黃河中下游水閘混凝土強(qiáng)度變化規(guī)律研究

宋力 王荊 曾玉 王雪奎

摘要：黃河中下游水閘因所處環(huán)境條件相似，故各種不同配合比及強(qiáng)度等級(jí)的混凝土強(qiáng)度理論上具有相似規(guī)律，針對(duì)已開(kāi)展的43座水閘混凝土強(qiáng)度現(xiàn)場(chǎng)安全檢測(cè)成果，分環(huán)境、分構(gòu)件類型進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，得到不同構(gòu)件混凝土強(qiáng)度的推薦檢測(cè)方法。考慮齡期、環(huán)境因素，研究了構(gòu)件混凝土強(qiáng)度變化規(guī)律。結(jié)論如下：水閘現(xiàn)場(chǎng)安全檢測(cè)中，閘底板和涵洞底板混凝土檢測(cè)方法推薦鉆芯法，閘墩及涵洞側(cè)墻混凝土檢測(cè)方法推薦鉆芯修正回彈法，閘頂板、胸墻、閘門、涵洞頂板檢測(cè)方法推薦回彈法，機(jī)架橋混凝土檢測(cè)方法推薦超聲回彈綜合法；13-45 a齡期內(nèi)，混凝土強(qiáng)度呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，第n類構(gòu)件增長(zhǎng)率最大，第Ⅰ類構(gòu)件次之，第IQ類構(gòu)件最小，從設(shè)計(jì)強(qiáng)度角度看，C13混凝土強(qiáng)度的增長(zhǎng)率大于C18混凝土的；齡期大于45a后，混凝土強(qiáng)度趨于定值。

關(guān)鍵詞：水閘混凝土；抗壓強(qiáng)度；檢測(cè)方法；變化規(guī)律；黃河中下游

中圖分類號(hào)：TV663 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.03.032

混凝土廣泛應(yīng)用于黃河穿堤建筑物水閘中，針對(duì)既有建筑物的安全評(píng)價(jià)，混凝土強(qiáng)度是其中最重要的指標(biāo)之一。黃河中下游穿堤建筑物水閘混凝土有長(zhǎng)期水下、水下和水上交替變化及完全水上三種使用環(huán)境，水閘運(yùn)行時(shí)間為13～45a，混凝土強(qiáng)度變化內(nèi)因與原設(shè)計(jì)強(qiáng)度密切相關(guān)，外因與所處環(huán)境條件、使用齡期密切相關(guān)[1]?，F(xiàn)有研究成果表明，5a齡期的少水泥碾壓混凝土的孔隙率隨齡期的增長(zhǎng)而減小，孔隙結(jié)構(gòu)得到改善，混凝土強(qiáng)度得到提高[2]，這屬于混凝土強(qiáng)度提高的微觀分析。宏觀上混凝土強(qiáng)度與齡期的增長(zhǎng)呈對(duì)數(shù)相關(guān)，混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)基本在1a后趨于穩(wěn)定[3-6]。國(guó)內(nèi)外對(duì)混凝土強(qiáng)度隨齡期的發(fā)展規(guī)律研究多在5a齡期內(nèi)，但相關(guān)研究在時(shí)間上連續(xù)性不夠，多數(shù)只研究個(gè)別齡期，對(duì)齡期大于10a的混凝土強(qiáng)度隨齡期增長(zhǎng)規(guī)律[7-8]的相關(guān)研究較少，這對(duì)水閘安全評(píng)價(jià)混凝土結(jié)構(gòu)安全程度的判別有影響。為研究混凝土強(qiáng)度與上述因素的相關(guān)性，筆者以黃河中下游43座水閘現(xiàn)場(chǎng)混凝土強(qiáng)度安全檢測(cè)成果為依據(jù)，采用統(tǒng)計(jì)分析方法揭示其變化規(guī)律。

