高性能混凝土熱力檢查井防滲改造技術在供熱工程中的應用

0 引言

熱力工程是現代城市基礎設施的重要組成部分，主要涉及為城市提供集中供暖、熱水供應以及工業用蒸汽等服務[1]。一般通過復雜的熱力系統，將熱能從生產地（如熱電廠、鍋爐房）傳輸到城市的各個角落，滿足居民住宅、商業建筑和部分工業企業對熱能的需求[2]。在城市熱力管網系統工程中，供熱管道檢查井作為關鍵節點設施，其建設質量直接決定著城市供熱系統的安全運行與功能的實現。

預制保溫直埋敷設是我國城市供熱管道建設施工中普遍采用的敷設方式[3]。直埋供熱管道通常對管道防水性能有著較高的要求，因此，熱力檢查井室必須進行有效的防水處理及建立高效的排水系統。井室常規防滲方法主要為穿墻管防水和混凝土結構自身防滲[4]。其中，混凝土自抗滲是直接有效且本質的解決方法。由于熱力檢查井墻體及底板作業空間狹窄，混凝土澆筑過程振搗難度大，易形成“蜂窩”等不密實空間。此外，混凝土特殊的高溫服役環境輔以溫度變化的不確定性，在長期侵蝕作用下易形成通水管道，導致滲漏問題出現，輕則影響城市供暖，重則會引發較大的安全事故[5]。因此，如何提高熱力檢查井的防滲能力是供熱工程中重點關注的難題之一。

1實驗

1.1原材料與試樣制備

本文選用的水泥為 P?O42.5 普通硅酸鹽水泥，產自濟南山水水泥有限公司；粉煤灰：F類 I 級品，細度 20% ，燒失量為 2% ；細骨料為河砂，細度模數2.6，Ⅱ區中砂；天然粗骨料碎石，連續級配，粒徑分布為 5～20mm ；拌合用水為城市自來水；硅灰，二氧化硅含量高于 92% ，比表面積為 25000m²/kg ；玄武巖纖維密度 2.7g/cm³ ，抗拉強度 4000MPa ，長度

12mm ；聚羧酸系高性能減水劑，固含量為 35% 。

（1）混凝土的制備過程。將水泥、硅灰、粗骨料和細骨料放入攪拌機中干攪約 3min ，待混合均勻后將水和外加劑加入繼續攪拌形成流動的漿體，然后手動緩慢加入玄武巖纖維，繼續攪拌 3min ，將新拌的混凝土澆筑到模具中振動成型后進行養護。

(2）混凝土的基礎配合比。水泥 500kg 、粉煤灰80kg 、細砂 750kg 、碎石 900kg 、水 170kg 、外加劑10kg 。其中，硅灰的摻量按照膠凝材料（水泥 + 粉煤灰）的質量比進行計算，分別為 0% 、 2% 、 4% 、6% 、 8% 、 10% ；玄武巖纖維的摻量為膠凝材料的質量比，分別為 0% 、 0.5% 、 1% 、 1.5% 、 2% 。

1.2 測試方法

（1）抗壓強度測試。按照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（ GB/T50081-2019 ）進行。抗壓強度試件的尺寸為 150mm×150mm×150mm ，加載速率為 0.8MPa/s ，以一組三個試樣的平均值作為試驗結果。

（2）吸水率測試。首先制備混凝土試件，試件尺寸選擇 150mm×150mm×150mm 的棱柱體。然后將試件置于烘箱中，在（ 105±5)^eC 條件下烘干至恒重。烘干后使用分析天平對每個試件進行稱重，記錄為W1。將稱重后的試件完全浸入溫度為（ (20±2)C 的水中，確保水面至少高出試件頂面 20mm ，浸泡時間為（ 72±1 ）h。浸泡結束后，用濕布擦去混凝土試件表面水分，立即稱重，記錄為 W2 。吸水率計算公式為：（W2-W1）/W1。

