南水北調(diào)中線干線工程京石段水工混凝土防凍脹破壞研究

張文龍

(銅仁市萬山區(qū)水務(wù)局,貴州 銅仁 554300)

0 引 言

南水北調(diào)是我國從南向北調(diào)水的重大項(xiàng)目,對(duì)我國的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)環(huán)境都具有重大意義[1]。南水北調(diào)工程利用輸水管線,把水資源從南部輸送至北部。在南水北調(diào)工程中,水工混凝土一直作為主要材料用于渠道襯砌項(xiàng)目[2]?；炷敛牧献猿霈F(xiàn)以來,在建筑工程、水工結(jié)構(gòu)和特種結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,但研究發(fā)現(xiàn)混凝土材料容易受到化學(xué)侵蝕和鹽離子侵蝕,并且在低溫下易產(chǎn)生凍脹破壞等缺陷[3]。在南水北調(diào)中線干線工程運(yùn)行中,由于華北地區(qū)地勢(shì)平坦、土地鹽堿含量過高且溫差較大,導(dǎo)致用于襯砌的水工混凝土出現(xiàn)凍脹破壞的現(xiàn)象,該地區(qū)的環(huán)境極大地降低了水工混凝土的使用年限,并且影響到南水北調(diào)工程的安全進(jìn)行[4]。在這種情況下,對(duì)于水工混凝土的防凍脹破壞展開研究,提高水工混凝土的使用耐久性,是十分必要的。目前,對(duì)于凍融期循環(huán)作用下水工混凝土防凍脹破壞的研究已經(jīng)十分廣泛,但在南水北調(diào)中線干線工程實(shí)際情況中的水工混凝土材料性能與耐久性的研究還較為缺失[5]。

因此,本文在不同侵蝕介質(zhì)的情況下,對(duì)不同梯度粉煤灰摻量水工混凝土的質(zhì)量損失率、抗壓抗折能力和相對(duì)動(dòng)彈性模量規(guī)律進(jìn)行分析,探討不同梯度粉煤灰摻量水工混凝土防凍脹破壞的性能差異,研究適合實(shí)際應(yīng)用的水工混凝土粉煤灰摻量,以期提出更有效的水工混凝土防凍脹破壞方案,為南水北調(diào)中線干線工程提供參考。

1 京石段鹽凍侵蝕區(qū)域水工混凝土防凍脹破壞研究

1.1 鹽凍侵蝕區(qū)域調(diào)查分析與實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

表1 侵蝕渠道區(qū)域年溫度分布情況

由表1可知,該侵蝕渠道區(qū)域的年溫度分布情況中的月溫度變化差異較大,晝夜溫差十分明顯。其中,最低氣溫為-18.5℃,最高氣溫為38.9℃。通過對(duì)某侵蝕渠道區(qū)域的環(huán)境進(jìn)行調(diào)查分析,確定本次室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的溫度和侵蝕介質(zhì)。通過加速模擬實(shí)驗(yàn)中渠道凍脹破壞性能。在實(shí)驗(yàn)參數(shù)的選取中,凍融介質(zhì)選擇清水溶液和5%的Na2SO4溶液,水工混凝土實(shí)驗(yàn)樣品的中心溫度設(shè)置為-19℃～5℃。實(shí)驗(yàn)的原材料包括水泥、骨料、拌合水、減水劑、粉煤灰、引氣劑、硫酸鈉和氯化鈉。本次實(shí)驗(yàn)選擇常用的C30水工混凝土配比作為基準(zhǔn),耐久性指標(biāo)選擇抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和質(zhì)量損失等。

對(duì)不同粉煤灰摻量下水工混凝土耐久性變化展開研究。通過不同粉煤灰摻量的對(duì)比實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證不同粉煤灰摻量下水工混凝土耐久性變化。其余原材料按照基準(zhǔn)要求添加,并保持添加量一致。按照侵蝕介質(zhì)的不同,將水工混凝土實(shí)驗(yàn)樣品分為兩組。其中,一組介質(zhì)為清水;另外一組介質(zhì)為5%的Na2SO4溶液。實(shí)驗(yàn)樣品的制備和養(yǎng)護(hù)步驟見圖1。

