永圣渡槽槽身混凝土的制备及其性能研究

彭艳周 张亚利 张立君 王林伟 郑传飞 郭建新 徐 港

(1.三峡大学 湖北省防灾减灾重点实验室,湖北宜昌 443002;2.三峡大学 土木与建筑学院,湖北 宜昌443002;3.湖北省漳河工程管理局,湖北荆门 448000;4.三峡大学水利与环境学院,湖北宜昌 443002)

0 引 言

渡槽是一种重要的水工建筑物[1],其主要作用是输送渠道水,以及排洪、导流.但部分渡槽可能因各种原因而出现开裂、混凝土剥落、钢筋裸露等问题导致渡槽构件力学性能及耐久性能的劣化,影响其正常使用[2-12].湖北省永圣渡槽位于漳河灌区四干渠北干23+000～23+600处,跨越永圣河,灌溉面积16.99万亩,设计流量为11.24 m3/s,建筑物级别为4级.永圣渡槽运行50余年,已出现老化及破损现象.相关检测结果表明,该渡槽有部分槽身发生严重错位,承重结构强度偏低、混凝土的碳化深度超过钢筋保护层厚度,槽身多处露筋、且裸露钢筋锈断,严重威胁渡槽的安全运行.有鉴于此,相关管理部门决定将永圣渡槽拆除重建.

重建的永圣渡槽设计采用矩形槽身,横断面尺寸如图1所示.槽身混凝土主要设计指标见表1.

图1 永圣渡槽横断面尺寸图

表1 永圣渡槽槽身混凝土的主要技术指标

依托永圣渡槽重建工程进行了槽身混凝土的配合比设计.试验研究了不同水胶比混凝土的和易性、力学性能,及干缩性,抗冻性、抗渗性与抗硫酸盐侵蚀性等耐久性,并据此确定C30槽身混凝土的适宜配合比;借助于X射线衍射分析(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)等测试技术,探讨了该配比混凝土的微观结构特征,为C30槽身混凝土的生产与质量控制提供基础资料和技术指导.

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

原材料均取自永圣渡槽重建工程的工地现场.水泥为P·O42.5,其主要性能、化学成分分别见表2、表3.粉煤灰为荆门晟源Ⅱ级粉煤灰,其化学成分、主要性能见表3、表4.

表2 所用普通硅酸盐水泥(P·O42.5)的主要性能

表3 所用水泥(P·O 42.5)和粉煤灰的化学成分(%)

表4 所用粉煤灰的主要性能

水泥、粉煤灰XRD图谱及粉煤灰颗粒形貌分别如图2～4所示.可知,粉煤灰大部分为球形颗粒,其中含有相当数量的玻璃体物质,此外还有少量莫来石、石英等晶体矿物.细骨料为工地现场用河砂,细度模数2.6.粗骨料为5～20 mm的连续级配石灰岩碎石,减水剂为荆门中和聚羧酸高效减水剂,固含量20%,减水率25%,拌和用水为洁净自来水.

图2 水泥XRD图谱

图3 粉煤灰XRD图谱

图4 粉煤灰的颗粒形貌(SEM图)

1.2 试验方法

按照《水工混凝土试验规程》(SL 352-2006)进行抗压强度、劈裂抗拉强度试验.采用TDRF-2型风冷式混凝土快速试验机进行抗冻性试验.

按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082-2009)进行抗硫酸盐侵蚀性抗渗性试验.对于混凝土水化样的微观测试,取所需龄期的混凝土试件,用工具劈开,取剔除粗骨料后的砂浆,酒精终止水化后烘干,再取5～8mm的颗粒进行SEM测试,同时使用DF-4型电磁制样粉碎机磨至0.08 mm以下用于XRD测试.

2 结果与讨论

2.1 槽身混凝土的配合比设计

按照SL 352-2006进行C30渡槽槽身混凝土的配合比设计,经试拌选取了4组不同水胶比进行试验研究,其配合比及拌合物性能试验结果见表5～6.

表5 渡槽槽身混凝土的配合比

由表6可知,这4组混凝土的和易性均满足工程要求,水胶比为0.38时坍落度最小,且拌合物较粘稠,扩展度较小.水胶比为0.40及0.43时和易性较好,水胶比为0.45时流动性最大.

表6 渡槽槽身混凝土拌合物的和易性

2.2 混凝土性能

2.2.1 力学性能

1)抗压强度

由图5可知,各配比混凝土抗压强度随龄期的增加而增大,因为水泥水化反应随龄期的增加不断进行,水泥的水化程度不断提高,在28 d龄期后,粉煤灰逐渐发生二次水化反应,且生成物填充于混凝土内部毛细孔中,密实度不断提高,因此,抗压强度得到持续提升.

图5 混凝土的抗压强度

根据图6所示混凝土强度与胶水比的关系曲线,胶水比增大,混凝土强度提高;4组混凝土抗压强度与胶水比符合线性关系.

图6 抗压强度与胶水比关系

2)劈裂抗拉强度

混凝土劈裂抗拉强度试验结果见表7.劈裂抗拉强度随龄期的增加而增大;相同龄期时,水胶比0.38、0.40的劈裂抗拉强度高于水胶比0.43、0.45,但水胶比0.38的劈裂抗拉强度略小于水胶比0.40,其可能是由于水胶比0.38的混凝土拌合物较为粘稠,因而,在试件成型时相同振捣时间下其密实程度较低.

