胡宏峽
摘?要:為解決黃河上游水電站建設(shè)中抗沖磨混凝土收縮和開裂等問題,對黃河上游已建工程進行調(diào)查分析,結(jié)果沒有發(fā)現(xiàn)泄水建筑物抗沖蝕層混凝土滲透侵蝕和凍融破壞現(xiàn)象,但開裂和脫空現(xiàn)象比較嚴(yán)重。針對存在的問題,結(jié)合某工程混凝土配合比設(shè)計項目,開展了抗沖磨混凝土試驗研究,在中熱水泥、粉煤灰和硅粉組成的復(fù)合材料基礎(chǔ)上,通過摻入聚羧酸減水劑、聚丙烯纖維和減縮劑等進行改性研究。結(jié)果表明:改性后混凝土干縮率大幅度降低、抗裂性顯著提高,可防止或減緩黃河上游地區(qū)水電工程的抗沖磨混凝土收縮開裂,改善混凝土結(jié)構(gòu)耐久性。
關(guān)鍵詞:抗沖磨混凝土;干縮變形;耐久性;試驗研究;水電站;黃河上游
中圖分類號:TU528.36;TV882.1?文獻標(biāo)志碼:A
doi:10.3969/j.issn.1000-1379.2020.10.030
Experimental Study on Anti-Abrasion Concrete of Hydropower Stations in the Upper Yellow River
HU Hongxia
(Investigation, Design and Research Institute, Sinohydro Fourth Engineering Bureau Co., Ltd., Xining 810000, China)
Abstract:In order to solve the problems of shrinkage and cracking of abrasion resistant concrete in the construction of hydropower stations in the upper Yellow River, the existing projects in the upper Yellow River were investigated and analyzed. No seepage erosion and freeze-thaw damage of the erosion resistant concrete of the discharge structures were found, but the cracking and void phenomena were serious. In view of the existing problems, combined with the concrete mix proportion design project of a project, the anti-abrasion concrete test was carried out. On the basis of composite materials composed of medium heat cement, fly ash and silica fume, the modification research was carried out by adding polycarboxylate water reducer, polypropylene fiber and shrinkage reducing agent. The results show that the dry shrinkage rate of the modified concrete is greatly reduced and the crack resistance is significantly improved, which can prevent or slow down the shrinkage cracking of anti-abrasion concrete of hydropower projects on the upper Yellow River and improve the durability of concrete structure.
