永圣渡槽混凝土干缩与耐久性试验研究

胡小梅 周铁军 陈崇德

(1.湖北省漳河工程管理局，湖北 荆门 448156；2.鄂北地区水资源配置工程建设与管理局，湖北 武汉 430071)

1 概 述

永圣渡槽位于湖北省漳河灌区四干渠北干23+000～23+600处，跨越永圣河，灌溉面积1.13万hm2，设计流量为11.24m3/s，渡槽全长555m，纵坡0.0012，采用15m跨排架支撑简支梁结构，槽身横断面为矩形，断面尺寸见图1。

本文对C30渡槽槽身混凝土的干缩性能、抗冻性、抗渗及抗化学侵蚀性(硫酸盐侵蚀)等进行了研究，为其工程应用提供重要的基础试验数据。

图1 永圣渡槽横断面尺寸图 (单位：cm)

2 混凝土原材料与配合比试验

2.1 混凝土原材料试验

2.1.1 原材料试验方法

a.运用X射线荧光测试(XRF)、X射线衍射分析(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、综合热分析(TG-DTG-DSC)等测试技术，研究分析水泥、粉煤灰、河砂及碎石等原料的化学组成、矿物组成，以及粉煤灰的颗粒形态等。

b.采用勃氏透气法、沸煮法(雷氏夹法)、维卡仪标准法等方法检测水泥的比表面积、体积安定性、凝结时间，采用标准胶砂强度试验测试水泥强度、粉煤灰的活性指数；采用筛析法进行河砂、碎石的细度模数与级配的检测与分析。

c.采用混凝土坍落度试验，以及强度(抗压、劈裂抗拉)试验，进行混凝土配合比设计及基本力学性能的研究；采用混凝土干缩性、抗冻性、抗渗性试验进行混凝土的变形性能和耐久性研究[1-2]。

2.1.2 原材料试验结果

a.水泥。水泥为42.5普通硅酸盐水泥，进行了比表面积、标准稠度用水量、凝结时间、安定性、抗折强度、抗压强度等测试，其主要性能、化学成分符合《通用硅酸盐水泥》(GB 175—2007)、《水泥化学分析》(GB 176—2017)等相关规范的要求。

b.粉煤灰。所用粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，进行了化学成分及烧失量、矿物成分、细度、需水量比等测试，其主要技术性质、化学成分符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596—2017)等规范的要求。

c.细骨料。试验所用细骨料为普通河砂，对河砂的表观密度、堆积密度、细度模数进行了试验分析，其主要性能符合《水工混凝土施工规范》(SL 677—2014)的要求。

d.粗骨料。试验采用的粗骨料为5～20 mm的连续级配石灰岩碎石，取部分碎石颗粒，破碎后磨成细粉通过0.08mm的方孔筛，进行其XRD及综合热分析(TG-DTG-DSC)，主要对表观密度、松散堆积密度、紧密堆积密度、饱和面干吸水率、含泥量、压碎指标、针片状含量等进行测试分析；其主要性能满足《水工混凝土施工规范》(SL 677—2014)等相关规范的要求。

e.拌和用水。对化学成分、矿物成分等进行了检测分析，其水质的分析结果满足《水工混凝土施工规范》(SL 677—2014)的要求。

2.2 混凝土配合比试验

2.2.1 设计指标

永圣渡槽槽身混凝土性能的主要设计指标见表1。

表1 永圣渡槽槽身混凝土的主要设计技术指标(供混凝土试验)

2.2.2 永圣渡槽槽身混凝土配合比设计

从表1可知，渡槽槽身混凝土的抗冻等级为F50，其抗冻性能要求不高，因此，在进行混凝土配合比设计时，考虑不掺入引气剂，而通过掺入适量的减水剂和粉煤灰、降低水胶比的技术措施来提高混凝土的密实性，从而保证混凝土的抗冻性[3-4]。根据表1及《水工混凝土试验规程》(SL 352—2006)的要求，对C30槽身混凝土配合比确定了0.38、0.40、0.43和0.45四组不同水胶比的混凝土进行试验，成果见表2。