(3）浸泡實驗測試。將混凝土試件浸泡在恒溫70% 的水中，不同試塊之間間隔 2～5cm ，且保持水面高出試件 50mm ，待浸泡時間達到一定齡期后取出進行相關的試驗測試。

2 結果與分析

2.1高性能混凝土在高溫條件下的殘留強度

通常，熱力管道井室內積水溫度可達 70% ，高溫可以導致混凝土內部結構的變化，加速鈣礬石的脫水過程，削弱其強度[6。此外，由于混凝土不良熱導體的固有屬性，溫度變化的快速性會導致內外溫差過大，產生裂縫。混凝土在高溫條件下的劣化現象，主要是由于內部結構水化產物分解，導致形成了連通孔結構，進而引發性能下降[7]

（1）基準高性能混凝土抗壓強度隨硅灰摻量的變化規律見圖1。由圖可知，隨著硅灰摻量的增加，混凝土的抗壓強度呈現先增加后下降的趨勢，但整體上均高于基準混凝土的強度。當硅灰摻量達到 6% 時，抗壓強度達到最高值 66.7MPa ，相比基準強度，提高了 14% 。硅灰之所以能提升混凝土強度，主要歸因于其填充效應與活性效應。硅灰顆粒屬于微納米級粉體，可有效填充混凝土的孔隙，抑制連通孔結構的形成。此外，其可與水化產物氫氧化鈣、鈣礬石等發生二次反應，提高水化程度，密實孔結構，有效避免水化產物的分解[8]。特別說明的是，當硅灰摻量高于 6% 時，強度增長放緩，這主要是由于硅灰比表面積大，可吸附大量的自由水，導致其分散性能下降。

圖1高性能混凝土抗壓強度隨硅灰摻量的變化規律

（2）選定 6% 的硅灰摻量來制備高性能混凝土，同時深入探究了該混凝土在 70% 水中浸泡時強度隨時間的變化規律（見圖2)。由圖可知，基準混凝土和摻加 6% 硅灰的改性混凝土抗壓強度均隨浸泡時間的延長呈現逐漸下降的趨勢。其中，整體上基準混凝土下降的幅度較大，180天時，其強度僅為 31.8MPa ，相比原始強度，下降了 46% 。摻加 6% 硅灰的改性混凝土，其下降幅度明顯要比基準混凝土緩和很多，180天時，其強度為51.7MPa ，相比原始強度，下降了 22% ，但仍舊保持了較高的強度水平。這表明，硅灰的多重有利效應可大大改善混凝土的高溫殘余強度，進而提高其抗滲性。

圖2混凝土抗壓強度隨浸泡時間的變化規律

2.2高性能混凝土熱力檢查井的抗滲性能研究

結合熱力檢查井結構設施在溫度波動環境下的服役特性，進一步采取摻加纖維的方式以優化其抗裂性能。玄武巖纖維具備高強度、耐高溫及耐腐蝕等優異特性，能有效增強混凝土的抗拉強度與斷裂韌性，從而顯著降低因收縮、溫度變化等因素引發的裂縫生成[]。

（1）硅灰改性混凝土摻加不同摻量的玄武巖纖維后其吸水率的變化規律見圖3。通常，混凝土吸水率表示在一定時間內試樣吸收水分的質量占干燥試樣質量的百分比。較低的吸水率表明混凝土具有較好的密實度和抗滲性能。由圖可知，高性能混凝土的吸水率隨玄武巖纖維摻量的增加呈現先降低后回升的趨勢。當玄武巖纖維摻量達到 1% 時，吸水率最低為1.5% ，相比對照組，下降了 28% 。而后隨其摻量的增加，吸水率有所提高，但即使達到最高摻量 2% 時，其吸水率也低于對照組（ 2.1% ），為 1.8% 。上述現象均表明玄武巖纖維可有效降低混凝土的吸水率，大大改善了混凝土的抗滲性能。

