輸電線路裝配式基礎(chǔ)用輕骨料混凝土試驗(yàn)研究★

滿 銀，朱振洋

(1.中國電力科學(xué)研究院有限公司,北京 100192; 2.國網(wǎng)新疆電力有限公司昌吉供電公司,新疆 昌吉 831100)

架空輸電線路工程裝配式基礎(chǔ)是用兩個(gè)或兩個(gè)以上預(yù)制構(gòu)件經(jīng)裝配、連接拼裝組合而成的基礎(chǔ)型式,宜用于缺水及砂石采集較困難,運(yùn)輸條件較好的平地和丘陵地區(qū),不宜在強(qiáng)腐蝕地區(qū)使用[1]。

裝配式基礎(chǔ)的基坑開挖回填和構(gòu)件裝配拼裝過程機(jī)械化施工程度高,避免了現(xiàn)場混凝土澆筑和養(yǎng)護(hù)濕作業(yè),預(yù)制構(gòu)件工廠化加工確保了成品質(zhì)量,基礎(chǔ)施工完成后即可轉(zhuǎn)序進(jìn)行上部立塔作業(yè),目前已在110 kV～750 kV電壓等級的架空輸電線路工程中得到了試點(diǎn)和推廣應(yīng)用[2-3]。應(yīng)用的基礎(chǔ)型式主要包括全預(yù)制混凝土裝配式基礎(chǔ)、預(yù)制混凝土板條與型鋼支架組合的裝配式基礎(chǔ)和全金屬裝配式基礎(chǔ)3種[4-8]。當(dāng)前存在的制約問題主要是單個(gè)基礎(chǔ)構(gòu)件重量較重,連接節(jié)點(diǎn)較多,現(xiàn)場運(yùn)輸和組裝困難。

輕骨料混凝土是指用輕粗骨料、輕砂(或普通砂)、水泥和水等配制而成的干表觀密度不大于1 950 kg/m3的混凝土[9-10]。由普通砂或部分輕砂做細(xì)骨料配制而成的輕骨料混凝土稱為砂輕混凝土,全部由輕砂做細(xì)骨料配制而成的輕骨料混凝土則稱為全輕混凝土。輕骨料混凝土與普通混凝土的本質(zhì)不同之處在于骨料中存在著大量孔隙,具有輕質(zhì)高強(qiáng)、抗裂性能好、耐久性能好、抗震性能好、耐火性能好、保溫性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)[11]。輸電線路裝配式基礎(chǔ)的預(yù)制構(gòu)件采用輕骨料混凝土制作,可以降低自重20%～30%,能有效解決目前存在的構(gòu)件運(yùn)輸和吊裝困難問題,并顯著降低施工現(xiàn)場作業(yè)難度和勞動(dòng)強(qiáng)度。

針對輸電線路裝配式基礎(chǔ)預(yù)制構(gòu)件自重和工作環(huán)境服役的使用要求,進(jìn)行了輕骨料混凝土在輸電線路裝配式基礎(chǔ)中的應(yīng)用研究。根據(jù)輕骨料的常用種類來源和輸電線路裝配式基礎(chǔ)的混凝土強(qiáng)度等級使用要求,選擇人造頁巖陶粒、天然浮石兩種輕骨料作為粗骨料,砂子、水泥與摻合料、外加劑采用常規(guī)原材料開展了LC30,LC35,LC40和LC45且干表觀密度低于1 900 kg/m3的8種砂輕混凝土的力學(xué)性能、耐久性能試驗(yàn)研究[12-13]。

1 原材料選用

拌合物性能直接影響混凝土的成型難度和施工便易性,輕骨料混凝土的生產(chǎn)按照裝配式基礎(chǔ)構(gòu)件工廠化預(yù)制生產(chǎn)方式進(jìn)行考慮,采用機(jī)械強(qiáng)制攪拌,坍落度控制在30 mm～80 mm。

1.1 輕粗骨料

頁巖陶粒又稱膨脹頁巖,以黏土質(zhì)頁巖、板巖等經(jīng)破碎、篩分,或粉磨后成球,燒脹而成,粒徑在5 mm以上。頁巖陶粒按工藝方法分為:經(jīng)破碎、篩分、燒脹而成的普通型頁巖陶粒;經(jīng)粉磨、成球、燒脹而成的圓球形頁巖陶粒。我國陶粒生產(chǎn)廠家主要分布在京津地區(qū)、珠三角地區(qū)、長三角地區(qū)、黑龍江省、新疆維吾爾自治區(qū)和湖北省宜昌市。