表2 永圣渡槽槽身混凝土配合比

2.2.3 混凝土性能试验

依据《水工混凝土试验规程》(SL 352—2006)、表2中四组配比，进行混凝土的拌和物性能试验，成果见表3。

表3 渡槽槽身混凝土拌和物的和易性

从表3试验结果可知，表2中几组混凝土的坍落度都达到了设计要求，其中，水胶比为0.38的混凝土拌和物坍落度最小，且拌和物较黏稠，扩展度较小。水胶比为0.40和0.43的混凝土拌和物和易性较好，而水胶比0.45的混凝土拌和物流动性最大。

3 渡槽槽身混凝土的干缩与耐久性试验

3.1 干缩性能试验

3.1.1 试验方法

采用接触式混凝土收缩膨胀仪进行试验，每组混凝土试件3个,尺寸为100mm×100mm×515mm。按照《水工混凝土试验规程》(SL 352—2006)的相关规定,试件两端预埋金属测头，试件成型后，送入养护室养护，两昼夜后拆模并编号。试件拆模后，立即送干缩室(室内温度控制在20℃±2℃，相对湿度控制在60%±5%)并测长，此长度即为试件的基准长度。干缩龄期为3天、7天、14天、28天等,每个龄期测长一次，测长方法和测长方向与测基准长度的一致。

3.1.2 渡槽槽身混凝土的干缩性能及分析

对混凝土进行干缩性能试验，结果见表4，绘制干缩率的变化趋势图,见图2。

表4 混凝土干缩性能试验结果

图2 各组混凝土的干缩率与龄期的关系

从图2可以看出，不同水胶比的混凝土各龄期干缩率的变化趋势相同,干缩率随着龄期的延长而增长，其干缩在早期(3天、7天)增长迅速，后期(28天)增长逐渐减缓。这是由于早期的干燥失水速度和水泥水化反应速度均相对后期要快，因此混凝土的干缩在早期时增长迅速，后期逐渐减缓[5-6]。从图2还可看出，在相同龄期时，混凝土的水胶比越小，其干缩率越大。其原因在于：这几组混凝土的用水量相同(以保证混凝土拌和物的流动性符合施工设计要求)，当其水胶比减小时，混凝土中水泥用量增加[7]。而在混凝土强度相近时，其干缩率主要影响因素是水泥用量，干缩率随着混凝土水泥用量的增加而增大[8]。

3.2 渡槽槽身混凝土的抗冻性能

3.2.1 抗冻性试验方法

按照《水工混凝土试验规程》(SL 352—2006)规定的方法进行混凝土抗冻性试验，冻融循环采用TDRF-2型风冷式混凝土快速冻融装置，冻融循环技术参数与规范规定一致。使用NEL-DTA型动弹仪检测试件的动弹性。

3.2.2 渡槽槽身混凝土抗冻性能及分析

对各组混凝土的抗冻性能进行试验，结果见表5和图3。

表5 渡槽槽身混凝土抗冻性的试验结果

图3 各组混凝土在经受冻融循环后的相对动弹性模量

由图3可知，经50次冻融循环后，四组混凝土的相对动弹性模量均大于60%，表明各组混凝土的抗冻性都满足设计要求(不低于F50)。此外，在相同冻融循环次数时，水胶比为0.40(2号配比)的混凝土相对动弹模量最高，表明其抗冻性能在这四组混凝土中最好。

3.3 渡槽槽身混凝土的抗渗性能

3.3.1 抗渗性试验方法

试验采用《水工混凝土试验规程》(SL 352—2006)中的混凝土抗渗性试验方法，仪器设备为HS-40型混凝土抗渗仪，密封采用防水硅橡胶加密封胶圈双层密封的方法。试件为上口直径175mm、下口直径185mm、高150mm的截头圆锥体，每组混凝土成型六个试件。试验时，从0.1MPa开始每隔8h增加0.1MPa水压，取每组六个试件中三个表面出现渗水时的水压力为最大水压力。

