黃河中下游水閘混凝土強度變化規律研究

宋力 王荊 曾玉 王雪奎

摘要：黃河中下游水閘因所處環境條件相似，故各種不同配合比及強度等級的混凝土強度理論上具有相似規律，針對已開展的43座水閘混凝土強度現場安全檢測成果，分環境、分構件類型進行了統計分析，得到不同構件混凝土強度的推薦檢測方法。考慮齡期、環境因素，研究了構件混凝土強度變化規律。結論如下：水閘現場安全檢測中，閘底板和涵洞底板混凝土檢測方法推薦鉆芯法，閘墩及涵洞側墻混凝土檢測方法推薦鉆芯修正回彈法，閘頂板、胸墻、閘門、涵洞頂板檢測方法推薦回彈法，機架橋混凝土檢測方法推薦超聲回彈綜合法；13-45 a齡期內，混凝土強度呈現增長趨勢，第n類構件增長率最大，第Ⅰ類構件次之，第IQ類構件最小，從設計強度角度看，C13混凝土強度的增長率大于C18混凝土的；齡期大于45a后，混凝土強度趨于定值。

關鍵詞：水閘混凝土；抗壓強度；檢測方法；變化規律；黃河中下游

中圖分類號：TV663 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.03.032

混凝土廣泛應用于黃河穿堤建筑物水閘中，針對既有建筑物的安全評價，混凝土強度是其中最重要的指標之一。黃河中下游穿堤建筑物水閘混凝土有長期水下、水下和水上交替變化及完全水上三種使用環境，水閘運行時間為13～45a，混凝土強度變化內因與原設計強度密切相關，外因與所處環境條件、使用齡期密切相關[1]。現有研究成果表明，5a齡期的少水泥碾壓混凝土的孔隙率隨齡期的增長而減小，孔隙結構得到改善，混凝土強度得到提高[2]，這屬于混凝土強度提高的微觀分析。宏觀上混凝土強度與齡期的增長呈對數相關，混凝土強度增長基本在1a后趨于穩定[3-6]。國內外對混凝土強度隨齡期的發展規律研究多在5a齡期內，但相關研究在時間上連續性不夠，多數只研究個別齡期，對齡期大于10a的混凝土強度隨齡期增長規律[7-8]的相關研究較少，這對水閘安全評價混凝土結構安全程度的判別有影響。為研究混凝土強度與上述因素的相關性，筆者以黃河中下游43座水閘現場混凝土強度安全檢測成果為依據，采用統計分析方法揭示其變化規律。

1 混凝土強度檢測方法

在黃河中下游水閘的安全鑒定中，檢測混凝土強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件包括閘底板、涵洞底板、閘墩、閘頂板、胸墻、涵洞側墻、涵洞頂板、閘門及機架橋梁、板、柱等。在這些構件中，長期水下（第Ⅰ類）構件有閘底板和涵洞底板，水下和水上交替變化（第Ⅱ類）構件有閘墩、閘頂板、胸墻、涵洞側墻、涵洞頂板和閘門，完全水上（第Ⅲ類）構件有機架橋梁、板、柱等。

（1）第Ⅰ類構件。第Ⅰ類構件的特點是混凝土含水率長期處于飽和狀態，由于黃河多泥沙的特點，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。這些特點決定了第Ⅰ類構件混凝土在水閘投入運用后，一直處于養護良好的狀態，理論上其強度增長效應最明顯。第Ⅰ類構件需進行水閘清淤后才可開展混凝土強度檢測，但由于現場條件限制，清淤和檢測相隔時間很短或基本連續開展，同時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類構件開展檢測時其表面大多仍處于水飽和狀態。

回彈法是通過回彈值的大小來推定混凝土抗壓強度的，回彈值大小反映了與沖擊能量有關的回彈能量，而回彈能量反映了混凝土表層硬度與混凝土抗壓強度之間的關系。對于第Ⅰ類構件，其表面水飽和的特點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與混凝土單相介質相比，其吸能作用更強，對表面的沖擊能量具有削減作用，直接導致回彈值偏小，由此對混凝土強度檢測會帶來較大誤差。為解決此問題，經過黃河水利科學研究院學者十多年的探索，通過對比各種不同檢測方法的檢測難易程度和修復措施，對第Ⅰ類構件采用鉆芯法進行檢測，可以較好地降低環境條件帶來的檢測誤差，達到提高檢測精度的目的。