圖1 樣品養(yǎng)護(hù)制備流程圖

由圖1可知,在水工混凝土樣品制備中,首先將攪拌機(jī)提前清洗并烘干;然后準(zhǔn)備好各類原材料,包括水泥、沙子和石子等;對(duì)原材料進(jìn)行稱重和攪拌后,倒入拌合水再次攪拌;將攪拌完成后的水工混凝土樣品裝入模具中,通過振動(dòng)臺(tái)壓實(shí);最后使用濕潤抹布蓋在模具上,24h后脫模并放置于養(yǎng)護(hù)室。

在本次加速凍融實(shí)驗(yàn)中,首先按照標(biāo)準(zhǔn)對(duì)脫模后的實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行為期24天的養(yǎng)護(hù)。24天后,將樣品浸泡于不同侵蝕介質(zhì)中,為期4天。最后將完成浸泡的樣品按照編號(hào)放置于對(duì)應(yīng)模具中,并置于凍融機(jī)內(nèi)進(jìn)行凍融實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中,需要注意每次凍融周期需要處于2～4h期間;融化時(shí)間在單次凍融循環(huán)中占比大于1/4;樣品中心溫度保持在-19℃～5℃之間;凍融機(jī)滿載運(yùn)行,以保證同樣的凍融效果。

實(shí)驗(yàn)停止條件為:①水工混凝土樣品達(dá)到規(guī)定的凍融次數(shù)。②樣品相對(duì)動(dòng)彈性模量下降40%。③樣品質(zhì)量損失率達(dá)到5%。本次加速凍融實(shí)驗(yàn)見圖2。

圖2 水工混凝土加速循環(huán)凍融實(shí)驗(yàn)圖

1.2 水工混凝土防凍脹評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)建

水工混凝土的凍脹會(huì)對(duì)水工建筑物產(chǎn)生重要影響,因此在評(píng)價(jià)水工混凝土的凍脹性能時(shí),需要考慮多個(gè)指標(biāo)。本次實(shí)驗(yàn)中,水工混凝土的防凍脹指標(biāo)選擇質(zhì)量損失、動(dòng)彈性模量、超聲波、抗壓能力和抗彎曲能力。其中,抗壓、抗彎曲能力反映出水工混凝土的力學(xué)性能;超聲波用于檢測(cè)凍融后不同配比樣本的內(nèi)部損傷;動(dòng)彈性模量和質(zhì)量損失表現(xiàn)樣品在實(shí)驗(yàn)中凍脹破壞的程度。

質(zhì)量損失率能夠直接反映樣品的凍脹破壞情況,質(zhì)量損失率越高時(shí),表示樣品受到的凍脹破壞越嚴(yán)重。當(dāng)ΔWni達(dá)到5%,本次樣品破壞,應(yīng)停止實(shí)驗(yàn)。在加速凍融實(shí)驗(yàn)中,研究以25次凍融循環(huán)為一個(gè)周期,每個(gè)周次后計(jì)算一次質(zhì)量損失率。在對(duì)樣品進(jìn)行稱重前,需要確保樣品表面無殘留溶液,每組取3塊實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行稱量,去除誤差超過1%的值,然后計(jì)算質(zhì)量損失率。質(zhì)量損失率的計(jì)算公式如下:

(1)

式中:ΔWni為樣i在n次凍融后的質(zhì)量損失率;W0i為樣品i初始的質(zhì)量;Wni為樣品i在n次凍融后的質(zhì)量。

動(dòng)彈性模量又稱作動(dòng)力荷載的彈性模量,在本次實(shí)驗(yàn)中用于評(píng)價(jià)水工混凝土的耐久性。動(dòng)彈性模量計(jì)算中,同樣需要確保樣品表面無殘留溶液。對(duì)樣品稱重后將其置于桌面,將動(dòng)彈儀發(fā)射端置于樣品中心,將接收端置于樣品中線邊緣。輸入樣品的質(zhì)量和尺寸之后,等待動(dòng)彈儀輸出樣品的動(dòng)彈性模量結(jié)果,結(jié)果取3個(gè)樣品平均值,計(jì)算公式如下:

(2)