Key words: anti-abrasion concrete; dry shrinkage deformation; durability; experimental study; hydropower station; Upper Yellow River
黃河上游的大中型水電站水頭高、配套的泄水建筑物內(nèi)水流速度很高,為了防止高速水流及夾雜的泥沙對溢流面沖蝕破壞,一般采用摻硅粉和低水膠比的技術(shù)方案,使混凝土力學(xué)指標(biāo)和抗沖磨強度得到大幅度提高。在黃河上游干燥寒冷、常年多風(fēng)少雨的惡劣氣候條件下,低水膠比的抗沖磨混凝土收縮而導(dǎo)致脫空和開裂等耐久性問題非常嚴(yán)重。通過對該地區(qū)已建水電工程調(diào)查分析[1-6],沒有發(fā)現(xiàn)泄水建筑物抗沖蝕層混凝土滲透侵蝕和凍融破壞現(xiàn)象,但是開裂和脫空現(xiàn)象比較嚴(yán)重,影響水電站的安全運行。例如:2001年竣工的黃河李家峽水利樞紐工程三孔泄水道抗沖蝕層采用了C60硅粉混凝土,2003年5月對該水電站泄水建筑物進行汛前檢查時,發(fā)現(xiàn)三孔泄水道泄槽明渠段底板抗沖蝕層表面普遍產(chǎn)生龜裂,底板抗沖蝕層存在多處不同程度的脫空現(xiàn)象,對此進行了大規(guī)模修補工作;2006年在龍羊峽水電站檢查時,發(fā)現(xiàn)表孔溢洪道抗沖蝕護面干硬性水泥砂漿和硅粉砂漿局部出現(xiàn)裂縫、脫落等現(xiàn)象,影響泄水建筑物的正常運行,隨后進行了修復(fù);2018年10月29日,國家電投集團黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司發(fā)布了水電站泄水建筑物修復(fù)工程公開招標(biāo)公告,主要包括龍羊峽水電站中孔、表孔泄水道沖蝕破壞永久性修復(fù),李家峽水電站左、右中孔泄水道沖蝕破壞永久性修復(fù)和積石峽水電站表孔溢洪道、泄洪排沙底孔沖蝕破壞永久性修復(fù)。該地區(qū)因環(huán)境惡劣、氣候干燥而導(dǎo)致的混凝土結(jié)構(gòu)收縮和開裂問題經(jīng)常出現(xiàn),修復(fù)及維護耗資巨大。
針對上述問題,筆者結(jié)合某工程進行了相關(guān)研究和探討。首先,從提高混凝土抗沖磨強度、抗拉強度和極限拉伸值,同時減少其體積變形方面考慮,摻加了一定比例的硅粉和Ⅰ級粉煤灰;其次,從防裂和阻裂、減少收縮方面考慮,選擇聚羧酸類減水劑,并摻加適當(dāng)比例的聚丙烯纖維材料,同時對雙摻聚丙烯纖維和減縮劑混凝土進行研究,以期為解決或減緩黃河上游抗沖磨混凝土結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)的收縮和開裂等問題提供參考。
1?研究方法