（2）第Ⅱ類構件。第Ⅱ類構件的特點是混凝土含水率長期處于飽和與不飽和狀態之間，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件中最為嚴重，加之多泥沙水流對其表面的沖刷起到了加劇的作用，其混凝土表面膠結料易流失造成粗骨料裸露。同時其處于水位變化區域，易受凍害影響，在此區域較多水閘混凝土表面呈現疏松脫落狀。根據前期研究成果，第Ⅱ類構件碳化深度要遠大于第Ⅰ類構件，理論上其混凝土強度應低于第Ⅰ類構件。

第Ⅱ類構件在水閘中占據的數量最多，檢測工作量占整個檢測工作的3/5多，其特點決定了想要制作符合檢測前提條件的檢測工作面，就需要對其表面進行打磨平整去除損傷區，因此其檢測方法的選用需要考慮經濟、人力、檢測精度等多方面因素，是水閘安全鑒定中的控制性檢測項目。

第Ⅱ類構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將造成回彈值不集中、回彈能量跳躍等現象。在長期的檢測實踐工作中，對比構件處理后采用單一回彈法、鉆芯回彈法等方法檢測的精度，推薦采用以鉆芯修正回彈法為主的方法對第Ⅱ類構件開展檢測。對于操作空間不夠或構件尺寸有限制的構件如閘頂板、胸墻、涵洞頂板和閘門，可采用回彈法進行檢測，但需要注意檢測面的處理必須滿足規范要求，同時在后期分析中，應與同一環境條件下的混凝土進行結果比對后確定混凝土最終強度。

（3）第Ⅲ類構件。第Ⅲ類構件的特點是混凝土長期處于低含水率狀態，較少受水流沖擊及腐蝕，表面一般較完整，在三類構件中，其設計混凝土強度等級一般最高。從構件形式來看，其更符合規范[9]規定的桿構件，但與回彈法規范中側重的構件環境條件相比，其直接遭受大氣各種成分作用、風作用和強紫外線作用，更類似于工業環境下的構件。在檢測結果中也可發現，第Ⅲ類構件的碳化深度是三類構件中最深的，且碳化深度在小于1000d齡期和大于1000d齡期的混凝土中，均呈現定值趨勢，這說明其碳化在水閘投入運用后3a左右的時間內均已完成，并重新形成保護層。

第IQ類構件不屬于水閘檢測工作中的控制構件，檢測工作量亦較小，其特點最符合回彈法檢測的前提條件，但其碳化后混凝土表面形成的以CaCO3為主要成分的物質，由于具有高硬度的特點，勢必造成其沖擊回彈能量過大、回彈值過高的現象，帶來所檢測混凝土強度值與實際值相比偏大的后果，因此不宜采用單一回彈法，而應充分利用超聲法對混凝土碳化深度的不敏感性特點，采用超聲回彈綜合測強法進行檢測。

統計的黃河中下游43座水閘中，檢測閘墩43個，閘頂板39個，閘底板39個，胸墻38個，涵洞側墻（邊墻、中墻）43個，涵洞頂板39個，涵洞底板39個，閘門28個，機架橋（含梁、板、柱）41個，43座水閘構件強度檢測方法統計見表1。水閘構件采用的檢測方法見圖1，圖1中橫坐標A代表第Ⅰ類構件；B1代表第Ⅱ類構件的閘墩和涵洞側墻；B2代表第Ⅱ類構件的閘頂板、胸墻、涵洞頂板和閘門；C代表第Ⅲ類構件。

綜上所述，水閘現場安全檢測中，閘底板和涵洞底板混凝土檢測方法推薦鉆芯法；閘墩及涵洞側墻混凝土檢測方法推薦鉆芯修正回彈法；閘頂板、胸墻、閘門、涵洞頂板檢測方法推薦回彈法，機架橋混凝土檢測方法推薦超聲回彈綜合法。

