南水北调中线干线工程京石段水工混凝土防冻胀破坏研究

张文龙

(铜仁市万山区水务局,贵州 铜仁 554300)

0 引 言

南水北调是我国从南向北调水的重大项目,对我国的经济、社会和生态环境都具有重大意义[1]。南水北调工程利用输水管线,把水资源从南部输送至北部。在南水北调工程中,水工混凝土一直作为主要材料用于渠道衬砌项目[2]。混凝土材料自出现以来,在建筑工程、水工结构和特种结构等领域得到广泛应用,但研究发现混凝土材料容易受到化学侵蚀和盐离子侵蚀,并且在低温下易产生冻胀破坏等缺陷[3]。在南水北调中线干线工程运行中,由于华北地区地势平坦、土地盐碱含量过高且温差较大,导致用于衬砌的水工混凝土出现冻胀破坏的现象,该地区的环境极大地降低了水工混凝土的使用年限,并且影响到南水北调工程的安全进行[4]。在这种情况下,对于水工混凝土的防冻胀破坏展开研究,提高水工混凝土的使用耐久性,是十分必要的。目前,对于冻融期循环作用下水工混凝土防冻胀破坏的研究已经十分广泛,但在南水北调中线干线工程实际情况中的水工混凝土材料性能与耐久性的研究还较为缺失[5]。

因此,本文在不同侵蚀介质的情况下,对不同梯度粉煤灰掺量水工混凝土的质量损失率、抗压抗折能力和相对动弹性模量规律进行分析,探讨不同梯度粉煤灰掺量水工混凝土防冻胀破坏的性能差异,研究适合实际应用的水工混凝土粉煤灰掺量,以期提出更有效的水工混凝土防冻胀破坏方案,为南水北调中线干线工程提供参考。

1 京石段盐冻侵蚀区域水工混凝土防冻胀破坏研究

1.1 盐冻侵蚀区域调查分析与实验方案设计

表1 侵蚀渠道区域年温度分布情况

由表1可知,该侵蚀渠道区域的年温度分布情况中的月温度变化差异较大,昼夜温差十分明显。其中,最低气温为-18.5℃,最高气温为38.9℃。通过对某侵蚀渠道区域的环境进行调查分析,确定本次室内实验的温度和侵蚀介质。通过加速模拟实验中渠道冻胀破坏性能。在实验参数的选取中,冻融介质选择清水溶液和5%的Na2SO4溶液,水工混凝土实验样品的中心温度设置为-19℃～5℃。实验的原材料包括水泥、骨料、拌合水、减水剂、粉煤灰、引气剂、硫酸钠和氯化钠。本次实验选择常用的C30水工混凝土配比作为基准,耐久性指标选择抗压强度、抗折强度和质量损失等。

对不同粉煤灰掺量下水工混凝土耐久性变化展开研究。通过不同粉煤灰掺量的对比实验,验证不同粉煤灰掺量下水工混凝土耐久性变化。其余原材料按照基准要求添加,并保持添加量一致。按照侵蚀介质的不同,将水工混凝土实验样品分为两组。其中,一组介质为清水;另外一组介质为5%的Na2SO4溶液。实验样品的制备和养护步骤见图1。

图1 样品养护制备流程图

由图1可知,在水工混凝土样品制备中,首先将搅拌机提前清洗并烘干;然后准备好各类原材料,包括水泥、沙子和石子等;对原材料进行称重和搅拌后,倒入拌合水再次搅拌;将搅拌完成后的水工混凝土样品装入模具中,通过振动台压实;最后使用湿润抹布盖在模具上,24h后脱模并放置于养护室。

在本次加速冻融实验中,首先按照标准对脱模后的实验样品进行为期24天的养护。24天后,将样品浸泡于不同侵蚀介质中,为期4天。最后将完成浸泡的样品按照编号放置于对应模具中,并置于冻融机内进行冻融实验。在实验过程中,需要注意每次冻融周期需要处于2～4h期间;融化时间在单次冻融循环中占比大于1/4;样品中心温度保持在-19℃～5℃之间;冻融机满载运行,以保证同样的冻融效果。

