高寒地區(qū)渡槽現(xiàn)澆混凝土抗凍性試驗(yàn)研究

倪 明

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司，成都 610037)

1 工程背景

某灌溉工程區(qū)位于四川盆地與青藏高原的過渡地帶，平均海拔2 190～2 560m，主要為長(zhǎng)江水系切割改造下的斷陷盆地地貌景觀。工程區(qū)屬高原大陸性氣候，冷干時(shí)期較長(zhǎng)，暖濕時(shí)期較短，雨熱同期，日照充足，多年平均氣溫為7.2℃，極端最高氣溫為34.3℃，極端最低氣溫為-23.8℃，多年平均降水量244.1mm，多年平均蒸發(fā)量(E601蒸發(fā)器)為1 252.4mm，年日照時(shí)數(shù)2 904h，太陽(yáng)總輻射量為每年1 512cal/cm2，年平均風(fēng)速為2.1m/s。

工程設(shè)計(jì)總控制灌溉面積為1.334 7×104hm2，其中現(xiàn)狀灌溉面積為0.8×104hm2，規(guī)劃新增灌溉面積為0.534 7×104hm2，干渠設(shè)計(jì)流量為9.43m3/s，加大流量11.6m3/s，灌溉設(shè)計(jì)保證率為P=75%，年引水量為11 231×104m3，屬Ⅲ等中型工程。干渠總長(zhǎng)52.295km，流量分段為8段，其中明(暗)渠段長(zhǎng)11.997km，占干渠總長(zhǎng)度的22.95%；隧洞15座，總長(zhǎng)30.60km，占干渠總長(zhǎng)度的58.54%；渡槽25座，總長(zhǎng)8.33km，占干渠總長(zhǎng)度的15.94%；倒虹吸4座，總長(zhǎng)1.34km，占干渠總長(zhǎng)度的2.53%；干渠其它建筑物169座。由于干渠的設(shè)計(jì)流量及槽身斷面均較大，跨度為10m時(shí)，一跨槽身自重約60t，采用預(yù)制吊裝所需機(jī)械較大，考慮施工水平及施工道路的限制，大部分渡槽槽身采用現(xiàn)澆砼，小部分渡槽槽身采用整體預(yù)制吊裝[1-2]。

2 試驗(yàn)概況

2.1 原材料

試驗(yàn)原材料主要包括P.O 42.5普通硅酸鹽水泥、Ⅱ級(jí)粉煤灰、粗骨料(5～30mm連續(xù)級(jí)配，孔隙率47%，含水率0.3%，壓碎指標(biāo)6.6%)、細(xì)骨料(中粗砂，細(xì)度模數(shù)為2.64，堆積密度為1 550kg/m3，含泥量為1.3%)、尾礦砂、自來水。

2.2 試驗(yàn)配合比

試驗(yàn)前，先對(duì)渡槽混凝土的基礎(chǔ)配合比進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì)。按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[3-4]，確定渡槽混凝土的水膠比為0.44，每立方米渡槽混凝土中水泥、細(xì)骨料、粗骨料和水的用量分別為438、617、1 152和193 kg。由于工程屬于高海拔地區(qū)，晝夜溫差大，冬季氣溫極低，且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，要求混凝土具有較好的抗凍性能。因此，擬采用粉煤灰和尾礦砂對(duì)渡槽混凝土進(jìn)行性能改善，同時(shí)考慮粗骨料粒徑的影響，對(duì)渡槽混凝土進(jìn)行正交試驗(yàn)。

采用三因素四水平方案(L1643)進(jìn)行正交試驗(yàn)，見表1。粉煤灰摻量(替代水泥比例，A因素)分別為0、10%、20%和30%，尾礦砂摻量(替代細(xì)骨料比例，B因素)分別為0、25%、50%和75%，粗骨料的粒徑(C因素)分別為5～15、15～20、20～25、25～30mm，每組配合比下均進(jìn)行3次試驗(yàn)，盡量減小試驗(yàn)離散性的影響。