主要通過試驗對比的方法進行研究,其中混凝土性能對比試驗按照《水工混凝土試驗規(guī)程》(DL/T 5150—2001)[7]的要求進行。圓環(huán)開裂對比試驗裝置和要求[8]如下:試驗裝置為鋼制圓環(huán),其中起約束作用的鋼環(huán)內(nèi)徑為275 mm、外徑為305 mm;試驗過程中成型的混凝土圓環(huán)內(nèi)徑為305 mm、外徑為375 mm、高度為140 mm。在混凝土圓環(huán)成型時篩除粒徑為5 mm以上的粗骨料,養(yǎng)護24 h后拆除混凝土圓環(huán)外模,并在混凝土圓環(huán)上表面涂刷一層水玻璃,防止水分從上表面蒸發(fā)。試件放置在濕度為40%±5%、溫度為20 ℃±1 ℃的環(huán)境中進行養(yǎng)護和觀測。由于鋼環(huán)外部混凝土在發(fā)生收縮時易受到鋼環(huán)的約束作用而發(fā)生開裂,因此需在開裂之前每隔12 h通過顯微鏡仔細(xì)觀察圓環(huán)開裂情況,準(zhǔn)確記錄開裂時間和裂縫寬度,開裂后需要定期觀測混凝土裂縫的發(fā)展變化情況。
2?原材料選用
水泥采用甘肅永登水泥廠生產(chǎn)的祁連山牌P.MH42.5水泥,品質(zhì)符合GB 200—2003[9]要求;粉煤灰和硅粉采用蘭州西固電廠生產(chǎn)的Ⅰ級粉煤灰和蘭州西北鐵合金廠生產(chǎn)的微硅粉,產(chǎn)品質(zhì)量均符合DL/T 5144—2001[10]要求;骨料采用甘肅劉家峽紅柳臺料場生產(chǎn)的天然粗細(xì)骨料,產(chǎn)品質(zhì)量符合DL/T 5144—2001要求;外加劑分別采用西寧喜信混凝土外加劑有限公司生產(chǎn)的RT-1萘系高效減水劑、浙江五龍化工股份有限公司生產(chǎn)的ZWL-PC(Ⅰ)聚羧酸減水劑和河北石家莊外加劑廠生產(chǎn)的DH9引氣劑, 產(chǎn)品質(zhì)量均符合DL/T 5100—1999[11]要求;纖維和減縮劑采用美國格雷斯公司生產(chǎn)的GRACE束狀單絲聚丙烯纖維和GRACE Eclipse減縮劑。
3?試驗及結(jié)果分析
3.1?聚丙烯纖維對混凝土抗裂性能的影響
為了提高混凝土抗裂、抗沖擊性能,常常摻入纖維材料,以防止混凝土塑性開裂和早期產(chǎn)生微裂紋。纖維對水泥基體起增強作用的理論學(xué)說目前主要有纖維阻裂理論和復(fù)合材料理論,其中纖維阻裂理論是基于線彈性斷裂力學(xué)來解釋纖維在混凝土裂縫發(fā)生和發(fā)展過程中所起的約束作用[12]。根據(jù)該理論,混凝土中摻入的聚丙烯纖維可以分散其微裂縫尖端的集中應(yīng)力,起到阻止或延緩混凝土開裂、減小裂縫寬度的作用。
為了進一步研究聚丙烯纖維對混凝土力學(xué)性能和抗裂性能影響或改善效果,對摻聚丙烯纖維混凝土(試件編號TX-1)與不摻纖維的基準(zhǔn)混凝土(試件編號TX-0)進行了力學(xué)性能對比和圓環(huán)開裂對比試驗。試件的配合比參數(shù)見表1,力學(xué)性能指標(biāo)見表2,裂縫寬度隨時間發(fā)展變化情況見圖1。
由表2可知,摻纖維混凝土的抗壓強度、劈拉強度與基準(zhǔn)混凝土相比沒有明顯的差別,但軸拉強度、極限拉伸值等抗裂性指標(biāo)稍高于基準(zhǔn)混凝土。由圖1看出,基準(zhǔn)混凝土開裂時間為4.5 d,聚丙烯纖維混凝土開裂時間為5.5 d,裂縫寬度均在開裂后15 d內(nèi)增長迅速,約在22 d后趨于穩(wěn)定。兩個圓環(huán)試件開裂寬度相差很大,90 d齡期的基準(zhǔn)混凝土開裂寬度為2.80 mm,而摻聚丙烯纖維的混凝土開裂寬度為1.00 mm,約為基準(zhǔn)混凝土的1/3。通過力學(xué)性能和抗裂性對比試驗發(fā)現(xiàn),聚丙烯纖維對提高混凝土抗壓強度、劈拉強度等力學(xué)性能效果不明顯,但對提高混凝土抗裂性卻有較為顯著的效果。
