南水北調中線干線工程京石段水工混凝土防凍脹破壞研究

張文龍

(銅仁市萬山區水務局,貴州 銅仁 554300)

0 引 言

南水北調是我國從南向北調水的重大項目,對我國的經濟、社會和生態環境都具有重大意義[1]。南水北調工程利用輸水管線,把水資源從南部輸送至北部。在南水北調工程中,水工混凝土一直作為主要材料用于渠道襯砌項目[2]。混凝土材料自出現以來,在建筑工程、水工結構和特種結構等領域得到廣泛應用,但研究發現混凝土材料容易受到化學侵蝕和鹽離子侵蝕,并且在低溫下易產生凍脹破壞等缺陷[3]。在南水北調中線干線工程運行中,由于華北地區地勢平坦、土地鹽堿含量過高且溫差較大,導致用于襯砌的水工混凝土出現凍脹破壞的現象,該地區的環境極大地降低了水工混凝土的使用年限,并且影響到南水北調工程的安全進行[4]。在這種情況下,對于水工混凝土的防凍脹破壞展開研究,提高水工混凝土的使用耐久性,是十分必要的。目前,對于凍融期循環作用下水工混凝土防凍脹破壞的研究已經十分廣泛,但在南水北調中線干線工程實際情況中的水工混凝土材料性能與耐久性的研究還較為缺失[5]。

因此,本文在不同侵蝕介質的情況下,對不同梯度粉煤灰摻量水工混凝土的質量損失率、抗壓抗折能力和相對動彈性模量規律進行分析,探討不同梯度粉煤灰摻量水工混凝土防凍脹破壞的性能差異,研究適合實際應用的水工混凝土粉煤灰摻量,以期提出更有效的水工混凝土防凍脹破壞方案,為南水北調中線干線工程提供參考。

1 京石段鹽凍侵蝕區域水工混凝土防凍脹破壞研究

1.1 鹽凍侵蝕區域調查分析與實驗方案設計

表1 侵蝕渠道區域年溫度分布情況

由表1可知,該侵蝕渠道區域的年溫度分布情況中的月溫度變化差異較大,晝夜溫差十分明顯。其中,最低氣溫為-18.5℃,最高氣溫為38.9℃。通過對某侵蝕渠道區域的環境進行調查分析,確定本次室內實驗的溫度和侵蝕介質。通過加速模擬實驗中渠道凍脹破壞性能。在實驗參數的選取中,凍融介質選擇清水溶液和5%的Na2SO4溶液,水工混凝土實驗樣品的中心溫度設置為-19℃～5℃。實驗的原材料包括水泥、骨料、拌合水、減水劑、粉煤灰、引氣劑、硫酸鈉和氯化鈉。本次實驗選擇常用的C30水工混凝土配比作為基準,耐久性指標選擇抗壓強度、抗折強度和質量損失等。

對不同粉煤灰摻量下水工混凝土耐久性變化展開研究。通過不同粉煤灰摻量的對比實驗,驗證不同粉煤灰摻量下水工混凝土耐久性變化。其余原材料按照基準要求添加,并保持添加量一致。按照侵蝕介質的不同,將水工混凝土實驗樣品分為兩組。其中,一組介質為清水;另外一組介質為5%的Na2SO4溶液。實驗樣品的制備和養護步驟見圖1。

圖1 樣品養護制備流程圖

由圖1可知,在水工混凝土樣品制備中,首先將攪拌機提前清洗并烘干;然后準備好各類原材料,包括水泥、沙子和石子等;對原材料進行稱重和攪拌后,倒入拌合水再次攪拌;將攪拌完成后的水工混凝土樣品裝入模具中,通過振動臺壓實;最后使用濕潤抹布蓋在模具上,24h后脫模并放置于養護室。

在本次加速凍融實驗中,首先按照標準對脫模后的實驗樣品進行為期24天的養護。24天后,將樣品浸泡于不同侵蝕介質中,為期4天。最后將完成浸泡的樣品按照編號放置于對應模具中,并置于凍融機內進行凍融實驗。在實驗過程中,需要注意每次凍融周期需要處于2～4h期間;融化時間在單次凍融循環中占比大于1/4;樣品中心溫度保持在-19℃～5℃之間;凍融機滿載運行,以保證同樣的凍融效果。