浮石又稱輕石或浮巖,容重小(0.3 g/cm3～0.4 g/cm3),是一種多孔、輕質(zhì)的玻璃質(zhì)酸性火山噴出巖,其氣孔體積占巖石體積的50%以上。浮石因孔隙多、質(zhì)量輕、容重小于1 g/cm3,能浮于水面而得名。我國浮石資源十分豐富,北起黑龍江、南至海南島的火山分布區(qū)都有浮石礦產(chǎn)分布,以北方地區(qū)為多,質(zhì)量較好,噴發(fā)年代較新,多產(chǎn)于沿海地區(qū)。

試驗(yàn)采用的人造頁巖陶粒產(chǎn)自湖北省宜昌地區(qū),密度等級為900級;采用的天然浮石產(chǎn)自河北省張家口地區(qū),密度等級為1 000級。性能指標(biāo)如表1所示。

表1 輕粗骨料性能指標(biāo)

1.2 砂子、水泥與摻合料、外加劑

試驗(yàn)用砂為河北產(chǎn)河砂,細(xì)度模數(shù)為2.7,含泥量為1.8%,泥塊含量為0,屬于Ⅱ區(qū)連續(xù)級配,堆積密度為1 480 kg/m3。膠凝材料選用普通42.5硅酸鹽水泥、礦渣粉和粉煤灰。外加劑為高性能聚羧酸系減水劑。

2 力學(xué)性能試驗(yàn)

輕骨料混凝土的干表觀密度采用破碎試件烘干法測定。輕骨料混凝土的干表觀密度、坍落度技術(shù)指標(biāo)如表2所示。總體而言,相同強(qiáng)度等級的浮石輕骨料混凝土的密度大于陶粒輕骨料混凝土。

表2 干表觀密度和坍落度

輕骨料混凝土的力學(xué)性能主要是抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度。不同粗骨料類別的輕骨料混凝土28 d的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表3 28 d抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度

對比陶粒輕骨料混凝土和浮石輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度指標(biāo),兩者有高有低,基本相當(dāng);劈裂抗拉強(qiáng)度指標(biāo)普遍為抗壓強(qiáng)度的10%左右,相比普通混凝土而言略有降低,這主要是因?yàn)檩p骨料的強(qiáng)度普遍低于普通骨料。

3 耐久性能試驗(yàn)

混凝土結(jié)構(gòu)耐久性是指混凝土結(jié)構(gòu)在化學(xué)的、生物的或其他不利因素的作用下,在預(yù)定的時(shí)間內(nèi),其材料性能的劣化導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不可接受的失效概率。根據(jù)輸電線路裝配式基礎(chǔ)混凝土劣化的主導(dǎo)因素和作用機(jī)理,輕骨料混凝土耐久性主要進(jìn)行了抗氯離子滲透性能、抗硫酸鹽侵蝕性能、抗裂和收縮性能、抗凍融循環(huán)性能試驗(yàn)測試。

3.1 抗氯離子滲透性能

輕骨料混凝土抗氯離子滲透性能采用RCM方法。RCM試驗(yàn)用試件采用直徑為φ100±1 mm,高度為50±2 mm的圓柱體試件。輕骨料混凝土28 d,84 d RCM系數(shù)對比結(jié)果如圖1所示。

隨著混凝土強(qiáng)度等級的提高,混凝土RCM系數(shù)逐漸降低,說明混凝土抗氯離子滲透性能逐步提高。對比相同強(qiáng)度等級的兩種輕骨料混凝土,陶粒輕骨料混凝土的RCM系數(shù)普遍低于浮石輕骨料混凝土的RCM系數(shù),尤其是84 d的試驗(yàn)結(jié)果,說明陶粒輕骨料混凝土的抗氯離子滲透性能優(yōu)于浮石輕骨料混凝土。輕骨料混凝土試件養(yǎng)護(hù)84 d的氯離子擴(kuò)散系數(shù)可以降低至1.1×10-12m2/s左右,說明抗氯離子滲透性能非常優(yōu)異。

對于陶粒輕骨料混凝土而言,LCT30和LCT35混凝土的氯離子滲透性強(qiáng),抗氯離子滲透性能差,LCT40混凝土的氯離子滲透性中等,抗氯離子滲透性能較差,LCT45混凝土抗氯離子滲透性能較好;對于浮石輕骨料混凝土而言,LCF30,LCF35和LCF40混凝土的氯離子滲透性強(qiáng),抗氯離子滲透性能差,LCF45混凝土抗氯離子滲透性能較差。

