黄河中下游水闸混凝土强度变化规律研究

宋力 王荆 曾玉 王雪奎

摘要：黄河中下游水闸因所处环境条件相似，故各种不同配合比及强度等级的混凝土强度理论上具有相似规律，针对已开展的43座水闸混凝土强度现场安全检测成果，分环境、分构件类型进行了统计分析，得到不同构件混凝土强度的推荐检测方法。考虑龄期、环境因素，研究了构件混凝土强度变化规律。结论如下：水闸现场安全检测中，闸底板和涵洞底板混凝土检测方法推荐钻芯法，闸墩及涵洞侧墙混凝土检测方法推荐钻芯修正回弹法，闸顶板、胸墙、闸门、涵洞顶板检测方法推荐回弹法，机架桥混凝土检测方法推荐超声回弹综合法；13-45 a龄期内，混凝土强度呈现增长趋势，第n类构件增长率最大，第Ⅰ类构件次之，第IQ类构件最小，从设计强度角度看，C13混凝土强度的增长率大于C18混凝土的；龄期大于45a后，混凝土强度趋于定值。

关键词：水闸混凝土；抗压强度；检测方法；变化规律；黄河中下游

中图分类号：TV663 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.03.032

混凝土广泛应用于黄河穿堤建筑物水闸中，针对既有建筑物的安全评价，混凝土强度是其中最重要的指标之一。黄河中下游穿堤建筑物水闸混凝土有长期水下、水下和水上交替变化及完全水上三种使用环境，水闸运行时间为13～45a，混凝土强度变化内因与原设计强度密切相关，外因与所处环境条件、使用龄期密切相关[1]。现有研究成果表明，5a龄期的少水泥碾压混凝土的孔隙率随龄期的增长而减小，孔隙结构得到改善，混凝土强度得到提高[2]，这属于混凝土强度提高的微观分析。宏观上混凝土强度与龄期的增长呈对数相关，混凝土强度增长基本在1a后趋于稳定[3-6]。国内外对混凝土强度随龄期的发展规律研究多在5a龄期内，但相关研究在时间上连续性不够，多数只研究个别龄期，对龄期大于10a的混凝土强度随龄期增长规律[7-8]的相关研究较少，这对水闸安全评价混凝土结构安全程度的判别有影响。为研究混凝土强度与上述因素的相关性，笔者以黄河中下游43座水闸现场混凝土强度安全检测成果为依据，采用统计分析方法揭示其变化规律。

1 混凝土强度检测方法

在黄河中下游水闸的安全鉴定中，检测混凝土强度采用的方法有回弹法[9]、钻芯法[10]、钻芯修正回弹法[11]和超声回弹综合法[12]。

黄河中下游水闸混凝土构件包括闸底板、涵洞底板、闸墩、闸顶板、胸墙、涵洞侧墙、涵洞顶板、闸门及机架桥梁、板、柱等。在这些构件中，长期水下（第Ⅰ类）构件有闸底板和涵洞底板，水下和水上交替变化（第Ⅱ类）构件有闸墩、闸顶板、胸墙、涵洞侧墙、涵洞顶板和闸门，完全水上（第Ⅲ类）构件有机架桥梁、板、柱等。

（1）第Ⅰ类构件。第Ⅰ类构件的特点是混凝土含水率长期处于饱和状态，由于黄河多泥沙的特点，因此在混凝土与空气之间形成了一层水和泥沙混合的隔离层，使得混凝土与空气隔离。这些特点决定了第Ⅰ类构件混凝土在水闸投入运用后，一直处于养护良好的状态，理论上其强度增长效应最明显。第Ⅰ类构件需进行水闸清淤后才可开展混凝土强度检测，但由于现场条件限制，清淤和檢测相隔时间很短或基本连续开展，同时部分水闸存在不同程度的渗漏病害或施工尺寸偏差，因此造成第Ⅰ类构件开展检测时其表面大多仍处于水饱和状态。

回弹法是通过回弹值的大小来推定混凝土抗压强度的，回弹值大小反映了与冲击能量有关的回弹能量，而回弹能量反映了混凝土表层硬度与混凝土抗压强度之间的关系。对于第Ⅰ类构件，其表面水饱和的特点不符合采用回弹法的前提条件，更重要的是水、混凝土两相耦合介质与混凝土单相介质相比，其吸能作用更强，对表面的冲击能量具有削减作用，直接导致回弹值偏小，由此对混凝土强度检测会带来较大误差。为解决此问题，经过黄河水利科学研究院学者十多年的探索，通过对比各种不同检测方法的检测难易程度和修复措施，对第Ⅰ类构件采用钻芯法进行检测，可以较好地降低环境条件带来的检测误差，达到提高检测精度的目的。

（2）第Ⅱ类构件。第Ⅱ类构件的特点是混凝土含水率长期处于饱和与不饱和状态之间，且处于水流表面流速较大的位置，所受到的水流冲刷在三类构件中最为严重，加之多泥沙水流对其表面的冲刷起到了加剧的作用，其混凝土表面胶结料易流失造成粗骨料裸露。同时其处于水位变化区域，易受冻害影响，在此区域较多水闸混凝土表面呈现疏松脱落状。根据前期研究成果，第Ⅱ类构件碳化深度要远大于第Ⅰ类构件，理论上其混凝土强度应低于第Ⅰ类构件。