式中:Ed為樣品動(dòng)彈性模量;a為正方形截面邊長(zhǎng);L為樣品長(zhǎng)度;W為樣品質(zhì)量;f為樣品橫向振動(dòng)頻率。

超聲波檢測(cè)按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),將樣品劃分為相等區(qū)域,并在每50次凍融循環(huán)時(shí)進(jìn)行檢測(cè),取測(cè)得超聲波波速平均值。樣品所能承受的外界施加壓力極限為樣品的抗壓能力,能承受的極限折斷應(yīng)力為抗折能力?？箟耗芰涂拐勰芰κ窃u(píng)價(jià)水工混凝土的重要力學(xué)性能指標(biāo)。在水工混凝土渠道使用期間,水工混凝土因凍融循環(huán)作用而導(dǎo)致凍脹破壞,抗壓能力和抗折能力也大幅降低,嚴(yán)重影響建筑物的安全運(yùn)行。本次實(shí)驗(yàn)中,使用萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)樣品的抗壓能力和抗折能力的強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè),抗壓能力和抗折能力的計(jì)算公式如下:

(3)

式中:fcu為樣品抗壓能力;F為樣品破壞荷載;A為樣品承壓面積;Ff為樣品抗折能力;l、b、h分別為樣品截面的長(zhǎng)度、寬度和高度。

2 水工混凝土防凍脹破壞實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 質(zhì)量損失率變化分析

加速實(shí)驗(yàn)中,水工混凝土的粉煤灰摻量設(shè)置為20%、25%、30%和35%。將粉煤灰摻量由低至高分為A值、B組、C組和D組,每組包括10份水工混凝土樣品,取測(cè)試平均值進(jìn)行對(duì)照分析。實(shí)驗(yàn)所用侵蝕介質(zhì)選用清水和5%Na2SO4溶液作為對(duì)照。凍融循環(huán)次數(shù)為140次。在控制其他變量不變的情況下,對(duì)水工混凝土樣品的質(zhì)量損失率、抗壓能力、抗折能力和相對(duì)動(dòng)彈性模量進(jìn)行分析,得到不同介質(zhì)中水工混凝土質(zhì)量損失率變化情況,見圖3。

圖3 不同介質(zhì)中水工混凝土質(zhì)量損失率變化

圖3(a)為清水介質(zhì)中質(zhì)量損失率的變化情況。在前100次凍融循環(huán)中,各梯度粉煤灰摻量的樣品質(zhì)量損失率與凍融次數(shù)呈現(xiàn)正相關(guān),斜率保持近似一致,并且粉煤灰摻量較低的樣品斜率更低。在100次凍融循環(huán)后,20%粉煤灰摻量樣品的質(zhì)量損失率曲線無明顯變化,20%以上粉煤灰摻量樣品的質(zhì)量損失曲線斜率變大,質(zhì)量損失急劇增加。在140次凍融循環(huán)時(shí),僅有20%粉煤灰摻量的樣品未發(fā)生破壞。

圖3(b)為5%Na2SO4溶液中質(zhì)量損失率的變化情況。在前60次凍融循環(huán)中,各梯度粉煤灰摻量的樣品質(zhì)量損失率呈現(xiàn)緩慢減小的情況,表明樣品的質(zhì)量有少量增加。這是由于在5%Na2SO4溶液侵蝕初期,硫酸鹽離子進(jìn)入樣品內(nèi)部產(chǎn)生化合物,合適的水工混凝土內(nèi)部產(chǎn)生冰晶,從而影響到樣品的質(zhì)量。但在60次凍融循環(huán)后,各梯度粉煤灰摻量的樣品質(zhì)量損失率急劇上升,其中20%粉煤灰摻量的樣品質(zhì)量損失最低,其余梯度粉煤灰摻量樣品在140次凍融循環(huán)時(shí)均已發(fā)生破壞。

2.2 抗壓能力變化

圖4為水工混凝土抗壓能力變化曲線。

圖4 不同介質(zhì)中水工混凝土抗壓能力變化

圖4(a)為清水介質(zhì)中抗壓能力的變化情況。水工混凝土樣品的抗壓能力隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加,呈現(xiàn)不斷下降的趨勢(shì)。但在凍融循環(huán)開始前,不同梯度的粉煤灰摻量抗壓能力已經(jīng)有所差異,其中粉煤灰摻量越低的水工混凝土抗壓能力越強(qiáng)。在整個(gè)凍融循環(huán)中,20%粉煤灰摻量的樣品始終保持最佳的抗壓強(qiáng)度。