3.3.2 渡槽槽身混凝土的抗渗性能及分析

对渡槽槽身混凝土抗渗性进行试验，结果见表6。

表6 渡槽槽身混凝土抗渗性能试验结果

由表6可知，四组混凝土的抗渗等级均大于W6。同时，水胶比对混凝土抗渗性的影响明显：水胶比增大时，混凝土的抗渗性能下降；水胶比较小时，混凝土抗渗性增强。因此，适当地降低水胶比能明显改善混凝土的内部孔隙结构[9]，提高混凝土抗渗性能。

3.4 渡槽槽身混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能

3.4.1 抗硫酸盐侵蚀性能试验方法

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)规定的试验方法进行,试验设备为CABR-LSB/Ⅲ型全自动混凝土硫酸盐试验机。硫酸盐侵蚀溶液采用纯Na2SO4和普通自来水配制。为保证试验机中硫酸盐溶液的浓度为5%，每隔30天更换一次溶液。

每个配比的混凝土成型6组尺寸为100mm×100mm×100mm的试件。标准养护至26天时，将试件从标准养护室中取出。擦干试件表面的水分，然后将试件放入烘箱中，并在(80±5)℃下烘48h。烘干结束后将试件在干燥环境中冷却至室温，移入CABR-LSB/Ⅲ型全自动混凝土硫酸盐试验机，开始进行硫酸盐溶液干湿循环试验。干湿循环30次、60次、90次时，取出混凝土试件，进行混凝土抗压强度试验，同时检测同一龄期标准养护试件的抗压强度。

混凝土抗压强度耐蚀系数按式(1)计算：

Kf=(fcn/fco)×100

(1)

式中Kf——抗压强度耐蚀系数,%；

fcn——n次干湿循环后受硫酸盐腐蚀的一组混凝土试件的抗压强度测定值,MPa；

fco——与受硫酸盐腐蚀试件同龄期的标准养护的一组对比混凝土试件的抗压强度测定值,MPa。

3.4.2 渡槽槽身混凝土抗硫酸盐侵蚀性能及分析

在各组配比情况下，对混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能进行试验，结果见表7。

表7 混凝土的抗硫酸盐侵蚀性试验结果

由表7可知，四组混凝土在经历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着水胶比的增大而减小，但在经历90次干湿循环后，试件的耐蚀系数仍不低于89%。这表明，这四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[10]。

3.5 混凝土干缩与耐久性性能试验小结

四种水胶比的混凝土干缩变形性、抗冻性和抗渗性等性能的试验结果表明：

a.在保持混凝土单方用水量不变，并控制混凝土拌和物流动度在100～130mm的条件下，混凝土干缩随着水胶比的减小而减小。因而，在本课题的研究条件下，提高混凝土的水胶比对混凝土的抗裂性有利。

b.抗冻性和抗渗性试验结果表明，本课题设计制备的四组混凝土的抗冻性、抗渗性均能满足工程设计要求(即抗冻等级不低于F50、抗渗等级不低于W6)。在这四组混凝土中，以水胶比0.40的混凝土抗渗性和抗冻性最好。

c.抗硫酸盐侵蚀性能试验结果表明，混凝土的抗硫酸盐侵蚀性随着水胶比的增大而下降，四组混凝土的抗硫酸盐侵蚀等级均不低于FS90。

3.6 渡槽槽身混凝土的推荐配合比

根据以上干缩性、抗冻性与抗渗性的研究结果，结合混凝土和易性和力学性能(抗压、劈裂抗拉强度)，并综合考虑到成本等其他因素，推荐的永圣渡槽槽身混凝土配合比见表8。

表8 推荐的永圣渡槽槽身混凝土配合比

4 结 语

通过对原材料、混凝土配合比以及槽身混凝土的检测试验分析，掌握了应用于混凝土工程的各种原材料性能指标及对于混凝土的影响规律，经过反复试验，提出了用于永圣渡槽槽身的混凝土配合比，为永圣渡槽的设计与施工提供了一定的理论基础。实践证明：所推荐的混凝土配合比应用于永圣渡槽工程，混凝土外观质量良好，渡槽槽身各项性能满足工程设计要求，社会效益和经济效益显著。