淺談渠道水工混凝土的抗凍性

(北京市延慶區水務局，北京 102100)

中國北方冬季氣候寒冷，許多渠道襯砌工程往往在建成后的第一年冬季，就出現凍土上抬、裂縫和嚴重變形，加之渠道經常通水，這些凍害現象逐年加劇，部分運行三到五年后就完全破壞。不少灌溉渠道襯砌已是新中國成立以來的第二代或第三代工程，有的工程雖然沒有完全損毀，仍勉強使用，但也需要定期進行維修維護，花費大量投資和人力。目前，許多新灌區尚未完全建成，或完全配套之前就需重建已破壞的工程，嚴重影響其功用，因此就有“修不完的工程，配不完的套”的說法。

針對以上混凝土渠道襯砌問題，本文對水工混凝土的抗凍力學性能進行試驗研究。試驗采用42.5號普通硅酸鹽水泥、河北地區的河砂石，延慶地區普通自來水配制試驗水工混凝土，進行抗凍漲試驗。試驗中添加了取自內蒙古錫林浩特盟特有的火山灰和來自北京與南京生產的引氣劑，研究火山灰和引氣劑對水工混凝土強度和抗凍性的影響。

1 試驗的內容與方法

1.1 試驗所用材料

a.水泥。水泥采用42.5號普通硅酸鹽水泥，經水泥膠砂測定,其強度符合要求。密度ρC=3.16g/cm3。

砂石的顆粒級配列于表1,符合連續級配要求。

表1 砂石篩分試驗結果

d.火山灰。火山灰取自內蒙古錫林郭勒盟，火山灰純度較高，活性較強。為充分發揮火山灰作用，將火山灰磨細到比表面積大于6000cm2/g，密度是ρh=2.44g/cm3。

e.引氣劑。有文獻介紹含氣量達4%時，水工混凝土性能變化突出，按此推算，本文中加入兩種引氣劑，產自北京的固態引氣劑應摻入0.06%，產自南京的液態引氣劑應摻入0.02%。

1.2 混凝土配合比設計

a.混凝土等級確定。依據水工混凝土的特點有別于結構性混凝土，一般水工混凝土的強度較低。這并非是水工混凝土不如結構混凝土性能優良，而是由于水工混凝土的特殊性質決定了其強度。當然水工混凝土也有部分強度等級非常高的。本文中選用的水工混凝土等級為C15 、C25 、C35。

b.試驗強度確定。在研究水工混凝土的抗凍性能時，本文引進正交設計方法對寒區水工混凝土的抗凍漲性能進行試驗研究。正交設計在保證試驗結果合理的情況下，能夠大大減少試驗數量，節約時間和精力。試驗正交設計考慮的因素如下：?水灰比W/C;?火山灰替代水泥的比例;?引氣劑類型(固定含氣量)。

每個因素設3個水平，依照《試驗設計與數據處理》試驗設計方法的介紹，得到正交試驗見表2。

表2 抗凍混凝土配合比正交設計因素水平

c.配合比確定。根據以上確定的因素、水平配置水工混凝土，測量水工混凝土的坍落度，改變砂漿含量使得水工混凝土的坍落度達到要求，確定水工混凝土的配合比。在確定單組水工混凝土配合比的同時，必須兼顧相鄰兩組混凝土的配合比，使其都達到要求，這樣就不至于破壞水工混凝土的粗細骨料比例結構。新拌混凝土的坍落度保持在50mm左右,具有較好的流動度，保水性和黏聚性,滿足水工混凝土的需要。經測定, 摻引氣劑的混凝土含氣量介于4%～5%,滿足要求。水工混凝土配合比見表3。

表3 混凝土配合比

2 試驗試件制作

試驗研究共需要做兩種試件，分別是試驗組和對照組，試驗組進行標準養護，對照組采用蒸壓養護。水工混凝土試驗試件制作前先將砂子水洗一次，晾曬一天。再在實驗室將粗骨料、細骨料、水泥、水、外摻劑混合，用50L的小型混凝土試驗攪拌機進行攪拌。攪拌完測量坍落度，驗證坍落度值是否與配合比設計一致。一致后，裝模，一天后脫模養護。部分試件在恒溫25℃、恒濕95%條件下的養護箱內進行28d的標準養護，部分處于高溫蒸汽養護。