1 混凝土強(qiáng)度檢測(cè)方法

在黃河中下游水閘的安全鑒定中，檢測(cè)混凝土強(qiáng)度采用的方法有回彈法[9]、鉆芯法[10]、鉆芯修正回彈法[11]和超聲回彈綜合法[12]。

黃河中下游水閘混凝土構(gòu)件包括閘底板、涵洞底板、閘墩、閘頂板、胸墻、涵洞側(cè)墻、涵洞頂板、閘門及機(jī)架橋梁、板、柱等。在這些構(gòu)件中，長(zhǎng)期水下（第Ⅰ類）構(gòu)件有閘底板和涵洞底板，水下和水上交替變化（第Ⅱ類）構(gòu)件有閘墩、閘頂板、胸墻、涵洞側(cè)墻、涵洞頂板和閘門，完全水上（第Ⅲ類）構(gòu)件有機(jī)架橋梁、板、柱等。

（1）第Ⅰ類構(gòu)件。第Ⅰ類構(gòu)件的特點(diǎn)是混凝土含水率長(zhǎng)期處于飽和狀態(tài)，由于黃河多泥沙的特點(diǎn)，因此在混凝土與空氣之間形成了一層水和泥沙混合的隔離層，使得混凝土與空氣隔離。這些特點(diǎn)決定了第Ⅰ類構(gòu)件混凝土在水閘投入運(yùn)用后，一直處于養(yǎng)護(hù)良好的狀態(tài)，理論上其強(qiáng)度增長(zhǎng)效應(yīng)最明顯。第Ⅰ類構(gòu)件需進(jìn)行水閘清淤后才可開(kāi)展混凝土強(qiáng)度檢測(cè)，但由于現(xiàn)場(chǎng)條件限制，清淤和檢測(cè)相隔時(shí)間很短或基本連續(xù)開(kāi)展，同時(shí)部分水閘存在不同程度的滲漏病害或施工尺寸偏差，因此造成第Ⅰ類構(gòu)件開(kāi)展檢測(cè)時(shí)其表面大多仍處于水飽和狀態(tài)。

回彈法是通過(guò)回彈值的大小來(lái)推定混凝土抗壓強(qiáng)度的，回彈值大小反映了與沖擊能量有關(guān)的回彈能量，而回彈能量反映了混凝土表層硬度與混凝土抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系。對(duì)于第Ⅰ類構(gòu)件，其表面水飽和的特點(diǎn)不符合采用回彈法的前提條件，更重要的是水、混凝土兩相耦合介質(zhì)與混凝土單相介質(zhì)相比，其吸能作用更強(qiáng)，對(duì)表面的沖擊能量具有削減作用，直接導(dǎo)致回彈值偏小，由此對(duì)混凝土強(qiáng)度檢測(cè)會(huì)帶來(lái)較大誤差。為解決此問(wèn)題，經(jīng)過(guò)黃河水利科學(xué)研究院學(xué)者十多年的探索，通過(guò)對(duì)比各種不同檢測(cè)方法的檢測(cè)難易程度和修復(fù)措施，對(duì)第Ⅰ類構(gòu)件采用鉆芯法進(jìn)行檢測(cè)，可以較好地降低環(huán)境條件帶來(lái)的檢測(cè)誤差，達(dá)到提高檢測(cè)精度的目的。

（2）第Ⅱ類構(gòu)件。第Ⅱ類構(gòu)件的特點(diǎn)是混凝土含水率長(zhǎng)期處于飽和與不飽和狀態(tài)之間，且處于水流表面流速較大的位置，所受到的水流沖刷在三類構(gòu)件中最為嚴(yán)重，加之多泥沙水流對(duì)其表面的沖刷起到了加劇的作用，其混凝土表面膠結(jié)料易流失造成粗骨料裸露。同時(shí)其處于水位變化區(qū)域，易受凍害影響，在此區(qū)域較多水閘混凝土表面呈現(xiàn)疏松脫落狀。根據(jù)前期研究成果，第Ⅱ類構(gòu)件碳化深度要遠(yuǎn)大于第Ⅰ類構(gòu)件，理論上其混凝土強(qiáng)度應(yīng)低于第Ⅰ類構(gòu)件。