實驗停止條件為:①水工混凝土樣品達到規定的凍融次數。②樣品相對動彈性模量下降40%。③樣品質量損失率達到5%。本次加速凍融實驗見圖2。

圖2 水工混凝土加速循環凍融實驗圖

1.2 水工混凝土防凍脹評價指標構建

水工混凝土的凍脹會對水工建筑物產生重要影響,因此在評價水工混凝土的凍脹性能時,需要考慮多個指標。本次實驗中,水工混凝土的防凍脹指標選擇質量損失、動彈性模量、超聲波、抗壓能力和抗彎曲能力。其中,抗壓、抗彎曲能力反映出水工混凝土的力學性能;超聲波用于檢測凍融后不同配比樣本的內部損傷;動彈性模量和質量損失表現樣品在實驗中凍脹破壞的程度。

質量損失率能夠直接反映樣品的凍脹破壞情況,質量損失率越高時,表示樣品受到的凍脹破壞越嚴重。當ΔWni達到5%,本次樣品破壞,應停止實驗。在加速凍融實驗中,研究以25次凍融循環為一個周期,每個周次后計算一次質量損失率。在對樣品進行稱重前,需要確保樣品表面無殘留溶液,每組取3塊實驗樣品進行稱量,去除誤差超過1%的值,然后計算質量損失率。質量損失率的計算公式如下:

(1)

式中:ΔWni為樣i在n次凍融后的質量損失率;W0i為樣品i初始的質量;Wni為樣品i在n次凍融后的質量。

動彈性模量又稱作動力荷載的彈性模量,在本次實驗中用于評價水工混凝土的耐久性。動彈性模量計算中,同樣需要確保樣品表面無殘留溶液。對樣品稱重后將其置于桌面,將動彈儀發射端置于樣品中心,將接收端置于樣品中線邊緣。輸入樣品的質量和尺寸之后,等待動彈儀輸出樣品的動彈性模量結果,結果取3個樣品平均值,計算公式如下:

(2)

式中:Ed為樣品動彈性模量;a為正方形截面邊長;L為樣品長度;W為樣品質量;f為樣品橫向振動頻率。

超聲波檢測按照規范標準,將樣品劃分為相等區域,并在每50次凍融循環時進行檢測,取測得超聲波波速平均值。樣品所能承受的外界施加壓力極限為樣品的抗壓能力,能承受的極限折斷應力為抗折能力。抗壓能力和抗折能力是評價水工混凝土的重要力學性能指標。在水工混凝土渠道使用期間,水工混凝土因凍融循環作用而導致凍脹破壞,抗壓能力和抗折能力也大幅降低,嚴重影響建筑物的安全運行。本次實驗中,使用萬能試驗機對樣品的抗壓能力和抗折能力的強度進行檢測,抗壓能力和抗折能力的計算公式如下:

(3)

式中:fcu為樣品抗壓能力;F為樣品破壞荷載;A為樣品承壓面積;Ff為樣品抗折能力;l、b、h分別為樣品截面的長度、寬度和高度。

2 水工混凝土防凍脹破壞實驗結果

2.1 質量損失率變化分析

加速實驗中,水工混凝土的粉煤灰摻量設置為20%、25%、30%和35%。將粉煤灰摻量由低至高分為A值、B組、C組和D組,每組包括10份水工混凝土樣品,取測試平均值進行對照分析。實驗所用侵蝕介質選用清水和5%Na2SO4溶液作為對照。凍融循環次數為140次。在控制其他變量不變的情況下,對水工混凝土樣品的質量損失率、抗壓能力、抗折能力和相對動彈性模量進行分析,得到不同介質中水工混凝土質量損失率變化情況,見圖3。

圖3 不同介質中水工混凝土質量損失率變化

圖3(a)為清水介質中質量損失率的變化情況。在前100次凍融循環中,各梯度粉煤灰摻量的樣品質量損失率與凍融次數呈現正相關,斜率保持近似一致,并且粉煤灰摻量較低的樣品斜率更低。在100次凍融循環后,20%粉煤灰摻量樣品的質量損失率曲線無明顯變化,20%以上粉煤灰摻量樣品的質量損失曲線斜率變大,質量損失急劇增加。在140次凍融循環時,僅有20%粉煤灰摻量的樣品未發生破壞。

圖3(b)為5%Na2SO4溶液中質量損失率的變化情況。在前60次凍融循環中,各梯度粉煤灰摻量的樣品質量損失率呈現緩慢減小的情況,表明樣品的質量有少量增加。這是由于在5%Na2SO4溶液侵蝕初期,硫酸鹽離子進入樣品內部產生化合物,合適的水工混凝土內部產生冰晶,從而影響到樣品的質量。但在60次凍融循環后,各梯度粉煤灰摻量的樣品質量損失率急劇上升,其中20%粉煤灰摻量的樣品質量損失最低,其余梯度粉煤灰摻量樣品在140次凍融循環時均已發生破壞。