3.2?減水劑品種對混凝土各項性能的影響
3.2.1?對配合比參數(shù)及其拌和物性能的影響
試驗條件:混凝土水膠比為0.40,摻20%粉煤灰和6%硅粉,聚丙烯纖維用量為0.6 kg/m3,引氣劑采用DH9,減水劑采用ZWL-PC(Ⅰ)聚羧酸減水劑和RT-1萘系高效減水劑。試驗過程中控制混凝土15 min坍落度為7~9 cm,含氣量為3%~4%。試驗結(jié)果:采用ZWL-PC(Ⅰ)聚羧酸減水劑并且在拌和物坍落度和含氣量均合適的條件下,混凝土用水量和最優(yōu)砂率分別為110 kg/m3和30%,減水劑最佳摻量為1.10%,引氣劑適宜摻量為0.004%;采用RT-1萘系減水劑時,其最佳摻量仍為1.10%,在拌和物含氣量和坍落度均合適的條件下,DH9引氣劑適宜摻量為0.014%,混凝土用水量和最優(yōu)砂率分別為133 kg/m3和29%(見表3)。
3.2.2?力學(xué)性能對比試驗
按照表3配合比參數(shù),摻ZWL-PC(Ⅰ)聚羧酸減水劑與摻RT-1萘系減水劑混凝土力學(xué)性能試驗結(jié)果見表4。可以看出,采用RT-1減水劑的混凝土早期抗壓強度和劈拉強度高于采用ZWL-PC(Ⅰ)減水劑的,但后期沒有明顯的差異;而采用ZWL-PC(Ⅰ)減水劑的混凝土在軸拉強度、極限拉伸值等抗裂性指標(biāo)略高于采用RT-1減水劑的。
3.2.3?抗沖磨性能對比試驗
按照表3配合比參數(shù),分別采用ZWL-PC(Ⅰ)聚羧酸減水劑與RT-1萘系減水劑,按照水下鋼球法和圓環(huán)法進行混凝土抗沖磨性能試驗,結(jié)果見表5。可以看出,在水膠比相同的條件下,兩種方法得到的結(jié)果一致,即摻ZWL-PC(Ⅰ)聚羧酸減水劑比摻RT-1萘系減水劑的混凝土抗沖磨強度略高。
3.2.4?干縮變形對比試驗
按照表3配合比參數(shù),摻ZWL-PC(Ⅰ)、RT-1兩種減水劑配制的混凝土干縮率對比見圖2。可以看出,由ZWL-PC(Ⅰ)減水劑配制的混凝土干縮率較小。
3.2.5?圓環(huán)開裂對比試驗
為了比較摻不同品種減水劑的混凝土收縮開裂情況,按照表3配合比參數(shù)進行了圓環(huán)開裂對比試驗,結(jié)果見圖3。由圖3可以看出,摻ZWL-PC(Ⅰ)減水劑配制的混凝土開裂時間為8.5 d,90 d齡期開裂寬度0.62 mm;摻RT-1減水劑配制的混凝土開裂時間為6.5 d,90 d齡期開裂寬度為1.02 mm。
3.3?不同水膠比對混凝土各項性能的影響
3.3.1?力學(xué)性能對比試驗
不同水膠比條件下各項性能試驗采用的配合比參數(shù)見表6,力學(xué)性能試驗結(jié)果見表7??梢钥闯?,在粉煤灰和硅粉摻量一定的情況下,混凝土水膠比與力學(xué)性能之間具有較好的相關(guān)性,水膠比越小,混凝土抗壓強度、劈拉強度、軸拉強度越高,極限拉伸值越大。在水膠比不大于0.40時,28 d齡期抗壓強度均高于40 MPa,極限拉伸值均大于1.29×10-4;90 d齡期抗壓強度均高于48 MPa,極限拉伸值均大于1.40×10-4。根據(jù)試驗結(jié)果,以C40抗沖磨混凝土為例,若設(shè)計齡期為28 d,則采用的水膠比不得大于0.36(根據(jù)TPS-1、TPS-2、TPS-3試驗結(jié)果所確定的混凝土抗壓強度與水膠比關(guān)系的推定值);若設(shè)計齡期為90 d,則采用0.40水膠比就能滿足設(shè)計要求。
3.3.2?抗沖磨性能對比試驗