3 試驗指標

試驗指標包括：質量損失量；抗壓強度；抗折強度；動彈性模量。

4 試驗過程

混凝土試件共做兩種，其中凍融抗折試件的尺寸為10cm×10cm×40cm，凍融抗壓試件的尺寸為10cm×10cm×10cm，混凝土凍融試驗的試件尺寸為10cm×10cm×40cm。養護方式分采用標準養護和蒸壓養護。試件養護后，部分標準養護的試件和蒸壓養護試件直接測抗壓和抗折強度，余下的標準養護試件進行凍融循環，按照設計的次數，依次取出做抗凍和抗折試驗。凍融試驗采用快凍法,試件在凍結前，根據規范浸水一天，使混凝土處于水飽和狀態進行凍融循環，凍融循環過程中混凝土試件中心溫度的低溫應控制在-17℃～-15℃,高溫應控制在6℃～8℃,凍融循環依次歷時3～3.5h。凍融試驗機采用國產TDRl 全自動混凝凍融試驗機。所用試驗都按《水工混凝土試驗規程》(SL352—2006)有關規定進行。試件在測抗壓、抗折強度前先測重量和動彈性模量。

由于在做凍融循環試驗之前，已經測量試件的抗壓、抗折強度，根據強度結果，調整凍融循環次數，以便得到較為理想的數據結果。

5 試驗結果及討論

5.1 混凝土強度

混凝土在標準養護條件下28d 抗壓、抗折強度的試驗結果列于表4。試驗結果表明: 在標準養護條件下，未經凍融循環的混凝土試件抗壓強度、抗折強度都能達到規范要求，即本文中所設計的混凝土強度設計值。C35 試驗組中在沒有加入引氣劑的情況下,經過200 次凍融循環后,其抗壓、抗折強度值分別下降28.8%和29.6%;C25 和C15 試驗組中,在沒有加入引氣劑的情況下,試件在分別凍融100 次和75 次循環后即破碎;加入引氣劑后,C25 試驗組中試件在經過200 次凍融循環后,抗壓強度降低16.3%(液體引氣劑)和16.0%(固體引氣劑),抗折強度降低29.2%(液體引氣劑) 和21.4%(固體引氣劑);C15 試驗組中,加入引氣劑后,雖能大幅度提高混凝土的抗凍融循環次數,但仍不能承受200 次的凍融循環。

表4 標準養護28d試件凍融前后的抗折、抗壓強度 單位：MPa

可見,混凝土中加入引氣劑能明顯提高混凝土的抗凍性能。如考慮采用引氣劑,北部地區水工混凝土的設計強度最低標準可設為C25,如不采用引氣劑,水工混凝土的設計強度最低可為C35。

表5 28d 齡期混凝土強度極差分析

5.2 混凝土強度的影響因素分析

根據《試驗設計與數據處理》中的計算方法,采用正交極差分析法對強度指標進行極差分析,極差分析結果見表5。結果表明,影響因素從大到小依次為水灰比、火山灰摻量、引氣劑。水灰比是影響強度指標的主要因素;火山灰對抗壓強度的影響較大,其中摻量為15%時強度最大,摻量為20%時強度減小，但比火山灰摻量為10%的混凝土強度值略高; 當不摻引氣劑時,抗壓強度為最小,可能是引氣劑的減水作用所致; 引氣劑對抗折強度的影響為負作用;該試驗所采用的兩種引氣劑對強度的影響基本相同;對于抗折強度,不摻火山灰時為最佳。

6 結 論

a.在北方高寒地區水工混凝土的抗凍耐久性指標是應該首先考慮的，混凝土強度等級應比內地非寒冷地區相應提高。

b.通過試驗結果表明,水工混凝土中使用引氣劑能明顯增強混凝土的抗凍性，建議北方高寒地區渠道混凝土采用C25以上混凝土，并配合使用引氣劑。

c.水工混凝土中可摻入適量火山灰(摻量15%～20%),其結果對混凝土的強度和抗凍耐久性沒有大的影響。

通過以上研究結論，可以指導灌溉渠道及水利工程中水泥混凝土的在實際應用，為農業渠道灌溉發展打好基礎。

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