電網(wǎng)工程中混凝土快凍法試驗(yàn)與檢測分析

劉奕彤,馬海濤,金龍飛

(遼寧東科電力有限公司,遼寧 沈陽 110179)

0 引言

在電力系統(tǒng)中,不論是在變電設(shè)備GIS開關(guān)基礎(chǔ)、變壓器基礎(chǔ)、事故油池、集水井,或是在送電線路中桿塔基礎(chǔ)、電纜隧道,還是在發(fā)電過程中架設(shè)風(fēng)機(jī)承臺與樁基,均是由不同規(guī)格混凝土來穩(wěn)定支撐,混凝土出現(xiàn)在各種嚴(yán)酷環(huán)境中[1]。本文通過完整的混凝土快凍試驗(yàn),判斷混凝土隨著季節(jié)更替而存在的長期耐久性能損耗規(guī)律,并提出適當(dāng)預(yù)防措施。

1 電力工程常見混凝土病害

1.1 變電工程

變電站具有變換電壓、調(diào)控電流方向、分配電流、調(diào)整電壓作用[2],并且混凝土在變電工程中應(yīng)用非常廣泛。以某常規(guī)敞開式220 kV變電站為例,除掉變電站主控樓與二次保護(hù)間等構(gòu)筑物外,變電站內(nèi)變壓器、電抗器、站用變、GIS開關(guān)等設(shè)備均架設(shè)在混凝土之上,若混凝土強(qiáng)度與功能無法達(dá)到設(shè)計(jì)值,則以上設(shè)備在上臺時(shí)極易導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)裂縫與損傷,且對應(yīng)部位混凝土失效,繼而間接致使設(shè)備發(fā)生故障與電網(wǎng)運(yùn)行波動(dòng)。集油事故油池、傳輸信號電纜溝、生產(chǎn)生活所需用水的集水井等設(shè)置于場區(qū)標(biāo)高以下設(shè)施,四壁均由混凝土支撐與保護(hù),這些常年處于地表下,由土壤包裹的混凝土既要滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度,又要滿足自身各項(xiàng)長期耐久性能指標(biāo),方可保證設(shè)施內(nèi)部水與油不會滲透到外部土壤,地表雨水也無法滲透到結(jié)構(gòu)內(nèi)部。

1.2 送電工程

常見送電工程均由線路、塔與塔基構(gòu)成,塔基則由鋼筋混凝土完全打造,一般送電線路設(shè)計(jì)壽命至少為50年,這就要求混凝土基礎(chǔ)經(jīng)得起嚴(yán)格考驗(yàn),既要保證塔傾斜撓度符合要求,又要滿足自身沉降量不超標(biāo);既要經(jīng)受冬期寒冷低溫與雨水侵蝕,又要滿足混凝土自身各項(xiàng)長期耐久性指標(biāo),否則將對電網(wǎng)運(yùn)行及財(cái)產(chǎn)造成極大損失。

另一種比較少見的送電工程是電纜隧道,可分為盾構(gòu)、明挖2種形式。但其內(nèi)部使用與構(gòu)造均相同,并且均設(shè)置在地表下。原則是在不方便高空架設(shè)線路或是像重慶山城地區(qū),架設(shè)電纜后在特定情況下會帶來一系列安全隱患時(shí),經(jīng)常采用電纜隧道形式。明挖隧道常使用現(xiàn)澆混凝土,盾構(gòu)隧道常使用預(yù)制混凝土管片拼裝,但由于該部分常年處于地下,混凝土外部經(jīng)防水防腐等材料處理后直接與地表土壤接觸,滲漏水與凍害仍是電纜隧道內(nèi)部發(fā)生頻率較高問題[3]。

2 混凝土快速凍融檢測

2.1 檢測原因

在我國北方,環(huán)境溫度波動(dòng)很大,極端時(shí)有-50 ℃極寒天氣,從而導(dǎo)致地面或屋面有積水,在一年四季乃至一天不同時(shí)段呈現(xiàn)為不同狀態(tài),同樣混凝土外層在直接與水分接觸地方,也在經(jīng)受著冰凍與融化雙重考驗(yàn)。混凝土表面水分在冰凍時(shí)會出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象,當(dāng)冰融化成水后又將混凝土表面泥沙帶走,如此往復(fù)循環(huán),對混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、自身質(zhì)量,乃至鋼筋保護(hù)層厚度均造成極大損失。所以在北方大部分用于承重的混凝土基礎(chǔ),在設(shè)計(jì)時(shí)均對抗凍性能有嚴(yán)格要求。