实验停止条件为:①水工混凝土样品达到规定的冻融次数。②样品相对动弹性模量下降40%。③样品质量损失率达到5%。本次加速冻融实验见图2。

图2 水工混凝土加速循环冻融实验图

1.2 水工混凝土防冻胀评价指标构建

水工混凝土的冻胀会对水工建筑物产生重要影响,因此在评价水工混凝土的冻胀性能时,需要考虑多个指标。本次实验中,水工混凝土的防冻胀指标选择质量损失、动弹性模量、超声波、抗压能力和抗弯曲能力。其中,抗压、抗弯曲能力反映出水工混凝土的力学性能;超声波用于检测冻融后不同配比样本的内部损伤;动弹性模量和质量损失表现样品在实验中冻胀破坏的程度。

质量损失率能够直接反映样品的冻胀破坏情况,质量损失率越高时,表示样品受到的冻胀破坏越严重。当ΔWni达到5%,本次样品破坏,应停止实验。在加速冻融实验中,研究以25次冻融循环为一个周期,每个周次后计算一次质量损失率。在对样品进行称重前,需要确保样品表面无残留溶液,每组取3块实验样品进行称量,去除误差超过1%的值,然后计算质量损失率。质量损失率的计算公式如下:

(1)

式中:ΔWni为样i在n次冻融后的质量损失率;W0i为样品i初始的质量;Wni为样品i在n次冻融后的质量。

动弹性模量又称作动力荷载的弹性模量,在本次实验中用于评价水工混凝土的耐久性。动弹性模量计算中,同样需要确保样品表面无残留溶液。对样品称重后将其置于桌面,将动弹仪发射端置于样品中心,将接收端置于样品中线边缘。输入样品的质量和尺寸之后,等待动弹仪输出样品的动弹性模量结果,结果取3个样品平均值,计算公式如下:

(2)

式中:Ed为样品动弹性模量;a为正方形截面边长;L为样品长度;W为样品质量;f为样品横向振动频率。

超声波检测按照规范标准,将样品划分为相等区域,并在每50次冻融循环时进行检测,取测得超声波波速平均值。样品所能承受的外界施加压力极限为样品的抗压能力,能承受的极限折断应力为抗折能力。抗压能力和抗折能力是评价水工混凝土的重要力学性能指标。在水工混凝土渠道使用期间,水工混凝土因冻融循环作用而导致冻胀破坏,抗压能力和抗折能力也大幅降低,严重影响建筑物的安全运行。本次实验中,使用万能试验机对样品的抗压能力和抗折能力的强度进行检测,抗压能力和抗折能力的计算公式如下:

(3)

式中:fcu为样品抗压能力;F为样品破坏荷载;A为样品承压面积;Ff为样品抗折能力;l、b、h分别为样品截面的长度、宽度和高度。

2 水工混凝土防冻胀破坏实验结果

2.1 质量损失率变化分析

加速实验中,水工混凝土的粉煤灰掺量设置为20%、25%、30%和35%。将粉煤灰掺量由低至高分为A值、B组、C组和D组,每组包括10份水工混凝土样品,取测试平均值进行对照分析。实验所用侵蚀介质选用清水和5%Na2SO4溶液作为对照。冻融循环次数为140次。在控制其他变量不变的情况下,对水工混凝土样品的质量损失率、抗压能力、抗折能力和相对动弹性模量进行分析,得到不同介质中水工混凝土质量损失率变化情况,见图3。

图3 不同介质中水工混凝土质量损失率变化

图3(a)为清水介质中质量损失率的变化情况。在前100次冻融循环中,各梯度粉煤灰掺量的样品质量损失率与冻融次数呈现正相关,斜率保持近似一致,并且粉煤灰掺量较低的样品斜率更低。在100次冻融循环后,20%粉煤灰掺量样品的质量损失率曲线无明显变化,20%以上粉煤灰掺量样品的质量损失曲线斜率变大,质量损失急剧增加。在140次冻融循环时,仅有20%粉煤灰掺量的样品未发生破坏。

图3(b)为5%Na2SO4溶液中质量损失率的变化情况。在前60次冻融循环中,各梯度粉煤灰掺量的样品质量损失率呈现缓慢减小的情况,表明样品的质量有少量增加。这是由于在5%Na2SO4溶液侵蚀初期,硫酸盐离子进入样品内部产生化合物,合适的水工混凝土内部产生冰晶,从而影响到样品的质量。但在60次冻融循环后,各梯度粉煤灰掺量的样品质量损失率急剧上升,其中20%粉煤灰掺量的样品质量损失最低,其余梯度粉煤灰掺量样品在140次冻融循环时均已发生破坏。