圖3混凝土吸水率隨玄武巖纖維摻量的變化規律

（2）選定 1% 的玄武巖纖維摻量，研究了硅灰和玄武巖纖維共摻制備的高性能混凝土在 70% 高溫水環境中的抗滲性能隨浸泡時間的變化規律，具體結果見圖4。由圖可知，兩組試樣的吸水率均隨浸泡時間的延長，呈現逐漸增加的趨勢。其中，硅灰改性的混凝土增幅更明顯，當浸泡時間長達180天時，吸水率為 3.2% ，相比初始增加了 52% ；摻加 1% 玄武巖纖維的混凝土試樣相比之下，吸水率增幅不顯著，當浸泡時間達180天時，吸水率為 2.3% ，遠低于 3.2% 。上述現象表明，玄武巖纖維可提高混凝土的抗滲性能，改善其長期耐高溫性能，這與之前文獻報道的結果相似[10]

圖4混凝土吸水率隨玄武巖纖維摻量的變化規律

2.3高性能混凝土熱力檢查井防滲改造實際應用研究

（1）井室墻體及底板防水治理。采用新研發的高性能混凝土進行墻體和底板的澆筑，待混凝土養護結束后進一步采用壓力注漿的方式封堵接縫處。然后對墻體基層進行打磨、平整處置，鋪設防水卷材，形成完整的抗滲防水結構體系。

（2）穿墻管防水治理。首先，將防水套管緊靠柔性防水材料，待其凝固后對周邊的墻體進行打磨、抹面等表面平整處置；隨后進一步利用鋼板進行固定；最后，用注漿防水材料封堵注料倉等易泄露處。通過對改造后的熱力檢查井服役供暖一次循環后進行檢查，發現井室各處均無滲漏跡象，且井內干燥無明顯積水。檢查結果表明，硅灰和纖維改性的高性能混凝土可提高熱力檢查井的抗滲性能，提高服役壽命，基本消除了井內作業的安全風險，保障了熱力設施的可靠性。

3結論

本文分析了高性能混凝土熱力檢查井在高溫服役環境下所面臨的滲透問題，從混凝土自身角度出發，提出了利用硅灰來改善其在高溫條件下的殘留強度，進而利用玄武巖纖維提高其抗裂性和抗滲性，延長其服役壽命，最后驗證了熱力檢查井運行一個周期后的工作狀態。綜合分析得到的主要結論如下。

（1）高性能混凝土的抗壓強度隨硅灰摻量增加呈現先增加后下降的趨勢，但強度值均高于對照組的強度。硅灰的最佳摻量為 6% ，此時混凝土抗壓強度最高值達到 66.7MPa ，相比基準強度，提高了 14% 。硅灰摻量過高時，會形成團聚體，導致強度增幅有所下降。硅灰改性的混凝土殘留抗壓強度隨浸泡時間延長逐漸下降，但下降幅度低于基準混凝土，浸泡180天后，混凝土強度仍可保持 51.7MPa 。

(2）隨著玄武巖纖維摻量的增加，高性能混凝土的吸水率呈現先降低后回升的趨勢。玄武巖纖維的最佳摻量為 1% ，此時混凝土的吸水率最低，達到了1.5% ，相比對照組，下降了 28% 。玄武巖纖維能夠有效降低混凝土的吸水率，極大改善其抗滲性能。1% 玄武巖纖維改性的混凝土在長期浸泡下，吸水率增幅不顯著，浸泡周期達到180天時，吸水率為2.3% ，遠低于單摻硅灰的試樣。

（3）采用硅灰和玄武巖纖維改性后的高性能混凝土進行井室墻體和底板的澆筑，并對穿墻管防水治理。熱力檢查井服役供暖一次循環后，井室穿墻套管處、墻體及底板處均無滲漏跡象，防滲改造技術得到良好工程驗證。

參考文獻：

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