寒冷地區(qū)運(yùn)煤棧橋結(jié)構(gòu)混凝土耐久性試驗(yàn)

楊源遠(yuǎn) 樊 平

(陜煤集團(tuán)神木紅柳林礦業(yè)有限公司，陜西榆林 719300)

1 概述

運(yùn)煤棧橋是煤礦和燃煤電廠的重要構(gòu)筑物。大型煤礦輸煤棧橋的土建投資高達(dá)數(shù)千萬元，承擔(dān)著將煤炭快速運(yùn)輸?shù)闹匾饔?，棧橋在長(zhǎng)期使用過程中，在各種自然環(huán)境或人為因素作用下，隨著服役時(shí)間的推移，結(jié)構(gòu)材料將發(fā)生老化和損傷，這是一個(gè)永久不可逆的過程，這種損傷累積導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能劣化，承載力下降，耐久性能降低［1，2］。對(duì)于新建棧橋而言，在竣工初期對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能退化規(guī)律研究不僅能夠掌握結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能退化規(guī)律，揭示潛在的危險(xiǎn)，同時(shí)還能依據(jù)研究結(jié)果制定合理的使用及維護(hù)方案，提高建筑物的安全性能，延長(zhǎng)其使用年限［3-5］。因此，對(duì)棧橋結(jié)構(gòu)耐久性和壽命預(yù)測(cè)進(jìn)行深入、系統(tǒng)的研究就顯得尤為重要。

陜煤化集團(tuán)紅柳林礦業(yè)有限公司運(yùn)煤棧橋位于榆林市神木縣西北15 km，位于神木縣瑤鎮(zhèn)鄉(xiāng)、麻家塔鄉(xiāng)及店塔鄉(xiāng)交接地段(如圖1所示)。棧橋總長(zhǎng)約5.6 km;抗震設(shè)防烈度為6度(第一組)，基本地震加速度為0.05g。棧橋運(yùn)煤通廊采用鋼桁架結(jié)構(gòu)，支架采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，柱和梁的混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級(jí)為C30，設(shè)計(jì)混凝土保護(hù)層厚度為30 mm。

圖1 紅柳林棧橋

該地區(qū)冬季寒冷、漫長(zhǎng)，皮帶棧橋結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期遭受到凍融侵害導(dǎo)致混凝土構(gòu)件表面損傷、內(nèi)部劣化、強(qiáng)度下降，加速了腐蝕性介質(zhì)的侵入。同時(shí)，棧橋結(jié)構(gòu)暴露在大氣環(huán)境中，還將遭受二氧化碳?xì)怏w的侵蝕，從而導(dǎo)致鋼筋鈍化、銹蝕，構(gòu)件承載力下降。為掌握運(yùn)煤棧橋結(jié)構(gòu)混凝土的性能退化規(guī)律，利用該棧橋主要構(gòu)件(梁、柱)現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)的材料及配合比制作了一批混凝土試件，養(yǎng)護(hù)到齡期后進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)和室外自然暴露試驗(yàn)。試驗(yàn)內(nèi)容包括:混凝土碳化試驗(yàn)、凍融試驗(yàn)、堿骨料反應(yīng)試驗(yàn)。

2 混凝土試驗(yàn)配合比

為使試驗(yàn)情況更加接近棧橋的實(shí)際工作情況，本次試驗(yàn)所用試件采用與棧橋?qū)嶋H施工同配比、同材料的混凝土，并且與棧橋構(gòu)件混凝土同條件養(yǎng)護(hù)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況并查閱相關(guān)施工質(zhì)量控制單，完成了現(xiàn)場(chǎng)原材料及配合比的確定。水泥采用聲威水泥廠P.O42.5R水泥;細(xì)骨料為常家溝砂子;粗骨料為電塔卵石，粒徑20 mm～40 mm連續(xù)級(jí)配。棧橋主要構(gòu)件的混凝土配合比及設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)見表1。

表1 主要構(gòu)件混凝土配合比設(shè)計(jì)

3 耐久性試驗(yàn)

3.1 混凝土碳化試驗(yàn)

參照規(guī)范［6］對(duì)棧橋的混凝土試件進(jìn)行快速碳化試驗(yàn)，試件尺寸為150 mm×150 mm×300 mm。在溫度為60℃的烘箱中烘干48 h后，然后再放入碳化箱。碳化箱內(nèi)的環(huán)境條件為溫度:(20±5)℃;濕度:(70±5)%;二氧化碳濃度:(20±3)%。測(cè)試時(shí)，用濃度為1%的酚酞乙醇指示劑噴于斷裂面，從試件表面到混凝土變色邊界，每邊測(cè)量9個(gè)位置的碳化深度，取其算術(shù)平均值作為試件的碳化深度值。分別測(cè)定7 d，14 d，28 d，56 d的碳化深度，測(cè)試值精確到0.5 mm?；炷猎嚰B(yǎng)護(hù)到規(guī)定時(shí)間后，棧橋主要構(gòu)件混凝土碳化深度變化規(guī)律見圖2。

