高寒地區渡槽現澆混凝土抗凍性試驗研究

倪 明

(中國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，主要為長江水系切割改造下的斷陷盆地地貌景觀。工程區屬高原大陸性氣候，冷干時期較長，暖濕時期較短，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，多年平均蒸發量(E601蒸發器)為1 252.4mm，年日照時數2 904h，太陽總輻射量為每年1 512cal/cm2，年平均風速為2.1m/s。

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

2 試驗概況

2.1 原材料

試驗原材料主要包括P.O 42.5普通硅酸鹽水泥、Ⅱ級粉煤灰、粗骨料(5～30mm連續級配，孔隙率47%，含水率0.3%，壓碎指標6.6%)、細骨料(中粗砂，細度模數為2.64，堆積密度為1 550kg/m3，含泥量為1.3%)、尾礦砂、自來水。

2.2 試驗配合比

試驗前，先對渡槽混凝土的基礎配合比進行計算和設計。按照相關標準[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，晝夜溫差大，冬季氣溫極低，且持續時間長，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渡槽混凝土進行性能改善，同時考慮粗骨料粒徑的影響，對渡槽混凝土進行正交試驗。

采用三因素四水平方案(L1643)進行正交試驗，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，每組配合比下均進行3次試驗，盡量減小試驗離散性的影響。

表1 正交試驗配合比方案

2.3 抗凍試驗方案

由于該地區晝夜溫差大，會導致渡槽結構內部的溫度分布不均勻，從而產生較大的溫度應力。為減小溫度應力帶來的影響，除了提升渡槽混凝土抗凍性，還需盡可能提升導熱系數，故利用DRE-Ⅲ多功能快速導熱系數測試儀對渡槽混凝土的導熱系數進行測試[5-6]。

3 試驗結果分析

3.1 質量損失率

不同配合比方案下渡槽混凝土質量損失率試驗結果見圖1。由圖1可知，在0～100次凍融循環下，渡槽混凝土的質量損失率均小于5%，且一直處于較低水平。試驗14-16組試件在進行到100次凍融循環后，發生崩解破壞，故而未能測得質量損失率。在16組配合比方案中，相同凍融循環次數下，試驗1-8組的質量損失率要明顯小于試驗9-16組的質量損失，說明粉煤灰摻量對渡槽混凝土抗凍性有顯著性影響。當粉煤灰摻量為0～10%時，粉煤灰可有效填充尾礦砂帶來的結構孔隙，混凝土試件的密實性較好，具有更好的抗滲性；當粉煤灰摻量繼續增加時，混凝土中水泥量減少，而且尾礦砂的吸水性大于普通砂，導致混凝土水化反應不足，混凝土結構密實性反而降低，故而質量損失反而增大。相同配合比下，隨著凍融循環次數的增加，大部分試件的質量損失均呈逐漸增大的變化特征，有少量試件質量出現先減小后增大的變化特征。這是因為在凍融循環初期，試件內部的水分被凍結成冰并附著在結構中，而此時凍融對試件結構的損傷作用還不太明顯，因而質量會出現增加現象；隨著凍融試驗的進行，損傷作用逐漸顯現，故而質量損失逐漸增大。

圖1 質量損失對比

3.2 相對動彈性模量

不同配合比方案下渡槽混凝土相對動彈性模量試驗結果見圖2。由圖2可知，相同配合比方案下，渡槽混凝土的相對動彈性模量隨凍融循環次數的增加呈逐漸減小的變化特征，凍融循環100次后，試驗1-13組的相對動彈性模量分別為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14-16組相對動彈性模量低于60%(發生崩解破壞)。總體而言，粉煤灰摻量為10%的試驗5-8組，相對動彈性模量最高；粉煤灰摻量為20%的試驗9-12組，相對動彈性模量其次，不摻入粉煤灰試驗組(1-4組)的相對動彈性模量較低；而摻入30%粉煤灰試驗組(13-16組)的相對動彈性模量最小，說明粉煤灰存在一個最佳摻量范圍，摻量過多或者過少均會造成抗凍性能降低。相同粉煤灰摻量下，當礦粉摻量為25%～50%時，渡槽混凝土的相對動彈性模量最高。這是因為尾礦砂本身具備較好的加固特性，可以提升混凝土的強度，但是也會增加混凝土的孔隙間隙，給抗凍性帶來不利影響；而當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具備良好的強度特性和抗凍性。

圖2 相對動彈性模量對比

3.3 導熱系數

同配合比方案下渡槽混凝土導熱系數試驗結果見圖3。由圖3可知，不摻入粉煤灰和尾礦砂混凝土的導熱系數較低，約為1W/m·k。當僅摻入粉煤灰時，隨著粉煤灰摻量增加，渡槽混凝土的導熱系數逐漸增大；當粉煤灰摻量達到30%時，導熱系數增大至1.819W/m·k，提升幅度達到82%。當同時摻入粉煤灰和尾礦砂時，導熱系數得到進一步提升；當粉煤灰摻量為0～20%且尾礦砂摻量為50%，可以使混凝土導熱系數達到最大值；當粉煤灰摻量為30%且尾礦砂摻量為25%，可以使混凝土導熱系數達到最大值；小粒徑骨料混凝土的導熱系數普遍高于大粒徑骨料混凝土的導熱系數。尾礦砂中含有許多礦物成分，能夠起到提升導熱性能的作用，導熱系數越好的混凝土，可以降低渡槽混凝土內外部的溫差，減小溫度應力的影響，從而增強抗凍性能[7-8]，而粉煤灰則會彌補尾礦砂所帶來的密實性能不好的問題。因此，混摻粉煤灰+尾礦砂可以對渡槽混凝土的抗凍性和導熱性能起到很好的改善作用。

圖3 導熱系數對比

3.4 方差分析

對正交試驗結果進行方差分析，結果見表2。從表2中可知，對于相對動彈性模量的影響，粉煤灰摻量>尾礦砂摻量>粗骨料粒徑；對于質量損失的影響，仍為粉煤灰摻量>尾礦砂摻量>粗骨料粒徑；而對于導熱系數的影響，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，粗骨料粒徑對渡槽混凝土抗凍性能的影響較小。

在正交試驗成果基礎上，對渡槽混凝土進行RSM響應曲面優化，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到最佳。在最佳配合比下，渡槽混凝土100次凍融循環后的相對動彈性模量為86%，質量損失率為0.4% ，導熱系數為2.15W/m·k。

表2 方差分析結果

4 結 論

采用正交試驗方法，對高海拔地區灌溉工程渡槽現澆混凝土進行抗凍性試驗研究，結論如下：

1)粉煤灰摻量對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)尾礦砂對渡槽混凝土導熱系數的影響最大，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，既可以發揮尾礦砂的導熱和加固特性，又可以起到良好的填充作用，中和尾礦砂對抗凍性帶來的不利影響。

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