第Ⅱ类构件在水闸中占据的数量最多，检测工作量占整个检测工作的3/5多，其特点决定了想要制作符合检测前提条件的检测工作面，就需要对其表面进行打磨平整去除损伤区，因此其检测方法的选用需要考虑经济、人力、检测精度等多方面因素，是水闸安全鉴定中的控制性检测项目。

第Ⅱ类构件如果不处理而直接采用回弹法，那么混凝土表面不平整的特点将造成回弹值不集中、回弹能量跳跃等现象。在长期的检测实践工作中，对比构件处理后采用单一回弹法、钻芯回弹法等方法检测的精度，推荐采用以钻芯修正回弹法为主的方法对第Ⅱ类构件开展检测。对于操作空间不够或构件尺寸有限制的构件如闸顶板、胸墙、涵洞顶板和闸门，可采用回弹法进行检测，但需要注意检测面的处理必须满足规范要求，同时在后期分析中，应与同一环境条件下的混凝土进行结果比对后确定混凝土最终强度。

（3）第Ⅲ类构件。第Ⅲ类构件的特点是混凝土长期处于低含水率状态，较少受水流冲击及腐蚀，表面一般较完整，在三类构件中，其设计混凝土强度等级一般最高。从构件形式来看，其更符合规范[9]规定的杆构件，但与回弹法规范中侧重的构件环境条件相比，其直接遭受大气各种成分作用、风作用和强紫外线作用，更类似于工业环境下的构件。在检测结果中也可发现，第Ⅲ类构件的碳化深度是三类构件中最深的，且碳化深度在小于1000d龄期和大于1000d龄期的混凝土中，均呈现定值趋势，这说明其碳化在水闸投入运用后3a左右的时间内均已完成，并重新形成保护层。

第IQ类构件不属于水闸检测工作中的控制构件，检测工作量亦较小，其特点最符合回弹法检测的前提条件，但其碳化后混凝土表面形成的以CaCO3为主要成分的物质，由于具有高硬度的特点，势必造成其冲击回弹能量过大、回弹值过高的现象，带来所检测混凝土强度值与实际值相比偏大的后果，因此不宜采用单一回弹法，而应充分利用超声法对混凝土碳化深度的不敏感性特点，采用超声回弹综合测强法进行检测。

统计的黄河中下游43座水闸中，检测闸墩43个，闸顶板39个，闸底板39个，胸墙38个，涵洞侧墙（边墙、中墙）43个，涵洞顶板39个，涵洞底板39个，闸门28个，机架桥（含梁、板、柱）41个，43座水闸构件强度检测方法统计见表1。水闸构件采用的检测方法见图1，图1中横坐标A代表第Ⅰ类构件；B1代表第Ⅱ类构件的闸墩和涵洞侧墙；B2代表第Ⅱ类构件的闸顶板、胸墙、涵洞顶板和闸门；C代表第Ⅲ类构件。

综上所述，水闸现场安全检测中，闸底板和涵洞底板混凝土检测方法推荐钻芯法；闸墩及涵洞侧墙混凝土检测方法推荐钻芯修正回弹法；闸顶板、胸墙、闸门、涵洞顶板检测方法推荐回弹法，机架桥混凝土检测方法推荐超声回弹综合法。

2 水闸混凝土强度变化规律

2.1 混凝土强度增长率与龄期的关系

对黄河中下游河南段和山东段的水闸检测数据进行统计分析得知，黄河中下游水闸混凝土强度增长率随龄期增加基本上呈增长趋势，其中河南段混凝土强度增长率为1.27，山东段混凝土强度增长率为1.24，因此在13～45a龄期内，黄河中下游水闸的强度增长率为1.24～1.27。

2.2 混凝土强度增长率与环境的关系

对黄河中下游不同使用环境的水闸构件强度检测数据进行统计分析得知，黄河中下游不同使用环境的水闸构件的混凝土强度增长率各不相同（见图2，其中横坐标A代表第Ⅰ类构件，B代表第Ⅱ类构件，C代表第Ⅲ类构件）。

根据统计分析得到，水闸第Ⅰ类构件混凝土强度增长率河南段为1.21，山东段为1.13；水闸第Ⅱ类构件混凝土强度增长率河南段为1.54，山东段为1.60；水闸第Ⅲ类构件混凝土强度增长率河南段为0.99，山东段为0.95。

根据上述分析，构件混凝土强度增长率与其所处的环境有关系，水闸第Ⅰ类构件处在水下环境中，这样混凝土碳化深度比较小。根据以往的研究，碳化混凝土强度一般比未碳化混凝土的强度高[13]。水闸第Ⅰ类构件的混凝土强度增长率比水闸第11类构件混凝土强度增长率低，水闸第Ⅱ类构件处在水上和水下交替的环境下，这样有助于混凝土的碳化。水闸第Ⅲ类构件混凝土强度增长率则比较低，原因是其碳化深度过大，按照规范评定后对其强度推定值的削减作用大。