第Ⅱ類構(gòu)件在水閘中占據(jù)的數(shù)量最多，檢測(cè)工作量占整個(gè)檢測(cè)工作的3/5多，其特點(diǎn)決定了想要制作符合檢測(cè)前提條件的檢測(cè)工作面，就需要對(duì)其表面進(jìn)行打磨平整去除損傷區(qū)，因此其檢測(cè)方法的選用需要考慮經(jīng)濟(jì)、人力、檢測(cè)精度等多方面因素，是水閘安全鑒定中的控制性檢測(cè)項(xiàng)目。

第Ⅱ類構(gòu)件如果不處理而直接采用回彈法，那么混凝土表面不平整的特點(diǎn)將造成回彈值不集中、回彈能量跳躍等現(xiàn)象。在長(zhǎng)期的檢測(cè)實(shí)踐工作中，對(duì)比構(gòu)件處理后采用單一回彈法、鉆芯回彈法等方法檢測(cè)的精度，推薦采用以鉆芯修正回彈法為主的方法對(duì)第Ⅱ類構(gòu)件開(kāi)展檢測(cè)。對(duì)于操作空間不夠或構(gòu)件尺寸有限制的構(gòu)件如閘頂板、胸墻、涵洞頂板和閘門，可采用回彈法進(jìn)行檢測(cè)，但需要注意檢測(cè)面的處理必須滿足規(guī)范要求，同時(shí)在后期分析中，應(yīng)與同一環(huán)境條件下的混凝土進(jìn)行結(jié)果比對(duì)后確定混凝土最終強(qiáng)度。

（3）第Ⅲ類構(gòu)件。第Ⅲ類構(gòu)件的特點(diǎn)是混凝土長(zhǎng)期處于低含水率狀態(tài)，較少受水流沖擊及腐蝕，表面一般較完整，在三類構(gòu)件中，其設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)一般最高。從構(gòu)件形式來(lái)看，其更符合規(guī)范[9]規(guī)定的桿構(gòu)件，但與回彈法規(guī)范中側(cè)重的構(gòu)件環(huán)境條件相比，其直接遭受大氣各種成分作用、風(fēng)作用和強(qiáng)紫外線作用，更類似于工業(yè)環(huán)境下的構(gòu)件。在檢測(cè)結(jié)果中也可發(fā)現(xiàn)，第Ⅲ類構(gòu)件的碳化深度是三類構(gòu)件中最深的，且碳化深度在小于1000d齡期和大于1000d齡期的混凝土中，均呈現(xiàn)定值趨勢(shì)，這說(shuō)明其碳化在水閘投入運(yùn)用后3a左右的時(shí)間內(nèi)均已完成，并重新形成保護(hù)層。

第IQ類構(gòu)件不屬于水閘檢測(cè)工作中的控制構(gòu)件，檢測(cè)工作量亦較小，其特點(diǎn)最符合回彈法檢測(cè)的前提條件，但其碳化后混凝土表面形成的以CaCO3為主要成分的物質(zhì)，由于具有高硬度的特點(diǎn)，勢(shì)必造成其沖擊回彈能量過(guò)大、回彈值過(guò)高的現(xiàn)象，帶來(lái)所檢測(cè)混凝土強(qiáng)度值與實(shí)際值相比偏大的后果，因此不宜采用單一回彈法，而應(yīng)充分利用超聲法對(duì)混凝土碳化深度的不敏感性特點(diǎn)，采用超聲回彈綜合測(cè)強(qiáng)法進(jìn)行檢測(cè)。