3.2 抗硫酸鹽侵蝕性能

試驗(yàn)采用5%Na2SO4溶液進(jìn)行試件浸泡,每個(gè)干濕循環(huán)的總時(shí)間為(24±2)h,測定輕骨料混凝土的強(qiáng)度腐蝕系數(shù)。輕骨料混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能見圖2。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,輕骨料混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能與普通混凝土具有類似的規(guī)律。隨著強(qiáng)度等級的提高,混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能逐漸提高。陶粒混凝土和浮石混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能基本相當(dāng),陶粒混凝土略優(yōu)于浮石混凝土。

LCT30和LCT35陶粒輕骨料混凝土的抗硫酸鹽侵蝕等級為KS90,LCT40和LCT45陶粒輕骨料混凝土的抗硫酸鹽侵蝕等級為KS150,抗硫酸鹽侵蝕性能非常優(yōu)異。LCF30和LCF35浮石輕骨料混凝土的抗硫酸鹽侵蝕等級為KS90,LCF40浮石輕骨料混凝土的抗硫酸鹽侵蝕等級為KS120,LCF45浮石輕骨料混凝土的抗硫酸鹽侵蝕等級為KS150。

3.3 抗裂和收縮性能

輕骨料混凝土的早期開裂性能試驗(yàn)采用平板開裂模具,LC45級輕骨料混凝土早期開裂照片如圖3所示。

陶粒輕骨料混凝土的早期抗裂性能不如浮石輕骨料混凝土。隨著強(qiáng)度等級的提高,陶粒輕骨料混凝土的早期開裂性能逐步提高,浮石輕骨料混凝土無類似規(guī)律。總體而言,浮石輕骨料混凝土的早期抗裂性能非常好;陶粒輕骨料混凝土LCT30和LTC35的早期抗裂性能差,LCT40早期抗裂性能較差,LCT45早期抗裂性能好。輕骨料混凝土的干燥收縮率與齡期的關(guān)系曲線見圖4。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,可以得出:1)隨著齡期的延長,陶粒輕骨料混凝土和浮石輕骨料混凝土的干燥收縮值逐步增大,陶粒輕骨料混凝土在45 d之前收縮速率較大,45 d之后逐步放緩;浮石輕骨料混凝土在28 d之前收縮速率較大,28 d之后逐漸放緩。2)不同強(qiáng)度等級的輕骨料混凝土的收縮值大小無顯著差異,陶粒輕骨料混凝土和浮石輕骨料混凝土的試驗(yàn)規(guī)律類似。3)陶粒輕骨料混凝土的干燥收縮數(shù)據(jù)與普通混凝土基本上相當(dāng)(大約為400×10-6～600×10-6),而浮石輕骨料混凝土的干燥收縮值比陶粒輕骨料混凝土高60%～80%。

3.4 抗凍融循環(huán)性能

輕骨料混凝土快速凍融試驗(yàn)采用尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試件,每組3塊。輕骨料混凝土的快速凍融試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

輕骨料混凝土的抗凍性能優(yōu)于普通混凝土。隨著強(qiáng)度等級的提高,輕骨料混凝土的抗凍性能逐漸提高。

總體而言,陶粒輕骨料混凝土的抗凍性能略優(yōu)于浮石輕骨料混凝土。對陶粒輕骨料混凝土而言,LCT30,LCT35,LCT40和LCT45混凝土的抗凍等級依次為F150,F200,F200和F250。對浮石輕骨料混凝土而言,LCF30混凝土的抗凍等級為F150,LCF35,LCF40和LCF45混凝土的凍融破壞循環(huán)次數(shù)為225次,略低于陶粒混凝土。

4 結(jié)論

針對輸電線路裝配式基礎(chǔ)預(yù)制構(gòu)件自重和工作環(huán)境服役的使用要求,選擇人造頁巖陶粒、天然浮石兩種輕骨料作為粗骨料,砂子、水泥與摻合料、外加劑采用常規(guī)原材料開展了LC30,LC35,LC40和LC45且干表觀密度低于1 900 kg/m3的8種砂輕混凝土的力學(xué)性能、耐久性能試驗(yàn)研究。1)輕骨料混凝土的力學(xué)性能和耐久性能指標(biāo)良好,可以在輸電線路裝配式基礎(chǔ)中進(jìn)行推廣應(yīng)用。2)與浮石輕骨料混凝土相比,陶粒輕骨料混凝土的耐久性能優(yōu)勢更加明顯。