表1 正交試驗(yàn)配合比方案

2.3 抗凍試驗(yàn)方案

由于該地區(qū)晝夜溫差大，會(huì)導(dǎo)致渡槽結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度分布不均勻，從而產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力。為減小溫度應(yīng)力帶來的影響，除了提升渡槽混凝土抗凍性，還需盡可能提升導(dǎo)熱系數(shù)，故利用DRE-Ⅲ多功能快速導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀對(duì)渡槽混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測(cè)試[5-6]。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 質(zhì)量損失率

不同配合比方案下渡槽混凝土質(zhì)量損失率試驗(yàn)結(jié)果見圖1。由圖1可知，在0～100次凍融循環(huán)下，渡槽混凝土的質(zhì)量損失率均小于5%，且一直處于較低水平。試驗(yàn)14-16組試件在進(jìn)行到100次凍融循環(huán)后，發(fā)生崩解破壞，故而未能測(cè)得質(zhì)量損失率。在16組配合比方案中，相同凍融循環(huán)次數(shù)下，試驗(yàn)1-8組的質(zhì)量損失率要明顯小于試驗(yàn)9-16組的質(zhì)量損失，說明粉煤灰摻量對(duì)渡槽混凝土抗凍性有顯著性影響。當(dāng)粉煤灰摻量為0～10%時(shí)，粉煤灰可有效填充尾礦砂帶來的結(jié)構(gòu)孔隙，混凝土試件的密實(shí)性較好，具有更好的抗?jié)B性；當(dāng)粉煤灰摻量繼續(xù)增加時(shí)，混凝土中水泥量減少，而且尾礦砂的吸水性大于普通砂，導(dǎo)致混凝土水化反應(yīng)不足，混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)性反而降低，故而質(zhì)量損失反而增大。相同配合比下，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，大部分試件的質(zhì)量損失均呈逐漸增大的變化特征，有少量試件質(zhì)量出現(xiàn)先減小后增大的變化特征。這是因?yàn)樵趦鋈谘h(huán)初期，試件內(nèi)部的水分被凍結(jié)成冰并附著在結(jié)構(gòu)中，而此時(shí)凍融對(duì)試件結(jié)構(gòu)的損傷作用還不太明顯，因而質(zhì)量會(huì)出現(xiàn)增加現(xiàn)象；隨著凍融試驗(yàn)的進(jìn)行，損傷作用逐漸顯現(xiàn)，故而質(zhì)量損失逐漸增大。

圖1 質(zhì)量損失對(duì)比

3.2 相對(duì)動(dòng)彈性模量

不同配合比方案下渡槽混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量試驗(yàn)結(jié)果見圖2。由圖2可知，相同配合比方案下，渡槽混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈逐漸減小的變化特征，凍融循環(huán)100次后，試驗(yàn)1-13組的相對(duì)動(dòng)彈性模量分別為65.2%、68.2%、70.1%、64.3%、72.3%、76.2%、70.4%、66.5%、72.4%、70.3%、64.3%、65.9%和60.16%，試驗(yàn)14-16組相對(duì)動(dòng)彈性模量低于60%(發(fā)生崩解破壞)?？傮w而言，粉煤灰摻量為10%的試驗(yàn)5-8組，相對(duì)動(dòng)彈性模量最高；粉煤灰摻量為20%的試驗(yàn)9-12組，相對(duì)動(dòng)彈性模量其次，不摻入粉煤灰試驗(yàn)組(1-4組)的相對(duì)動(dòng)彈性模量較低；而摻入30%粉煤灰試驗(yàn)組(13-16組)的相對(duì)動(dòng)彈性模量最小，說明粉煤灰存在一個(gè)最佳摻量范圍，摻量過多或者過少均會(huì)造成抗凍性能降低。相同粉煤灰摻量下，當(dāng)?shù)V粉摻量為25%～50%時(shí)，渡槽混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量最高。這是因?yàn)槲驳V砂本身具備較好的加固特性，可以提升混凝土的強(qiáng)度，但是也會(huì)增加混凝土的孔隙間隙，給抗凍性帶來不利影響；而當(dāng)摻入一定量粉煤灰后，可以起到良好的填充作用，能夠中和尾礦砂帶來的不利影響，從而保證混凝土同時(shí)具備良好的強(qiáng)度特性和抗凍性。