統(tǒng)計(jì)的黃河中下游43座水閘中，檢測(cè)閘墩43個(gè)，閘頂板39個(gè)，閘底板39個(gè)，胸墻38個(gè)，涵洞側(cè)墻（邊墻、中墻）43個(gè)，涵洞頂板39個(gè)，涵洞底板39個(gè)，閘門28個(gè)，機(jī)架橋（含梁、板、柱）41個(gè)，43座水閘構(gòu)件強(qiáng)度檢測(cè)方法統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。水閘構(gòu)件采用的檢測(cè)方法見(jiàn)圖1，圖1中橫坐標(biāo)A代表第Ⅰ類構(gòu)件；B1代表第Ⅱ類構(gòu)件的閘墩和涵洞側(cè)墻；B2代表第Ⅱ類構(gòu)件的閘頂板、胸墻、涵洞頂板和閘門；C代表第Ⅲ類構(gòu)件。

綜上所述，水閘現(xiàn)場(chǎng)安全檢測(cè)中，閘底板和涵洞底板混凝土檢測(cè)方法推薦鉆芯法；閘墩及涵洞側(cè)墻混凝土檢測(cè)方法推薦鉆芯修正回彈法；閘頂板、胸墻、閘門、涵洞頂板檢測(cè)方法推薦回彈法，機(jī)架橋混凝土檢測(cè)方法推薦超聲回彈綜合法。

2 水閘混凝土強(qiáng)度變化規(guī)律

2.1 混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)率與齡期的關(guān)系

對(duì)黃河中下游河南段和山東段的水閘檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得知，黃河中下游水閘混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)率隨齡期增加基本上呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中河南段混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)率為1.27，山東段混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)率為1.24，因此在13～45a齡期內(nèi)，黃河中下游水閘的強(qiáng)度增長(zhǎng)率為1.24～1.27。

2.2 混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)率與環(huán)境的關(guān)系

對(duì)黃河中下游不同使用環(huán)境的水閘構(gòu)件強(qiáng)度檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得知，黃河中下游不同使用環(huán)境的水閘構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)率各不相同（見(jiàn)圖2，其中橫坐標(biāo)A代表第Ⅰ類構(gòu)件，B代表第Ⅱ類構(gòu)件，C代表第Ⅲ類構(gòu)件）。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得到，水閘第Ⅰ類構(gòu)件混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)率河南段為1.21，山東段為1.13；水閘第Ⅱ類構(gòu)件混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)率河南段為1.54，山東段為1.60；水閘第Ⅲ類構(gòu)件混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)率河南段為0.99，山東段為0.95。

根據(jù)上述分析，構(gòu)件混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)率與其所處的環(huán)境有關(guān)系，水閘第Ⅰ類構(gòu)件處在水下環(huán)境中，這樣混凝土碳化深度比較小。根據(jù)以往的研究，碳化混凝土強(qiáng)度一般比未碳化混凝土的強(qiáng)度高[13]。水閘第Ⅰ類構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)率比水閘第11類構(gòu)件混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)率低，水閘第Ⅱ類構(gòu)件處在水上和水下交替的環(huán)境下，這樣有助于混凝土的碳化。水閘第Ⅲ類構(gòu)件混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)率則比較低，原因是其碳化深度過(guò)大，按照規(guī)范評(píng)定后對(duì)其強(qiáng)度推定值的削減作用大。

2.3 考慮設(shè)計(jì)強(qiáng)度因素時(shí)水閘混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)率與齡期的關(guān)系

黃河中下游水閘閘室段及涵洞段混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度一般是C13和C18，由于不同齡期的水閘混凝土強(qiáng)度分布不均勻，因此以相同樣本數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到水閘混凝土不同設(shè)計(jì)強(qiáng)度與齡期的關(guān)系，見(jiàn)圖3。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C13，在齡期16～31a內(nèi)混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)率為1.47；在齡期32～35a內(nèi)混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)率為1.61；在齡期36～45a內(nèi)混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)率為1.75；設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C18，在齡期13～23a內(nèi)混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)率為0.83；在齡期24～25a內(nèi)混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)率為1.01；在齡期26～38a內(nèi)混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)率為1.02。在齡期13～38a內(nèi)，設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C18的水閘混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)率隨齡期增長(zhǎng)而逐漸增大，在齡期16～45a內(nèi)，設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C13的水閘混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)率隨齡期增長(zhǎng)也逐漸增大，而且C13設(shè)計(jì)強(qiáng)度的水閘混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)率比C18設(shè)計(jì)強(qiáng)度的水閘混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)率大。