2 水閘混凝土強度變化規律

2.1 混凝土強度增長率與齡期的關系

對黃河中下游河南段和山東段的水閘檢測數據進行統計分析得知，黃河中下游水閘混凝土強度增長率隨齡期增加基本上呈增長趨勢，其中河南段混凝土強度增長率為1.27，山東段混凝土強度增長率為1.24，因此在13～45a齡期內，黃河中下游水閘的強度增長率為1.24～1.27。

2.2 混凝土強度增長率與環境的關系

對黃河中下游不同使用環境的水閘構件強度檢測數據進行統計分析得知，黃河中下游不同使用環境的水閘構件的混凝土強度增長率各不相同（見圖2，其中橫坐標A代表第Ⅰ類構件，B代表第Ⅱ類構件，C代表第Ⅲ類構件）。

根據統計分析得到，水閘第Ⅰ類構件混凝土強度增長率河南段為1.21，山東段為1.13；水閘第Ⅱ類構件混凝土強度增長率河南段為1.54，山東段為1.60；水閘第Ⅲ類構件混凝土強度增長率河南段為0.99，山東段為0.95。

根據上述分析，構件混凝土強度增長率與其所處的環境有關系，水閘第Ⅰ類構件處在水下環境中，這樣混凝土碳化深度比較小。根據以往的研究，碳化混凝土強度一般比未碳化混凝土的強度高[13]。水閘第Ⅰ類構件的混凝土強度增長率比水閘第11類構件混凝土強度增長率低，水閘第Ⅱ類構件處在水上和水下交替的環境下，這樣有助于混凝土的碳化。水閘第Ⅲ類構件混凝土強度增長率則比較低，原因是其碳化深度過大，按照規范評定后對其強度推定值的削減作用大。

2.3 考慮設計強度因素時水閘混凝土強度增長率與齡期的關系

黃河中下游水閘閘室段及涵洞段混凝土設計強度一般是C13和C18，由于不同齡期的水閘混凝土強度分布不均勻，因此以相同樣本數進行統計，得到水閘混凝土不同設計強度與齡期的關系，見圖3。

根據統計數據可知，設計強度為C13，在齡期16～31a內混凝土強度增長率為1.47；在齡期32～35a內混凝土強度增長率為1.61；在齡期36～45a內混凝土強度增長率為1.75；設計強度為C18，在齡期13～23a內混凝土強度增長率為0.83；在齡期24～25a內混凝土強度增長率為1.01；在齡期26～38a內混凝土強度增長率為1.02。在齡期13～38a內，設計強度為C18的水閘混凝土強度增長率隨齡期增長而逐漸增大，在齡期16～45a內，設計強度為C13的水閘混凝土強度增長率隨齡期增長也逐漸增大，而且C13設計強度的水閘混凝土強度增長率比C18設計強度的水閘混凝土強度增長率大。

2.4 不考慮設計強度因素時水閘混凝土強度增長率與齡期的關系

對黃河中下游河南段和山東段的水閘強度檢測數據進行統計分析可知，其齡期為13～45a，由于黃河中下游水閘的齡期分布在21～26a內的比較多，因此沒有采用相同間隔年份區間進行統計，而是根據相同樣本數進行統計，得到黃河中下游水閘混凝土強度增長率與齡期的關系，見圖4。

根據統計數據可見，在齡期13～22a內，混凝土強度增長率為0.93；在齡期23～25a內，混凝土強度增長率為1.0；在齡期26～31a內，混凝土強度增長率為1.22；在齡期32～35a內，混凝土強度增長率為1.50；在齡期36～45a內，混凝土強度增長率為1.63。因此在齡期13～45a內，黃河中下游水閘混凝土強度隨齡期增長而逐漸提高。現有部分統計數據表明，齡期到了45a以后，混凝土的強度趨近于一個定值。

3 結論

通過對黃河中下游河南段和山東段的水閘強度檢測數據統計分析，可以得到如下結論。

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

（2）13～45a齡期的混凝土強度整體呈現增長趨勢，第Ⅱ類構件增長率最大，第Ⅰ類構件次之，第Ⅲ類構件最小，C13混凝土強度增長率大于C18混凝土強度增長率。

（3）齡期大于45a的混凝土強度趨近于定值。

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