2.2 抗压能力变化

图4为水工混凝土抗压能力变化曲线。

图4 不同介质中水工混凝土抗压能力变化

图4(a)为清水介质中抗压能力的变化情况。水工混凝土样品的抗压能力随冻融循环次数的增加,呈现不断下降的趋势。但在冻融循环开始前,不同梯度的粉煤灰掺量抗压能力已经有所差异,其中粉煤灰掺量越低的水工混凝土抗压能力越强。在整个冻融循环中,20%粉煤灰掺量的样品始终保持最佳的抗压强度。

图4(b)为5%Na2SO4溶液中抗压能力的变化情况。在前80次冻融循环中,各梯度粉煤灰掺量的样品抗压能力呈现缓慢减小的情况。在80次循环后,各梯度粉煤灰掺量的样品抗压能力急剧降低,但在100次循环时恢复缓慢降低的趋势。实验结果验证了同等条件下,粉煤灰掺量为20%的水工混凝土样品的抗压能力最强,并且粉煤灰掺量对样品抗压能力影响显著,掺量越低水工混凝土防冻胀能力越强。

2.3 抗折能力变化

图5为水工混凝土抗折能力变化曲线。

图5 不同介质中水工混凝土抗折能力变化

图5(a)为清水介质中抗折能力的变化情况。水工混凝土样品的抗折能力随冻融循环次数的增加,呈现不断下降的趋势。但在冻融循环开始前,不同梯度的粉煤灰掺量抗折能力已经有所差异,其中粉煤灰掺量越低的水工混凝土抗折能力越强,且差异明显。在冻融循环中,20%粉煤灰掺量的样品始终保持最佳的抗折强度。

图5(b)为5%Na2SO4溶液中抗折能力的变化情况。在前60次冻融循环中,各梯度粉煤灰掺量的样品抗折能力呈现缓慢减小。在60次循环后,各梯度粉煤灰掺量的样品抗折能力下降更为剧烈。实验结果验证了同等条件下,粉煤灰掺量为20%的水工混凝土样品的抗折能力最强,并且粉煤灰掺量对样品抗折能力影响显著。

2.4 相对动弹性模量变化

图6为水工混凝土在不同侵蚀介质中的相对动弹性模量变化曲线。

图6 不同介质中水工混凝土相对动弹性模量变化

图6(a)为清水介质中的相对动弹性模量变化。在清水介质中,水工混凝土样品的相对动弹性模量与冻融循环次数呈负相关。在60次冻融循环之前,不同梯度粉煤灰掺量的样品相对动弹性模量下降缓慢;60次冻融循环时,均保持95%以上的相对动弹性模量;60次冻融循环后,各样品的相对动弹性模量开始急剧下降。整体来看,20%粉煤灰掺量的样品相对动弹性模量始终最佳。

图6(b)为5%Na2SO4溶液中相对动弹性模量变化。在5%Na2SO4溶液中,水工混凝土样品的相对动弹性模量与冻融循环次数呈负相关。80次冻融循环前,各梯度样品的相对动弹性模量下降缓慢;80次冻融循环时的相对动弹性模量维持在80%以上;80次冻融循环后,各样品的相对动弹性模量开始急剧下降。其中,30%粉煤灰掺量的样品在100次冻融循环时发生破坏,35%粉煤灰掺量的样品在112次冻融循环时发生破坏,25%粉煤灰掺量的样品在119次冻融循环时发生破坏,20%粉煤灰掺量的样品在122次冻融循环时发生破坏。

3 结 论

水工混凝土防冻胀破坏,一直以来都是南水北调工程中的重点项目之一。本次研究通过改变粉煤灰掺量,分别在清水和5%Na2SO4溶液中测试水工混凝土性能变化。研究仿照南水北调中京石段某渠道水工实际环境,搭建了室内冻融期加速实验。实验结果表明,粉煤灰掺量与水工混凝土质量损失呈正相关,与抗压、抗折能力呈负相关,与相对弹性模量呈负相关。在对比实验中,20%粉煤灰掺量的样品展现出最好的性能。