電網工程中混凝土快凍法試驗與檢測分析

劉奕彤,馬海濤,金龍飛

(遼寧東科電力有限公司,遼寧 沈陽 110179)

0 引言

在電力系統中,不論是在變電設備GIS開關基礎、變壓器基礎、事故油池、集水井,或是在送電線路中桿塔基礎、電纜隧道,還是在發電過程中架設風機承臺與樁基,均是由不同規格混凝土來穩定支撐,混凝土出現在各種嚴酷環境中[1]。本文通過完整的混凝土快凍試驗,判斷混凝土隨著季節更替而存在的長期耐久性能損耗規律,并提出適當預防措施。

1 電力工程常見混凝土病害

1.1 變電工程

變電站具有變換電壓、調控電流方向、分配電流、調整電壓作用[2],并且混凝土在變電工程中應用非常廣泛。以某常規敞開式220 kV變電站為例,除掉變電站主控樓與二次保護間等構筑物外,變電站內變壓器、電抗器、站用變、GIS開關等設備均架設在混凝土之上,若混凝土強度與功能無法達到設計值,則以上設備在上臺時極易導致混凝土出現裂縫與損傷,且對應部位混凝土失效,繼而間接致使設備發生故障與電網運行波動。集油事故油池、傳輸信號電纜溝、生產生活所需用水的集水井等設置于場區標高以下設施,四壁均由混凝土支撐與保護,這些常年處于地表下,由土壤包裹的混凝土既要滿足設計強度,又要滿足自身各項長期耐久性能指標,方可保證設施內部水與油不會滲透到外部土壤,地表雨水也無法滲透到結構內部。

1.2 送電工程

常見送電工程均由線路、塔與塔基構成,塔基則由鋼筋混凝土完全打造,一般送電線路設計壽命至少為50年,這就要求混凝土基礎經得起嚴格考驗,既要保證塔傾斜撓度符合要求,又要滿足自身沉降量不超標;既要經受冬期寒冷低溫與雨水侵蝕,又要滿足混凝土自身各項長期耐久性指標,否則將對電網運行及財產造成極大損失。

另一種比較少見的送電工程是電纜隧道,可分為盾構、明挖2種形式。但其內部使用與構造均相同,并且均設置在地表下。原則是在不方便高空架設線路或是像重慶山城地區,架設電纜后在特定情況下會帶來一系列安全隱患時,經常采用電纜隧道形式。明挖隧道常使用現澆混凝土,盾構隧道常使用預制混凝土管片拼裝,但由于該部分常年處于地下,混凝土外部經防水防腐等材料處理后直接與地表土壤接觸,滲漏水與凍害仍是電纜隧道內部發生頻率較高問題[3]。

2 混凝土快速凍融檢測

2.1 檢測原因

在我國北方,環境溫度波動很大,極端時有-50 ℃極寒天氣,從而導致地面或屋面有積水,在一年四季乃至一天不同時段呈現為不同狀態,同樣混凝土外層在直接與水分接觸地方,也在經受著冰凍與融化雙重考驗。混凝土表面水分在冰凍時會出現凍脹現象,當冰融化成水后又將混凝土表面泥沙帶走,如此往復循環,對混凝土結構強度、自身質量,乃至鋼筋保護層厚度均造成極大損失。所以在北方大部分用于承重的混凝土基礎,在設計時均對抗凍性能有嚴格要求。

2.2 檢測時機

目前,我國對普通混凝土快速凍融試驗方法主要依據GB/T 50082—2009[4],所以混凝土試件澆筑后齡期達到24天時,應放置清水中浸泡4天(見圖1),其目的一是使混凝土表面處于濕潤狀態,浸泡4天可將混凝土表層及表層深處完全浸濕,便于后續凍融試驗;二是普通混凝土長期耐久性檢測時機往往是在28天齡期到達時開始檢測,所以浸泡時間必須是在澆筑后齡期達到24天時開始;三是由于在后續凍融試驗中,需要每25次循環后停止并稱量試件質量,若不提前浸泡4天,極易導致無法精準測量試件質量損失率。

圖1 混凝土試件在試模中浸泡

2.3 檢測設備

普通混凝土快凍法相較于慢凍法是一種新型檢測方法,目前我國東北大多數建材檢測實驗室檢測設備仍停留在慢凍法所需設備上(慢凍機、電子天平、壓力機),慢凍法檢弊端主要體現在檢測周期長、報告發放慢。

快凍法檢測需配備快凍試驗機、動彈性模量測定儀、電子天平(見圖2)與-40 ℃防凍液,又稱為“三機一液”。快凍試驗機作為貫穿整個試驗最主要檢測設備,控制器需達到實現溫度顯示、溫度控制、凍融過程轉化、循環次數自動記錄等功能[5],由防凍液通過熱傳導將熱量傳至試模與試模內部清水中,從而帶動混凝土試件整個溫升溫降全過程。電子天平與動彈性模量儀則為輔助檢測設備,在開始凍融試驗前和每25次循環停止后,均需要對混凝土試件進行質量測量與橫向基頻測量,最終通過此指標綜合判斷試件是否達到設計抗凍等級。