圖2 碳化深度變化規(guī)律

由圖2可知，混凝土碳化深度受混凝土強(qiáng)度影響較大，混凝土碳化深度隨碳化時(shí)間的增長(zhǎng)而增大。

3.2 混凝土凍融試驗(yàn)

參照規(guī)范［6］對(duì)棧橋主要構(gòu)件的混凝土試件進(jìn)行了快速凍融試驗(yàn)，具體步驟如下:1)將養(yǎng)護(hù)到28 d的混凝土試件從養(yǎng)護(hù)室取出，觀察其外表，放入(20±2)℃的水中浸泡4 d后取出擦干表面水分稱量質(zhì)量。浸泡時(shí)水面高出試件頂面20 mm;2)把試件放入160 mm×160 mm×490 mm厚度為1.2 mm的鐵皮盒子中，再把盒子放入裝有冷凍液的凍融箱里。試件盒內(nèi)加入自來水，水分高于試件頂面10 mm。且凍融箱內(nèi)冷凍液液面高于試件盒內(nèi)自來水液面;3)在頂面中心留有直徑10 mm，長(zhǎng)150 mm孔的溫控試件中插入溫度傳感器，放入試件盒中作為測(cè)溫試件。將測(cè)溫試件放入凍融箱的中心位置，用以測(cè)定凍融箱內(nèi)中心試件內(nèi)部溫度。試件盒內(nèi)空余空間由防凍液填滿，防凍液面高度高于試件頂面;4)每次凍融循環(huán)在2 h～4 h內(nèi)完成，且融化時(shí)間不得少于一次循環(huán)時(shí)間的1/4;5)保證在冷凍以及融化終了時(shí)，試件中心溫度分別控制在(－18±2)℃和(5±2)℃，且任何時(shí)刻中心溫度不得高于7℃，也不得低于－20℃;6)每個(gè)試件從5℃～－16℃的耗時(shí)不得少于冷凍時(shí)間的1/2。每個(gè)試件從－16℃～5℃的耗時(shí)也不能少于融化時(shí)間的1/2，試件內(nèi)外溫差不宜相差28℃;7)冷凍和融化之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間不宜超過10 min。凍融循環(huán)達(dá)到以下3種情況之一便可終止試驗(yàn):a.凍融循環(huán)已達(dá)到300次;b.相對(duì)初始動(dòng)彈性模量下降超過40%;c.相對(duì)初始質(zhì)量損失超過5%。本次試驗(yàn)分別測(cè)試凍融循環(huán)次數(shù)為0次，25次，50次，75次，100次，125次，150次，175次時(shí)混凝土試件的動(dòng)彈性模量、質(zhì)量及抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。試驗(yàn)過程中，隨著凍融次數(shù)的增加，混凝土試件表面的水泥砂漿不斷剝落，其中澆筑面剝落情況最為嚴(yán)重，基本上初始面層全部剝落完畢。其余各面則首先出現(xiàn)數(shù)個(gè)小的蝕坑，隨凍融次數(shù)增加，蝕坑變大，最后呈現(xiàn)片狀剝落，表面砂漿層疏松。由圖3a)可以看出當(dāng)凍融循環(huán)達(dá)到75次左右時(shí)，圖中線段較陡，這是由于此時(shí)試件部分骨料凍裂，試件較為薄弱面產(chǎn)生裂縫隨著凍裂面成塊剝落，此段試塊質(zhì)量損失較大。在經(jīng)歷175次凍融循環(huán)后，試件因?yàn)橘|(zhì)量損失達(dá)到5%，凍融試驗(yàn)終止。試驗(yàn)結(jié)束后試件所有面均有粗骨料外露現(xiàn)象;由圖3b)可以看出雖然凍融循環(huán)導(dǎo)致試件質(zhì)量不斷下降，但是試件動(dòng)彈模量損失并不大，當(dāng)凍融到第175次循環(huán)時(shí)，動(dòng)彈模量損失不到31%，最后試件因?yàn)橘|(zhì)量損失達(dá)到凍融耐久性極限。由圖3c)混凝土立方體試塊抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律可以看出，試件的抗壓強(qiáng)度損失隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加同樣較為緩慢，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)試件抗壓強(qiáng)度為初始的83.1%，表明試件在凍融破壞后仍具有一定的抗壓強(qiáng)度。

3.3 堿骨料反應(yīng)試驗(yàn)