一般來說,混凝土抗沖磨強度隨著抗壓強度的增高而增高,《水工建筑物抗沖磨防空蝕混凝土技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5207—2005)將抗沖磨混凝土劃分為C35、C40、C45、C50、C55、C60、大于C60等7個等級[13]。不同水膠比條件下抗沖磨性能試驗結(jié)果見表8,可以看出:混凝土水膠比越小,抗沖磨強度越高,在水膠比不大于0.40時,混凝土均具有較高的抗沖磨強度和較小的磨損率,同時90 d齡期的混凝土抗沖磨強度比28 d齡期的有大幅提高。
3.3.3?干縮變形對比試驗
按表6配合比參數(shù)進行干縮試驗,結(jié)果見圖4,可以看出:前14 d混凝土干縮變形速率較快,在15~28 d內(nèi)變形速率減慢,之后逐漸趨于穩(wěn)定。從變形的大小來看,呈現(xiàn)出干縮變形隨水膠比的減小而增大的趨勢,尤其在水膠比為0.30時,干縮變形受水膠比的影響更為顯著。
3.3.4?圓環(huán)開裂對比試驗
按照表6配合比參數(shù),不同水膠比的混凝土圓環(huán)開裂情況見圖5。水膠比為0.40、0.35、0.30的混凝土環(huán)開裂時間分別為8.5、7.5、7.0 d,90 d齡期裂縫寬度分別為0.62、0.65、0.85 mm,即其他條件不變的情況下,混凝土水膠比越小,其開裂的時間越短,開裂寬度也越大。在水膠比為0.35、0.40時,開裂寬度隨水膠比的減小增幅不大;在水膠比為0.30時,混凝土開裂寬度增幅較大。
3.4?減縮劑對混凝土性能的影響
3.4.1?減縮劑及其作用原理
根據(jù)混凝土毛細(xì)張力學(xué)說[14],混凝土中存在有極細(xì)的孔隙(毛細(xì)管),水從中逸出時,毛細(xì)孔中的水分逐漸由飽和狀態(tài)變?yōu)椴伙柡蜖顟B(tài),使孔中的水產(chǎn)生彎月面。在水的表面張力作用下,孔中彎月面水與平面水之間存在壓力差ΔP:
ΔP=2γcos θ/r(1)
式中:ΔP為毛細(xì)管負(fù)壓,MPa;γ為液體的表面張力,N/m;r為孔中彎月形水面的曲率半徑(凹月面時為負(fù)),m;θ為水與毛細(xì)管壁的接觸角。
由式(1)可知:當(dāng)混凝土內(nèi)部相對濕度降低時,存在一個臨界半徑rk,孔徑小于rk的孔全部充滿水,孔徑大于rk的孔中水被消耗或排空,由此產(chǎn)生毛細(xì)管負(fù)壓ΔP,作為毛細(xì)管壁的水泥漿或混凝土在此壓力下產(chǎn)生收縮。對于一定孔徑的毛細(xì)管,ΔP與水的表面張力成正比,減小液相表面張力同樣可以降低毛細(xì)管負(fù)壓ΔP,進而減小混凝土的收縮,這也是混凝土減縮劑的作用機理,即在拌和水中加入能降低水表面張力的物質(zhì)。20世紀(jì)80年代末,日本桑約化學(xué)工業(yè)有限公司和日本水泥有限公司聯(lián)合開發(fā)了混凝土減縮劑(SRA),其主要成分為聚烷基醚乙二醇[15],能較大程度減小混凝土的干燥收縮。目前很多混凝土外加劑生產(chǎn)廠家生產(chǎn)并銷售混凝土減縮劑,其成分已向多元化發(fā)展。
3.4.2?對拌和物性能及其配合比參數(shù)的影響
試驗參數(shù)及控制要求:粉煤灰摻量20%,硅粉摻量6%,聚丙烯纖維摻量0.6 kg/m3,砂率28%,水膠比為0.30,用水量為110 kg/m3,減水劑ZWL-PC(Ⅰ)摻量1.10%,GRACE Eclipse減縮劑摻量1.0%;試驗過程中控制混凝土拌和物15 min坍落度為7~9 cm,含氣量為3%~4%。試驗發(fā)現(xiàn)摻入減縮劑會減小混凝土的含氣量,坍落度也略有減小,為了保證15min混凝土含氣量為3%~4%,則需要加大引氣劑摻量;在拌和物性能不變的條件下,不摻減縮劑時引氣劑摻量為0.003%,摻減縮劑時需要將引氣劑摻量提高到0.035%(見表9)。