圖2 快凍試驗所需儀器

3 混凝土快速凍融檢測試驗

混凝土抗凍性能(快凍法)抗凍等級用F來表示,目前國內多數混凝土抗凍性設計值均采用50的整數倍來設計,如F50、F100、F150、F200……。本文基于設計最低值F50來介紹試驗具體步驟與注意事項。

3.1 檢測開展

快凍法檢測混凝土抗凍性能試件有別于慢凍法試件尺寸,快凍試件尺寸采用100 mm×100 mm×400 mm棱柱體試件,且抗凍試模內壁不建議刷機油等油性脫模劑。試件在完成4天浸泡后達到28天齡期時,可將試件與試模一并放入快凍試驗劑內開始進行試驗。需注意的是,試件與試模之間仍以清水為熱傳導介質,且試模內水面浸沒試件頂面高度應為5～20 mm,以確保后期隨著箱體內溫度升高,水分蒸發流失導致水面低于試件頂面。

每做25次凍融循環需取出試件并擦去試件外壁上浮渣與水分,且根據試件實際情況進行必要描述。一次凍融循環應控制在2～4 h內,且降溫時長為1～2.5 h、升溫時長為1～2 h。測溫試件為可循環使用,用沖擊鉆將非試驗試件沿縱向軸心位置鉆孔,后將測溫試件放在凍融機中間位置,將測溫傳感器探頭埋于測溫試件中心[6-7],用黃油、石蠟或硫磺等熱熔材料將試件頂部密封,確保試件中心部位無外界水分干擾,中心試件探頭可實時監測凍融機內試件溫度值,防凍液與對角線處放置的探頭用于監測箱體內最遠點與防凍液實時溫度,當達到最低與最高設定溫度值后,進入下一個循環階段。

3.2 檢測設計

當采用F50的1組3塊試件開展快凍試驗時,為探究凍融循環次數與相對動彈性模量、試件質量損失之間關系,將設定機器每10次凍融循環停止并采集數據,故本次試驗分別在初次、10次、20次、30次、40次、50次時采集動彈性模量與質量,即可測得實際凍融次數在滿足設計前提下,在哪個階段相對損失率過大,進而采取相應補救或改造措施。經N次凍融循環后第n個混凝土試件相對動彈性模量和質量損失率見式(1)、式(2),混凝土動彈性模量見式(3)。

(1)

式中:fN為經N次凍融循環后試件的橫向基頻,Hz;f0為凍融循環前試件橫向基頻初始值,Hz。

(2)

式中:W0為凍融循環前試件質量初始值,g;WN為經N次凍融循環后試件的質量,g。

Ed=13.244×10-4×WL3f2/a4

(3)

式中:a為試件正方形截面邊長,mm;L為試件長邊長度,mm;W為試件質量,kg;f為試件橫向振動的頻率,Hz。

3.3 檢測數據

通過每10次循環為一個觀測單元,測得3個試件每10次質量與橫向基頻(見表1、表2),同時根據公式算出試件質量損失率(見表3)與橫向基頻損失率(見表4)。繪制質量損失率、動彈性模量損失率與凍融循環次數關系曲線(見圖3、圖4),在即將達到設計值F50凍融循環次數時,可明顯看出,試件各項參數指標損失率呈增長態勢,斜率驟增,這是由于混凝土在快速凍融過程中剝落與其滲透性、表面飽和度、溶液冰點有關[8]。

表1 試件質量實測值 單位:g

表2 橫向基頻實測值 單位:Hz

表3 試件質量損失率 單位:%

表4 橫向基頻損失率 單位:%

圖3 質量損失率與凍融循環次數關系曲線

圖4 動彈性模量損失率與凍融循環次數關系曲線

由圖5可知,在完成50次凍融循環后,同一個試件外觀尺寸偏差達到峰值,已經由最初棱柱體消耗成不規則立方體,且試件表層水泥與細骨料均被試膜中水分所帶走,將內部粗骨料完全裸露在外,此時試件已完全失去混凝土自身使用價值,且混凝土某些物理性能會發生明顯變化[9]。

圖5 50次凍融循環試驗試件外觀對比

4 結語

混凝土快速凍融試驗與其他長期耐久性試驗以及力學試驗不同,需要對檢測時機及整個試驗節奏嚴格把握,從混凝土最初澆筑日期算起,直到檢測機構出具檢測結論,中間試驗過程容不得絲毫差錯。由于快凍法試驗相對嚴苛,繼而從檢測報告出具日期與混凝土施工澆筑日期可完整推算設計抗凍等級,甚至可推算每個凍融循環持續時間。能否承接混凝土快凍試驗,從側面反映檢測機構在混凝土檢測專業上的綜合能力,也能反映檢測人員個人綜合能力與執行能力。