1)堿骨料反應(yīng)危害。

堿骨料反應(yīng)是指混凝土中的堿與骨料中的活性組分之間發(fā)生的破壞性膨脹反應(yīng)，是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能的主要因素之一。該反應(yīng)不同于其他混凝土病害，其開裂破壞是整體性的。而且反應(yīng)一旦發(fā)生就很難阻止，更不易修補(bǔ)和挽救。

2)堿骨料反應(yīng)測(cè)試方法及原理。

巖相法鑒定骨料活性是通過肉眼和顯微鏡對(duì)骨料進(jìn)行觀察，鑒定骨料的巖石種類、結(jié)構(gòu)構(gòu)造及礦物成分，確定骨料是否含有堿活性礦物、堿活性礦物的類別以及堿活性礦物占骨料的重量百分含量，從而定性評(píng)定骨料的堿活性。硅質(zhì)骨料膨脹率檢測(cè)方法:按水泥與試樣比 1∶2.25、水灰比0.47成型三個(gè)試件，標(biāo)養(yǎng)24 h±2 h后，小心脫模并迅速將試件放入80℃ ±2℃的水浴放置24 h±2 h后測(cè)初長(zhǎng)，完畢后將試件放入裝有足量養(yǎng)護(hù)液(1 mol/L NaOH溶液)的養(yǎng)護(hù)容器置于80℃ ±2℃的水浴中，自試件放于80℃養(yǎng)護(hù)液中算起，養(yǎng)護(hù)至齡期為14 d±2 h時(shí)，測(cè)定長(zhǎng)度并計(jì)算膨脹率。當(dāng)14 d齡期長(zhǎng)度膨脹率小于0.10%時(shí)，將骨料評(píng)定為非堿—硅酸反應(yīng)活性骨料;否則為堿—硅酸反應(yīng)活性骨料。本次試驗(yàn)采用兩種巖相法鑒定與膨脹率檢測(cè)相結(jié)合的方法。課題組從棧橋現(xiàn)場(chǎng)提取石子(10 kg)和砂子(3 kg)樣品，參照規(guī)范［7，8］進(jìn)行本次堿骨料反應(yīng)試驗(yàn)。試驗(yàn)儀器:磨片機(jī)、偏光顯微鏡及附件;破碎設(shè)備，方孔篩，天平，膠砂攪拌機(jī)，25 mm×25 mm×280 mm試模及測(cè)頭，測(cè)長(zhǎng)儀，養(yǎng)護(hù)容器及恒溫水浴箱。

圖3 凍融試驗(yàn)結(jié)果

3)巖相鑒定及膨脹率測(cè)試結(jié)果。

碎石:呈紅棕色，具有層狀構(gòu)造。鏡下觀察主要由石英和紅棕色基質(zhì)組成。石英棱角分明，磨圓度較差，基本上無波狀消光，粒度0.02 mm～0.08 mm?；|(zhì)呈紅棕色，富含鐵質(zhì)。主要成分及含量見表2。

表2 碎石巖相鑒定結(jié)果

砂:砂石呈肉紅色，肉眼可見堿性長(zhǎng)石、石英等。鏡下觀察，礦物主要由正長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、石英和巖屑組成。大部分顆粒磨圓度較高，少數(shù)的還有棱角。正長(zhǎng)石表面渾濁，部分可見波狀消光，粒度0.5 mm～1 mm。斜長(zhǎng)石可見卡納雙晶，粒度0.6 mm～1 mm。石英可見波狀消光，粒度0.5 mm～1.2 mm。此外還有一部分巖屑，巖屑以石英巖和碳酸巖為主。主要成分及含量見表3。

一組試件所有試件的膨脹率與平均值相差不大于0.01%，則認(rèn)為結(jié)果有效，膨脹率測(cè)試結(jié)果見表4。

表3 砂巖相鑒定結(jié)果

表4 膨脹率檢測(cè)結(jié)果

由表4可知，粗、細(xì)骨料的膨脹率均變化甚微，不存在堿—硅酸反應(yīng)危害，即棧橋結(jié)構(gòu)所用材料不會(huì)發(fā)生堿骨料反應(yīng)。

4 結(jié)語

1)棧橋混凝土碳化試驗(yàn)結(jié)果表明，碳化深度受混凝土強(qiáng)度影響較大，隨著混凝土抗壓強(qiáng)度降低碳化深度逐漸增大。

2)混凝土凍融試驗(yàn)表明，隨凍融次數(shù)的增加，廠區(qū)外山下試件損傷最為嚴(yán)重。

3)堿骨料反應(yīng)試驗(yàn)表明，粗細(xì)骨料的膨脹率均變化不大，不存在潛在的堿—硅酸反應(yīng)危害。

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