圖2 相對(duì)動(dòng)彈性模量對(duì)比

3.3 導(dǎo)熱系數(shù)

同配合比方案下渡槽混凝土導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果見圖3。由圖3可知，不摻入粉煤灰和尾礦砂混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)較低，約為1W/m·k。當(dāng)僅摻入粉煤灰時(shí)，隨著粉煤灰摻量增加，渡槽混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增大；當(dāng)粉煤灰摻量達(dá)到30%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)增大至1.819W/m·k，提升幅度達(dá)到82%。當(dāng)同時(shí)摻入粉煤灰和尾礦砂時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)得到進(jìn)一步提升；當(dāng)粉煤灰摻量為0～20%且尾礦砂摻量為50%，可以使混凝土導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到最大值；當(dāng)粉煤灰摻量為30%且尾礦砂摻量為25%，可以使混凝土導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到最大值；小粒徑骨料混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)普遍高于大粒徑骨料混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)。尾礦砂中含有許多礦物成分，能夠起到提升導(dǎo)熱性能的作用，導(dǎo)熱系數(shù)越好的混凝土，可以降低渡槽混凝土內(nèi)外部的溫差，減小溫度應(yīng)力的影響，從而增強(qiáng)抗凍性能[7-8]，而粉煤灰則會(huì)彌補(bǔ)尾礦砂所帶來的密實(shí)性能不好的問題。因此，混摻粉煤灰+尾礦砂可以對(duì)渡槽混凝土的抗凍性和導(dǎo)熱性能起到很好的改善作用。

圖3 導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)比

3.4 方差分析

對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表2。從表2中可知，對(duì)于相對(duì)動(dòng)彈性模量的影響，粉煤灰摻量>尾礦砂摻量>粗骨料粒徑；對(duì)于質(zhì)量損失的影響，仍為粉煤灰摻量>尾礦砂摻量>粗骨料粒徑；而對(duì)于導(dǎo)熱系數(shù)的影響，則是尾礦砂摻量>粉煤灰摻量>粗骨料粒徑；從抗凍性能和導(dǎo)熱性能考慮，粉煤灰摻量為10%～20%適宜，尾礦砂摻量為25%～50%適宜，粗骨料粒徑對(duì)渡槽混凝土抗凍性能的影響較小。

在正交試驗(yàn)成果基礎(chǔ)上，對(duì)渡槽混凝土進(jìn)行RSM響應(yīng)曲面優(yōu)化，最終將粉煤灰摻量定為15%，尾礦砂摻量定為40%，粗骨料粒徑15～20mm，渡槽的綜合性能可以達(dá)到最佳。在最佳配合比下，渡槽混凝土100次凍融循環(huán)后的相對(duì)動(dòng)彈性模量為86%，質(zhì)量損失率為0.4% ，導(dǎo)熱系數(shù)為2.15W/m·k。

表2 方差分析結(jié)果

4 結(jié) 論

采用正交試驗(yàn)方法，對(duì)高海拔地區(qū)灌溉工程渡槽現(xiàn)澆混凝土進(jìn)行抗凍性試驗(yàn)研究，結(jié)論如下：

1)粉煤灰摻量對(duì)渡槽混凝土抗凍性的影響最大，其次為尾礦砂摻量，影響最小的為粗骨料粒徑。

2)尾礦砂對(duì)渡槽混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響最大，其次為粉煤灰摻量，影響最小的為粗骨料粒徑。

3)混摻粉煤灰和尾礦砂，既可以發(fā)揮尾礦砂的導(dǎo)熱和加固特性，又可以起到良好的填充作用，中和尾礦砂對(duì)抗凍性帶來的不利影響。

4)當(dāng)粉煤灰摻量定為15%，尾礦砂摻量定為40%，粗骨料粒徑15～20mm，渡槽的抗凍性和導(dǎo)熱性能最佳。