2.2 抗壓能力變化

圖4為水工混凝土抗壓能力變化曲線。

圖4 不同介質中水工混凝土抗壓能力變化

圖4(a)為清水介質中抗壓能力的變化情況。水工混凝土樣品的抗壓能力隨凍融循環次數的增加,呈現不斷下降的趨勢。但在凍融循環開始前,不同梯度的粉煤灰摻量抗壓能力已經有所差異,其中粉煤灰摻量越低的水工混凝土抗壓能力越強。在整個凍融循環中,20%粉煤灰摻量的樣品始終保持最佳的抗壓強度。

圖4(b)為5%Na2SO4溶液中抗壓能力的變化情況。在前80次凍融循環中,各梯度粉煤灰摻量的樣品抗壓能力呈現緩慢減小的情況。在80次循環后,各梯度粉煤灰摻量的樣品抗壓能力急劇降低,但在100次循環時恢復緩慢降低的趨勢。實驗結果驗證了同等條件下,粉煤灰摻量為20%的水工混凝土樣品的抗壓能力最強,并且粉煤灰摻量對樣品抗壓能力影響顯著,摻量越低水工混凝土防凍脹能力越強。

2.3 抗折能力變化

圖5為水工混凝土抗折能力變化曲線。

圖5 不同介質中水工混凝土抗折能力變化

圖5(a)為清水介質中抗折能力的變化情況。水工混凝土樣品的抗折能力隨凍融循環次數的增加,呈現不斷下降的趨勢。但在凍融循環開始前,不同梯度的粉煤灰摻量抗折能力已經有所差異,其中粉煤灰摻量越低的水工混凝土抗折能力越強,且差異明顯。在凍融循環中,20%粉煤灰摻量的樣品始終保持最佳的抗折強度。

圖5(b)為5%Na2SO4溶液中抗折能力的變化情況。在前60次凍融循環中,各梯度粉煤灰摻量的樣品抗折能力呈現緩慢減小。在60次循環后,各梯度粉煤灰摻量的樣品抗折能力下降更為劇烈。實驗結果驗證了同等條件下,粉煤灰摻量為20%的水工混凝土樣品的抗折能力最強,并且粉煤灰摻量對樣品抗折能力影響顯著。

2.4 相對動彈性模量變化

圖6為水工混凝土在不同侵蝕介質中的相對動彈性模量變化曲線。

圖6 不同介質中水工混凝土相對動彈性模量變化

圖6(a)為清水介質中的相對動彈性模量變化。在清水介質中,水工混凝土樣品的相對動彈性模量與凍融循環次數呈負相關。在60次凍融循環之前,不同梯度粉煤灰摻量的樣品相對動彈性模量下降緩慢;60次凍融循環時,均保持95%以上的相對動彈性模量;60次凍融循環后,各樣品的相對動彈性模量開始急劇下降。整體來看,20%粉煤灰摻量的樣品相對動彈性模量始終最佳。

圖6(b)為5%Na2SO4溶液中相對動彈性模量變化。在5%Na2SO4溶液中,水工混凝土樣品的相對動彈性模量與凍融循環次數呈負相關。80次凍融循環前,各梯度樣品的相對動彈性模量下降緩慢;80次凍融循環時的相對動彈性模量維持在80%以上;80次凍融循環后,各樣品的相對動彈性模量開始急劇下降。其中,30%粉煤灰摻量的樣品在100次凍融循環時發生破壞,35%粉煤灰摻量的樣品在112次凍融循環時發生破壞,25%粉煤灰摻量的樣品在119次凍融循環時發生破壞,20%粉煤灰摻量的樣品在122次凍融循環時發生破壞。

3 結 論

水工混凝土防凍脹破壞,一直以來都是南水北調工程中的重點項目之一。本次研究通過改變粉煤灰摻量,分別在清水和5%Na2SO4溶液中測試水工混凝土性能變化。研究仿照南水北調中京石段某渠道水工實際環境,搭建了室內凍融期加速實驗。實驗結果表明,粉煤灰摻量與水工混凝土質量損失呈正相關,與抗壓、抗折能力呈負相關,與相對彈性模量呈負相關。在對比實驗中,20%粉煤灰摻量的樣品展現出最好的性能。