降低，故而質(zhì)量損失反而增大。相同配合比下，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，大部分試件的質(zhì)量損失均呈逐漸增大的變化特征，有少量試件質(zhì)量出現(xiàn)先減小后增大的變化特征。這是因為在凍融循環(huán)初期，試件內(nèi)部的水分被凍結(jié)成冰并附著在結(jié)構(gòu)中，而此時凍融對試件結(jié)構(gòu)的損傷作用還不太明顯，因而質(zhì)量會出現(xiàn)增加現(xiàn)象；隨著凍融試驗的進行，損傷作用逐漸顯現(xiàn)，故而質(zhì)量損失逐漸增大。

圖1 質(zhì)量損失對比

3.2 相對動彈性模量

不同配合比方案下渡槽混凝土相對動彈性模量試驗結(jié)果見圖2。由圖2可知，相同配合比方案下，渡槽混凝土的相對動彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈逐漸減小的變化特征，凍融循環(huán)100次后，試驗1-13組的相對動彈性模量分別為65.2%、68.2%、70.1%、64.3%、72.3%、76.2%、70.4%、66.5%、72.4%、70.3%、64.3%、65.9%和60.16%，試驗14-16組相對動彈性模量低于60%(發(fā)生崩解破壞)。總體而言，粉煤灰摻量為10%的試驗5-8組，相對動彈性模量最高；粉煤灰摻量為20%的試驗9-12組，相對動彈性模量其次，不摻入粉煤灰試驗組(1-4組)的相對動彈性模量較低；而摻入30%粉煤灰試驗組(13-16組)的相對動彈性模量最小，說明粉煤灰存在一個最佳摻量范圍，摻量過多或者過少均會造成抗凍性能降低。相同粉煤灰摻量下，當(dāng)?shù)V粉摻量為25%～50%時，渡槽混凝土的相對動彈性模量最高。這是因為尾礦砂本身具備較好的加固特性，可以提升混凝土的強度，但是也會增加混凝土的孔隙間隙，給抗凍性帶來不利影響；而當(dāng)摻入一定量粉煤灰后，可以起到良好的填充作用，能夠中和尾礦砂帶來的不利影響，從而保證混凝土同時具備良好的強度特性和抗凍性。

圖2 相對動彈性模量對比

3.3 導(dǎo)熱系數(shù)

同配合比方案下渡槽混凝土導(dǎo)熱系數(shù)試驗結(jié)果見圖3。由圖3可知，不摻入粉煤灰和尾礦砂混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)較低，約為1W/m·k。當(dāng)僅摻入粉煤灰時，隨著粉煤灰摻量增加，渡槽混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增大；當(dāng)粉煤灰摻量達到30%時，導(dǎo)熱系數(shù)增大至1.819W/m·k，提升幅度達到82%。當(dāng)同時摻入粉煤灰和尾礦砂時，導(dǎo)熱系數(shù)得到進一步提升；當(dāng)粉煤灰摻量為0～20%且尾礦砂摻量為50%，可以使混凝土導(dǎo)熱系數(shù)達到最大值；當(dāng)粉煤灰摻量為30%且尾礦砂摻量為25%，可以使混凝土導(dǎo)熱系數(shù)達到最大值；小粒徑骨料混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)普遍高于大粒徑骨料混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)。尾礦砂中含有許多礦物成分，能夠起到提升導(dǎo)熱性能的作用，導(dǎo)熱系數(shù)越好的混凝土，可以降低渡槽混凝土內(nèi)外部的溫差，減小溫度應(yīng)力的影響，從而增強抗凍性能[7-8]，而粉煤灰則會彌補尾礦砂所帶來的密實性能不好的問題。因此，混摻粉煤灰+尾礦砂可以對渡槽混凝土的抗凍性和導(dǎo)熱性能起到很好的改善作用。

圖3 導(dǎo)熱系數(shù)對比

3.4 方差分析

對正交試驗結(jié)果進行方差分析，結(jié)果見表2。從表2中可知，對于相對動彈性模量的影響，粉煤灰摻量>尾礦砂摻量>粗骨料粒徑；對于質(zhì)量損失的影響，仍為粉煤灰摻量>尾礦砂摻量>粗骨料粒徑；而對于導(dǎo)熱系數(shù)的影響，則是尾礦砂摻量>粉煤灰摻量>粗骨料粒徑；從抗凍性能和導(dǎo)熱性能考慮，粉煤灰摻量為10%～20%適宜，尾礦砂摻量為25%～50%適宜，粗骨料粒徑對渡槽混凝土抗凍性能的影響較小。

在正交試驗成果基礎(chǔ)上，對渡槽混凝土進行RSM響應(yīng)曲面優(yōu)化，最終將粉煤灰摻量定為15%，尾礦砂摻量定為40%，粗骨料粒徑15～20mm，渡槽的綜合性能可以達到最佳。在最佳配合比下，渡槽混凝土100次凍融循環(huán)后的相對動彈性模量為86%，質(zhì)量損失率為0.4% ，導(dǎo)熱系數(shù)為2.15W/m·k。

表2 方差分析結(jié)果

4 結(jié) 論

采用正交試驗方法，對高海拔地區(qū)灌溉工程渡槽現(xiàn)澆混凝土進行抗凍性試驗研究，結(jié)論如下：

1)粉煤灰摻量對渡槽混凝土抗凍性的影響最大，其次為尾礦砂摻量，影響最小的為粗骨料粒徑。

2)尾礦砂對渡槽混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響最大，其次為粉煤灰摻量，影響最小的為粗骨料粒徑。

3)混摻粉煤灰和尾礦砂，既可以發(fā)揮尾礦砂的導(dǎo)熱和加固特性，又可以起到良好的填充作用，中和尾礦砂對抗凍性帶來的不利影響。

4)當(dāng)粉煤灰摻量定為15%，尾礦砂摻量定為40%，粗骨料粒徑15～20mm，渡槽的抗凍性和導(dǎo)熱性能最佳。