2.4 不考慮設(shè)計(jì)強(qiáng)度因素時(shí)水閘混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)率與齡期的關(guān)系

對(duì)黃河中下游河南段和山東段的水閘強(qiáng)度檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可知，其齡期為13～45a，由于黃河中下游水閘的齡期分布在21～26a內(nèi)的比較多，因此沒(méi)有采用相同間隔年份區(qū)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，而是根據(jù)相同樣本數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到黃河中下游水閘混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)率與齡期的關(guān)系，見(jiàn)圖4。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可見(jiàn)，在齡期13～22a內(nèi)，混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)率為0.93；在齡期23～25a內(nèi)，混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)率為1.0；在齡期26～31a內(nèi)，混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)率為1.22；在齡期32～35a內(nèi)，混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)率為1.50；在齡期36～45a內(nèi)，混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)率為1.63。因此在齡期13～45a內(nèi)，黃河中下游水閘混凝土強(qiáng)度隨齡期增長(zhǎng)而逐漸提高?，F(xiàn)有部分統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，齡期到了45a以后，混凝土的強(qiáng)度趨近于一個(gè)定值。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)黃河中下游河南段和山東段的水閘強(qiáng)度檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，可以得到如下結(jié)論。

（1）水閘現(xiàn)場(chǎng)安全檢測(cè)中，閘底板和涵洞底板混凝土檢測(cè)方法推薦鉆芯法；閘墩及涵洞側(cè)墻混凝土檢測(cè)方法推薦鉆芯修正回彈法；閘頂板、胸墻、閘門、涵洞頂板檢測(cè)方法推薦回彈法，機(jī)架橋混凝土檢測(cè)方法推薦超聲回彈綜合法。

（2）13～45a齡期的混凝土強(qiáng)度整體呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，第Ⅱ類構(gòu)件增長(zhǎng)率最大，第Ⅰ類構(gòu)件次之，第Ⅲ類構(gòu)件最小，C13混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)率大于C18混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)率。

（3）齡期大于45a的混凝土強(qiáng)度趨近于定值。

參考文獻(xiàn)：

[1]閆東明，林皋.環(huán)境因素對(duì)混凝土強(qiáng)度特性的影響[J].人民黃河，2005，27（10）：61-63.

[2]方坤河，蔡海瑜，曾力，等.巖灘水電站圍堰少水泥碾壓混凝土5年齡期性能研究[J].水力發(fā)電，1996（12）；54-57.

[3]黃壽良，楊富亮，馬芳.粉煤灰摻量對(duì)長(zhǎng)齡期混凝土抗壓強(qiáng)度的影響[J].粉煤灰，2014（3）：10-11，15.

[4]王斌.水工混凝土長(zhǎng)齡期力學(xué)性能變化趨勢(shì)的統(tǒng)計(jì)分析與實(shí)踐[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.現(xiàn)行運(yùn)行近50年水工混凝土性能的試驗(yàn)研究[J].混凝土，2007（1）：4-10，13.

[8]蘇瓊，黎思幸.大化水電站重力壩長(zhǎng)齡期混凝土特性試驗(yàn)分析[J].廣西電業(yè)，1997（1）：74-77.

[9]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程：JGJ/123-2011[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011：8.

[10]中國(guó)建筑科學(xué)研究院.鉆芯法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程：CECS03：2007[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007：5.

[11]中華人民共和國(guó)水利部.水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程：S1352-2006[S].北京：中國(guó)水利水電出版社，2006：218.

[12]中國(guó)建筑科學(xué)研究院.超聲回彈綜合法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程：CECS 02：2005[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005：10.

[13]孫覓博，袁群，楊利軍，等.長(zhǎng)齡期水工混凝土強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究[J].人民黃河，2005，27（9）：54-55.