圖4(b)為5%Na2SO4溶液中抗壓能力的變化情況。在前80次凍融循環(huán)中,各梯度粉煤灰摻量的樣品抗壓能力呈現(xiàn)緩慢減小的情況。在80次循環(huán)后,各梯度粉煤灰摻量的樣品抗壓能力急劇降低,但在100次循環(huán)時(shí)恢復(fù)緩慢降低的趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了同等條件下,粉煤灰摻量為20%的水工混凝土樣品的抗壓能力最強(qiáng),并且粉煤灰摻量對(duì)樣品抗壓能力影響顯著,摻量越低水工混凝土防凍脹能力越強(qiáng)。

2.3 抗折能力變化

圖5為水工混凝土抗折能力變化曲線。

圖5 不同介質(zhì)中水工混凝土抗折能力變化

圖5(a)為清水介質(zhì)中抗折能力的變化情況。水工混凝土樣品的抗折能力隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加,呈現(xiàn)不斷下降的趨勢(shì)。但在凍融循環(huán)開始前,不同梯度的粉煤灰摻量抗折能力已經(jīng)有所差異,其中粉煤灰摻量越低的水工混凝土抗折能力越強(qiáng),且差異明顯。在凍融循環(huán)中,20%粉煤灰摻量的樣品始終保持最佳的抗折強(qiáng)度。

圖5(b)為5%Na2SO4溶液中抗折能力的變化情況。在前60次凍融循環(huán)中,各梯度粉煤灰摻量的樣品抗折能力呈現(xiàn)緩慢減小。在60次循環(huán)后,各梯度粉煤灰摻量的樣品抗折能力下降更為劇烈。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了同等條件下,粉煤灰摻量為20%的水工混凝土樣品的抗折能力最強(qiáng),并且粉煤灰摻量對(duì)樣品抗折能力影響顯著。

2.4 相對(duì)動(dòng)彈性模量變化

圖6為水工混凝土在不同侵蝕介質(zhì)中的相對(duì)動(dòng)彈性模量變化曲線。

圖6 不同介質(zhì)中水工混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量變化

圖6(a)為清水介質(zhì)中的相對(duì)動(dòng)彈性模量變化。在清水介質(zhì)中,水工混凝土樣品的相對(duì)動(dòng)彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)呈負(fù)相關(guān)。在60次凍融循環(huán)之前,不同梯度粉煤灰摻量的樣品相對(duì)動(dòng)彈性模量下降緩慢;60次凍融循環(huán)時(shí),均保持95%以上的相對(duì)動(dòng)彈性模量;60次凍融循環(huán)后,各樣品的相對(duì)動(dòng)彈性模量開始急劇下降。整體來看,20%粉煤灰摻量的樣品相對(duì)動(dòng)彈性模量始終最佳。

圖6(b)為5%Na2SO4溶液中相對(duì)動(dòng)彈性模量變化。在5%Na2SO4溶液中,水工混凝土樣品的相對(duì)動(dòng)彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)呈負(fù)相關(guān)。80次凍融循環(huán)前,各梯度樣品的相對(duì)動(dòng)彈性模量下降緩慢;80次凍融循環(huán)時(shí)的相對(duì)動(dòng)彈性模量維持在80%以上;80次凍融循環(huán)后,各樣品的相對(duì)動(dòng)彈性模量開始急劇下降。其中,30%粉煤灰摻量的樣品在100次凍融循環(huán)時(shí)發(fā)生破壞,35%粉煤灰摻量的樣品在112次凍融循環(huán)時(shí)發(fā)生破壞,25%粉煤灰摻量的樣品在119次凍融循環(huán)時(shí)發(fā)生破壞,20%粉煤灰摻量的樣品在122次凍融循環(huán)時(shí)發(fā)生破壞。

3 結(jié) 論

水工混凝土防凍脹破壞,一直以來都是南水北調(diào)工程中的重點(diǎn)項(xiàng)目之一。本次研究通過改變粉煤灰摻量,分別在清水和5%Na2SO4溶液中測(cè)試水工混凝土性能變化。研究仿照南水北調(diào)中京石段某渠道水工實(shí)際環(huán)境,搭建了室內(nèi)凍融期加速實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,粉煤灰摻量與水工混凝土質(zhì)量損失呈正相關(guān),與抗壓、抗折能力呈負(fù)相關(guān),與相對(duì)彈性模量呈負(fù)相關(guān)。在對(duì)比實(shí)驗(yàn)中,20%粉煤灰摻量的樣品展現(xiàn)出最好的性能。