2.2 檢測時(shí)機(jī)

目前,我國對普通混凝土快速凍融試驗(yàn)方法主要依據(jù)GB/T 50082—2009[4],所以混凝土試件澆筑后齡期達(dá)到24天時(shí),應(yīng)放置清水中浸泡4天(見圖1),其目的一是使混凝土表面處于濕潤狀態(tài),浸泡4天可將混凝土表層及表層深處完全浸濕,便于后續(xù)凍融試驗(yàn);二是普通混凝土長期耐久性檢測時(shí)機(jī)往往是在28天齡期到達(dá)時(shí)開始檢測,所以浸泡時(shí)間必須是在澆筑后齡期達(dá)到24天時(shí)開始;三是由于在后續(xù)凍融試驗(yàn)中,需要每25次循環(huán)后停止并稱量試件質(zhì)量,若不提前浸泡4天,極易導(dǎo)致無法精準(zhǔn)測量試件質(zhì)量損失率。

圖1 混凝土試件在試模中浸泡

2.3 檢測設(shè)備

普通混凝土快凍法相較于慢凍法是一種新型檢測方法,目前我國東北大多數(shù)建材檢測實(shí)驗(yàn)室檢測設(shè)備仍停留在慢凍法所需設(shè)備上(慢凍機(jī)、電子天平、壓力機(jī)),慢凍法檢弊端主要體現(xiàn)在檢測周期長、報(bào)告發(fā)放慢。

快凍法檢測需配備快凍試驗(yàn)機(jī)、動(dòng)彈性模量測定儀、電子天平(見圖2)與-40 ℃防凍液,又稱為“三機(jī)一液”。快凍試驗(yàn)機(jī)作為貫穿整個(gè)試驗(yàn)最主要檢測設(shè)備,控制器需達(dá)到實(shí)現(xiàn)溫度顯示、溫度控制、凍融過程轉(zhuǎn)化、循環(huán)次數(shù)自動(dòng)記錄等功能[5],由防凍液通過熱傳導(dǎo)將熱量傳至試模與試模內(nèi)部清水中,從而帶動(dòng)混凝土試件整個(gè)溫升溫降全過程。電子天平與動(dòng)彈性模量儀則為輔助檢測設(shè)備,在開始凍融試驗(yàn)前和每25次循環(huán)停止后,均需要對混凝土試件進(jìn)行質(zhì)量測量與橫向基頻測量,最終通過此指標(biāo)綜合判斷試件是否達(dá)到設(shè)計(jì)抗凍等級。

圖2 快凍試驗(yàn)所需儀器

3 混凝土快速凍融檢測試驗(yàn)

混凝土抗凍性能(快凍法)抗凍等級用F來表示,目前國內(nèi)多數(shù)混凝土抗凍性設(shè)計(jì)值均采用50的整數(shù)倍來設(shè)計(jì),如F50、F100、F150、F200……。本文基于設(shè)計(jì)最低值F50來介紹試驗(yàn)具體步驟與注意事項(xiàng)。

3.1 檢測開展

快凍法檢測混凝土抗凍性能試件有別于慢凍法試件尺寸,快凍試件尺寸采用100 mm×100 mm×400 mm棱柱體試件,且抗凍試模內(nèi)壁不建議刷機(jī)油等油性脫模劑。試件在完成4天浸泡后達(dá)到28天齡期時(shí),可將試件與試模一并放入快凍試驗(yàn)劑內(nèi)開始進(jìn)行試驗(yàn)。需注意的是,試件與試模之間仍以清水為熱傳導(dǎo)介質(zhì),且試模內(nèi)水面浸沒試件頂面高度應(yīng)為5～20 mm,以確保后期隨著箱體內(nèi)溫度升高,水分蒸發(fā)流失導(dǎo)致水面低于試件頂面。

每做25次凍融循環(huán)需取出試件并擦去試件外壁上浮渣與水分,且根據(jù)試件實(shí)際情況進(jìn)行必要描述。一次凍融循環(huán)應(yīng)控制在2～4 h內(nèi),且降溫時(shí)長為1～2.5 h、升溫時(shí)長為1～2 h。測溫試件為可循環(huán)使用,用沖擊鉆將非試驗(yàn)試件沿縱向軸心位置鉆孔,后將測溫試件放在凍融機(jī)中間位置,將測溫傳感器探頭埋于測溫試件中心[6-7],用黃油、石蠟或硫磺等熱熔材料將試件頂部密封,確保試件中心部位無外界水分干擾,中心試件探頭可實(shí)時(shí)監(jiān)測凍融機(jī)內(nèi)試件溫度值,防凍液與對角線處放置的探頭用于監(jiān)測箱體內(nèi)最遠(yuǎn)點(diǎn)與防凍液實(shí)時(shí)溫度,當(dāng)達(dá)到最低與最高設(shè)定溫度值后,進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)階段。