表7 混凝土劈裂抗拉强度试验结果

2.2.2 干缩性能与耐久性

1)干缩性能

图7 各组混凝土的干缩率与龄期的关系

各组混凝土的干缩率变化趋势如图7所示.由图7可知,不同水胶比的混凝土各龄期干缩率的变化趋势相同.干缩率随龄期的延长而增长,其干缩在早期(3 d、7 d)增长迅速,后期(28 d)增长逐渐减缓.在早龄期时,混凝土内部由于干燥和水泥的水化反应,内部的自由水快速消耗,导致其相对湿度迅速下降,引起混凝土体积收缩,而早期的干燥失水速度和水泥水化反应速度均比后期快,因此混凝土的干缩在早龄期时增长迅速,后期的增长逐渐变缓.由图7可知,在相同龄期时,水胶比越小,干缩率越大.因为用水量相同,当其水胶比减小时,混凝土中水泥用量增加.而混凝土强度相近时,干缩率随着混凝土水泥用量的增加而增大.水胶比为0.38、0.40的混凝土的干缩率均大于水胶比0.43、0.45的混凝土.

综上,用水量不变、拌合物流动度在100～130 mm时,混凝土干缩随水胶比的减小而增大.因此在工程中,较高水胶比对提高混凝土的抗裂性有利.

2)槽身混凝土的抗冻、抗渗性能

混凝土的抗冻、抗渗性能试验结果见表8.经75次冻融循环后,各组的抗冻性均满足设计要求.此外,在相同冻融循环次数时,水胶比为0.40时相对动弹模量最高,表明其抗冻性能在这4组中最好.

表8 各组混凝土抗冻性、抗渗性的试验结果

由表8得4组混凝土的抗渗等级均大于W6,水胶比增大时,抗渗性能下降.因水胶比对混凝土孔隙率的大小起决定性作用,直接影响其内部结构密实性.水胶比较小时,混凝土内部多余水份数量较少,硬化混凝土内部的毛细孔数量也较少,透水性下降,抗渗性增强.因此,水胶比为0.38、0.40时的抗渗性能较好.

3)槽身混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能

这几组混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能试验结果见表9.

表9 混凝土的抗硫酸盐侵蚀性试验结果

4组混凝土经历60次、90次5%硫酸钠溶液的干湿循环后,其抗压强度耐蚀系数均随水胶比的增大而减小,经历90次干湿循环后,试件的耐蚀系数仍不低于89%.表明4组混凝土的抗硫酸盐侵蚀等级均在KS90以上,具有较好的抗硫酸盐侵蚀性能.水胶比为0.38、0.40的混凝土抗硫酸盐侵蚀高于水胶比0.43、0.45的混凝土.

综合考虑试验结果、成本等因素,永圣渡槽槽身混凝土宜用表5中配比2(水胶比0.40).

2.3 微观测试分析

2.3.1 XRD

取水胶比为0.4的混凝土在7 d、28 d龄期试样进行XRD测试,其结果如图8所示.由图8可知,混凝土中水化产物主要为Ca(OH)2等,而CaCO3、Ca Mg(CO3)2及SiO2是骨料中原有成分.随水化龄期延长,试样中水化产物的衍射峰强度增加,而Ca(OH)2的衍射峰强度逐渐减少,表明水泥的水化继续进行,且Ca(OH)2的数量逐渐减少(可能是粉煤灰的二次水化反应消耗),生成了更多的水化产物,因此混凝土力学性能和耐久性等持续增长.

图8 C30混凝土(水胶比0.40)在不同龄期的XRD图谱

2.3.2 SEM

取水胶比为0.4的混凝土在不同龄期的试样进行SEM测试,测试结果如图9所示,混凝土水化产物除含有氢氧化钙、钙矾石等晶体物质外,还有较多数量的凝胶类产物(水化硅酸钙等).随龄期从7 d增长到28 d,混凝土的内部致密程度有所提升,表明随龄期的延长,混凝土体系的水化持续进行,不仅水泥继续水化,粉煤灰在28 d左右也逐渐参与二次水化反应,生成了更多的水化产物(图(c)和(d)中,粉煤灰颗粒表面有少量的水化物),使混凝土结构密实度增加、孔隙率减小,因而,其力学性能和耐久性均得到提高.

图9 C30混凝土不同龄期水化试样的SEM图

3 结 论

1)给出了C30槽身混凝土的推荐配合比(即拌合用水170 kg/m3、水泥391 kg/m3、粉煤灰34 kg/m3、砂766 kg/m3、石1 059 kg/m3、高效减水剂5.0 kg/m3,水胶比为0.40).该配比混凝土的初始坍落度100～130 mm,硬化混凝土的干缩变形性能较小(28 d干缩率3.1×10-4),抗渗等级 W8、抗冻等级F50以上、抗硫酸盐侵蚀等级FS90以上,各项性能符合永圣渡槽重建工程要求.

2)将所推荐的混凝土配合比应用于永圣渡槽重建工程、现场检测表明,制得的渡槽外观质量良好,槽身各项性能均满足设计要求.