3.4.3?力學(xué)性能對比試驗
按表9配比參數(shù),進行摻減縮劑混凝土力學(xué)性能對比試驗,結(jié)果見表10??梢钥闯?,摻減縮劑后混凝土抗壓強度略有降低,劈拉強度差別不大,早齡期軸拉強度較低、極限拉伸值較小,但在28 d和90 d齡期時差異減小。總體來看,減縮劑對混凝土最終力學(xué)性能稍有影響。
3.4.4?抗沖磨性能對比試驗
按照表9配合比參數(shù),進行摻減縮劑混凝土抗沖磨性能對比試驗,結(jié)果見表11。可以看出,摻減縮劑后混凝土抗沖磨強度略有降低。
3.4.5?干縮變形對比試驗
按表9配合比參數(shù),進行混凝土干縮對比試驗,結(jié)果見圖6。可以看出,不摻減縮劑的混凝土90 d干縮率為2.74×10-4,摻減縮劑的混凝土90 d干縮率為1.86×10-4。
3.4.6?圓環(huán)開裂對比試驗
按表9配合比參數(shù),進行摻減縮劑混凝土圓環(huán)開裂對比試驗,結(jié)果見圖7。可以看出,未摻減縮劑的混凝土開裂時間為7 d,90 d齡期開裂寬度為0.85 mm;摻入減縮劑的混凝土開裂時間為19 d,90 d齡期開裂寬度為0.49 mm。可見,摻入減縮劑使混凝土開裂時間大幅度延后,而裂縫寬度減小。
3.5?混凝土抗凍性和抗?jié)B性
由于抗沖磨混凝土采用較小水膠比(一般不超過0.40),且摻硅粉和引氣劑,因此混凝土抗?jié)B性和抗凍性大幅度提高。試驗結(jié)果表明:各種組合的抗沖磨混凝土抗?jié)B等級均在W10以上,經(jīng)過200次凍融循環(huán)后,相對動彈模均在90%以上,質(zhì)量損失率均在1.2%以內(nèi),抗凍性和抗?jié)B性優(yōu)良。
4?結(jié)?語
(1)在水膠比一定的條件下,摻加聚丙烯纖維、減縮劑或采用不同減水劑品種等,對早齡期混凝土的力學(xué)性能和抗沖磨性能均有不同影響,但對后期各項力學(xué)性能和抗沖磨性能影響不大。摻聚丙烯纖維使28 d齡期和90 d齡期混凝土的抗拉強度和極限拉伸值稍有提高,摻入減縮劑會使其抗拉強度和極限拉伸值略有降低。
(2)與萘系減水劑相比,聚羧酸類減水劑可明顯降低混凝土的干縮率,有效延緩混凝土圓環(huán)開裂時間,減小其開裂寬度。因此,在抗沖磨混凝土配合比設(shè)計時,建議選用聚羧酸類減水劑。
(3)在原材料品種和品質(zhì)確定的情況下,水膠比越小,混凝土開裂時間越短、裂縫寬度越大,因此在滿足混凝土設(shè)計要求的前提下,應(yīng)盡可能采用較大水膠比。90 d齡期的混凝土各項性能指標(biāo)比28 d齡期的有較大提升空間,建議采用90 d或180 d設(shè)計齡期,適當(dāng)提高水膠比和粉煤灰摻量,降低水泥用量,以防止或減小混凝土的收縮和開裂。
(4)摻入聚丙烯纖維可阻止混凝土早期裂縫的發(fā)生和發(fā)展,延緩混凝土開裂時間,減小開裂寬度;摻入混凝土減縮劑,可減小其干縮率,大幅度延長開裂時間,減小混凝土開裂寬度。
(5)在水膠比一定的條件下,未摻纖維和減縮劑的基準(zhǔn)混凝土開裂時間為4.5 d,裂縫寬度為2.80 mm;摻入聚丙烯纖維和減縮劑的混凝土開裂時間為19 d,裂縫寬度為0.49 mm。
在黃河上游干燥環(huán)境下,混凝土干縮和開裂等方面風(fēng)險加大,建議采用摻入聚丙烯纖維和減縮劑的技術(shù)方案,以更好地解決抗沖磨混凝土收縮和開裂等耐久性問題。
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