3.2 檢測設(shè)計(jì)

當(dāng)采用F50的1組3塊試件開展快凍試驗(yàn)時(shí),為探究凍融循環(huán)次數(shù)與相對動(dòng)彈性模量、試件質(zhì)量損失之間關(guān)系,將設(shè)定機(jī)器每10次凍融循環(huán)停止并采集數(shù)據(jù),故本次試驗(yàn)分別在初次、10次、20次、30次、40次、50次時(shí)采集動(dòng)彈性模量與質(zhì)量,即可測得實(shí)際凍融次數(shù)在滿足設(shè)計(jì)前提下,在哪個(gè)階段相對損失率過大,進(jìn)而采取相應(yīng)補(bǔ)救或改造措施。經(jīng)N次凍融循環(huán)后第n個(gè)混凝土試件相對動(dòng)彈性模量和質(zhì)量損失率見式(1)、式(2),混凝土動(dòng)彈性模量見式(3)。

(1)

式中:fN為經(jīng)N次凍融循環(huán)后試件的橫向基頻,Hz;f0為凍融循環(huán)前試件橫向基頻初始值,Hz。

(2)

式中:W0為凍融循環(huán)前試件質(zhì)量初始值,g;WN為經(jīng)N次凍融循環(huán)后試件的質(zhì)量,g。

Ed=13.244×10-4×WL3f2/a4

(3)

式中:a為試件正方形截面邊長,mm;L為試件長邊長度,mm;W為試件質(zhì)量,kg;f為試件橫向振動(dòng)的頻率,Hz。

3.3 檢測數(shù)據(jù)

通過每10次循環(huán)為一個(gè)觀測單元,測得3個(gè)試件每10次質(zhì)量與橫向基頻(見表1、表2),同時(shí)根據(jù)公式算出試件質(zhì)量損失率(見表3)與橫向基頻損失率(見表4)。繪制質(zhì)量損失率、動(dòng)彈性模量損失率與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線(見圖3、圖4),在即將達(dá)到設(shè)計(jì)值F50凍融循環(huán)次數(shù)時(shí),可明顯看出,試件各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)損失率呈增長態(tài)勢,斜率驟增,這是由于混凝土在快速凍融過程中剝落與其滲透性、表面飽和度、溶液冰點(diǎn)有關(guān)[8]。

表1 試件質(zhì)量實(shí)測值 單位:g

表2 橫向基頻實(shí)測值 單位:Hz

表3 試件質(zhì)量損失率 單位:%

表4 橫向基頻損失率 單位:%

圖3 質(zhì)量損失率與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線

圖4 動(dòng)彈性模量損失率與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線

由圖5可知,在完成50次凍融循環(huán)后,同一個(gè)試件外觀尺寸偏差達(dá)到峰值,已經(jīng)由最初棱柱體消耗成不規(guī)則立方體,且試件表層水泥與細(xì)骨料均被試膜中水分所帶走,將內(nèi)部粗骨料完全裸露在外,此時(shí)試件已完全失去混凝土自身使用價(jià)值,且混凝土某些物理性能會發(fā)生明顯變化[9]。

圖5 50次凍融循環(huán)試驗(yàn)試件外觀對比

4 結(jié)語

混凝土快速凍融試驗(yàn)與其他長期耐久性試驗(yàn)以及力學(xué)試驗(yàn)不同,需要對檢測時(shí)機(jī)及整個(gè)試驗(yàn)節(jié)奏嚴(yán)格把握,從混凝土最初澆筑日期算起,直到檢測機(jī)構(gòu)出具檢測結(jié)論,中間試驗(yàn)過程容不得絲毫差錯(cuò)。由于快凍法試驗(yàn)相對嚴(yán)苛,繼而從檢測報(bào)告出具日期與混凝土施工澆筑日期可完整推算設(shè)計(jì)抗凍等級,甚至可推算每個(gè)凍融循環(huán)持續(xù)時(shí)間。能否承接混凝土快凍試驗(yàn),從側(cè)面反映檢測機(jī)構(gòu)在混凝土檢測專業(yè)上的綜合能力,也能反映檢測人員個(gè)人綜合能力與執(zhí)行能力。