2.3 考虑设计强度因素时水闸混凝土强度增长率与龄期的关系

黄河中下游水闸闸室段及涵洞段混凝土設计强度一般是C13和C18，由于不同龄期的水闸混凝土强度分布不均匀，因此以相同样本数进行统计，得到水闸混凝土不同设计强度与龄期的关系，见图3。

根据统计数据可知，设计强度为C13，在龄期16～31a内混凝土强度增长率为1.47；在龄期32～35a内混凝土强度增长率为1.61；在龄期36～45a内混凝土强度增长率为1.75；设计强度为C18，在龄期13～23a内混凝土强度增长率为0.83；在龄期24～25a内混凝土强度增长率为1.01；在龄期26～38a内混凝土强度增长率为1.02。在龄期13～38a内，设计强度为C18的水闸混凝土强度增长率随龄期增长而逐渐增大，在龄期16～45a内，设计强度为C13的水闸混凝土强度增长率随龄期增长也逐渐增大，而且C13设计强度的水闸混凝土强度增长率比C18设计强度的水闸混凝土强度增长率大。

2.4 不考虑设计强度因素时水闸混凝土强度增长率与龄期的关系

对黄河中下游河南段和山东段的水闸强度检测数据进行统计分析可知，其龄期为13～45a，由于黄河中下游水闸的龄期分布在21～26a内的比较多，因此没有采用相同间隔年份区间进行统计，而是根据相同样本数进行统计，得到黄河中下游水闸混凝土强度增长率与龄期的关系，见图4。

根据统计数据可见，在龄期13～22a内，混凝土强度增长率为0.93；在龄期23～25a内，混凝土强度增长率为1.0；在龄期26～31a内，混凝土强度增长率为1.22；在龄期32～35a内，混凝土强度增长率为1.50；在龄期36～45a内，混凝土强度增长率为1.63。因此在龄期13～45a内，黄河中下游水闸混凝土强度随龄期增长而逐渐提高。现有部分统计数据表明，龄期到了45a以后，混凝土的强度趋近于一个定值。

3 结论

通过对黄河中下游河南段和山东段的水闸强度检测数据统计分析，可以得到如下结论。

（1）水闸现场安全检测中，闸底板和涵洞底板混凝土检测方法推荐钻芯法；闸墩及涵洞侧墙混凝土检测方法推荐钻芯修正回弹法；闸顶板、胸墙、闸门、涵洞顶板检测方法推荐回弹法，机架桥混凝土检测方法推荐超声回弹综合法。

（2）13～45a龄期的混凝土强度整体呈现增长趋势，第Ⅱ类构件增长率最大，第Ⅰ类构件次之，第Ⅲ类构件最小，C13混凝土强度增长率大于C18混凝土强度增长率。

（3）龄期大于45a的混凝土强度趋近于定值。

参考文献：

[1]闫东明，林皋.环境因素对混凝土强度特性的影响[J].人民黄河，2005，27（10）：61-63.

[2]方坤河，蔡海瑜，曾力，等.岩滩水电站围堰少水泥碾压混凝土5年龄期性能研究[J].水力发电，1996（12）；54-57.

[3]黄寿良，杨富亮，马芳.粉煤灰掺量对长龄期混凝土抗压强度的影响[J].粉煤灰，2014（3）：10-11，15.

[4]王斌.水工混凝土长龄期力学性能变化趋势的统计分析与实践[J].混凝土，2009（2）：117-119.

[5]FU Chuanqing，JIN Xianyu，JIN Nanguo.Long Age MechanicalProperties and Application of Self-Compacting Concrete[J].Advaced Materials Research，2011，224：142-146.

[6]LIU Ying，TIAN Bo，WANG Jiliang.Test and Study on theLong-Age Performance of Cement Concrete PavementMaterial[J].Journal of Highway and TransportationResearch and Development，2014，8（2）：11-17.

[7]袁群，李宗坤，李杉.现行运行近50年水工混凝土性能的试验研究[J].混凝土，2007（1）：4-10，13.

[8]苏琼，黎思幸.大化水电站重力坝长龄期混凝土特性试验分析[J].广西电业，1997（1）：74-77.

[9]中华人民共和国住房和城乡建设部.回弹法检测混凝土抗压强度技术规程：JGJ/123-2011[S].北京：中国建筑工业出版社，2011：8.

[10]中国建筑科学研究院.钻芯法检测混凝土强度技术规程：CECS03：2007[S].北京：中国建筑工业出版社，2007：5.

[11]中华人民共和国水利部.水工混凝土试验规程：S1352-2006[S].北京：中国水利水电出版社，2006：218.

[12]中国建筑科学研究院.超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程：CECS 02：2005[S].北京：中国建筑工业出版社，2005：10.

[13]孙觅博，袁群，杨利军，等.长龄期水工混凝土强度特性试验研究[J].人民黄河，2005，27（9）：54-55.