输电线路装配式基础用轻骨料混凝土试验研究★

满 银，朱振洋

(1.中国电力科学研究院有限公司,北京 100192; 2.国网新疆电力有限公司昌吉供电公司,新疆 昌吉 831100)

架空输电线路工程装配式基础是用两个或两个以上预制构件经装配、连接拼装组合而成的基础型式,宜用于缺水及砂石采集较困难,运输条件较好的平地和丘陵地区,不宜在强腐蚀地区使用[1]。

装配式基础的基坑开挖回填和构件装配拼装过程机械化施工程度高,避免了现场混凝土浇筑和养护湿作业,预制构件工厂化加工确保了成品质量,基础施工完成后即可转序进行上部立塔作业,目前已在110 kV～750 kV电压等级的架空输电线路工程中得到了试点和推广应用[2-3]。应用的基础型式主要包括全预制混凝土装配式基础、预制混凝土板条与型钢支架组合的装配式基础和全金属装配式基础3种[4-8]。当前存在的制约问题主要是单个基础构件重量较重,连接节点较多,现场运输和组装困难。

轻骨料混凝土是指用轻粗骨料、轻砂(或普通砂)、水泥和水等配制而成的干表观密度不大于1 950 kg/m3的混凝土[9-10]。由普通砂或部分轻砂做细骨料配制而成的轻骨料混凝土称为砂轻混凝土,全部由轻砂做细骨料配制而成的轻骨料混凝土则称为全轻混凝土。轻骨料混凝土与普通混凝土的本质不同之处在于骨料中存在着大量孔隙,具有轻质高强、抗裂性能好、耐久性能好、抗震性能好、耐火性能好、保温性能好等诸多优点[11]。输电线路装配式基础的预制构件采用轻骨料混凝土制作,可以降低自重20%～30%,能有效解决目前存在的构件运输和吊装困难问题,并显著降低施工现场作业难度和劳动强度。

针对输电线路装配式基础预制构件自重和工作环境服役的使用要求,进行了轻骨料混凝土在输电线路装配式基础中的应用研究。根据轻骨料的常用种类来源和输电线路装配式基础的混凝土强度等级使用要求,选择人造页岩陶粒、天然浮石两种轻骨料作为粗骨料,砂子、水泥与掺合料、外加剂采用常规原材料开展了LC30,LC35,LC40和LC45且干表观密度低于1 900 kg/m3的8种砂轻混凝土的力学性能、耐久性能试验研究[12-13]。

1 原材料选用

拌合物性能直接影响混凝土的成型难度和施工便易性,轻骨料混凝土的生产按照装配式基础构件工厂化预制生产方式进行考虑,采用机械强制搅拌,坍落度控制在30 mm～80 mm。

1.1 轻粗骨料

页岩陶粒又称膨胀页岩,以黏土质页岩、板岩等经破碎、筛分,或粉磨后成球,烧胀而成,粒径在5 mm以上。页岩陶粒按工艺方法分为:经破碎、筛分、烧胀而成的普通型页岩陶粒;经粉磨、成球、烧胀而成的圆球形页岩陶粒。我国陶粒生产厂家主要分布在京津地区、珠三角地区、长三角地区、黑龙江省、新疆维吾尔自治区和湖北省宜昌市。

浮石又称轻石或浮岩,容重小(0.3 g/cm3～0.4 g/cm3),是一种多孔、轻质的玻璃质酸性火山喷出岩,其气孔体积占岩石体积的50%以上。浮石因孔隙多、质量轻、容重小于1 g/cm3,能浮于水面而得名。我国浮石资源十分丰富,北起黑龙江、南至海南岛的火山分布区都有浮石矿产分布,以北方地区为多,质量较好,喷发年代较新,多产于沿海地区。

试验采用的人造页岩陶粒产自湖北省宜昌地区,密度等级为900级;采用的天然浮石产自河北省张家口地区,密度等级为1 000级。性能指标如表1所示。

表1 轻粗骨料性能指标

1.2 砂子、水泥与掺合料、外加剂

试验用砂为河北产河砂,细度模数为2.7,含泥量为1.8%,泥块含量为0,属于Ⅱ区连续级配,堆积密度为1 480 kg/m3。胶凝材料选用普通42.5硅酸盐水泥、矿渣粉和粉煤灰。外加剂为高性能聚羧酸系减水剂。

2 力学性能试验

轻骨料混凝土的干表观密度采用破碎试件烘干法测定。轻骨料混凝土的干表观密度、坍落度技术指标如表2所示。总体而言,相同强度等级的浮石轻骨料混凝土的密度大于陶粒轻骨料混凝土。

表2 干表观密度和坍落度

轻骨料混凝土的力学性能主要是抗压强度和劈裂抗拉强度。不同粗骨料类别的轻骨料混凝土28 d的抗压强度和劈裂抗拉强度技术指标如表3所示。

表3 28 d抗压强度和劈裂抗拉强度

对比陶粒轻骨料混凝土和浮石轻骨料混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度指标,两者有高有低,基本相当;劈裂抗拉强度指标普遍为抗压强度的10%左右,相比普通混凝土而言略有降低,这主要是因为轻骨料的强度普遍低于普通骨料。

3 耐久性能试验

混凝土结构耐久性是指混凝土结构在化学的、生物的或其他不利因素的作用下,在预定的时间内,其材料性能的劣化导致混凝土结构出现不可接受的失效概率。根据输电线路装配式基础混凝土劣化的主导因素和作用机理,轻骨料混凝土耐久性主要进行了抗氯离子渗透性能、抗硫酸盐侵蚀性能、抗裂和收缩性能、抗冻融循环性能试验测试。

3.1 抗氯离子渗透性能

轻骨料混凝土抗氯离子渗透性能采用RCM方法。RCM试验用试件采用直径为φ100±1 mm,高度为50±2 mm的圆柱体试件。轻骨料混凝土28 d,84 d RCM系数对比结果如图1所示。

随着混凝土强度等级的提高,混凝土RCM系数逐渐降低,说明混凝土抗氯离子渗透性能逐步提高。对比相同强度等级的两种轻骨料混凝土,陶粒轻骨料混凝土的RCM系数普遍低于浮石轻骨料混凝土的RCM系数,尤其是84 d的试验结果,说明陶粒轻骨料混凝土的抗氯离子渗透性能优于浮石轻骨料混凝土。轻骨料混凝土试件养护84 d的氯离子扩散系数可以降低至1.1×10-12m2/s左右,说明抗氯离子渗透性能非常优异。

对于陶粒轻骨料混凝土而言,LCT30和LCT35混凝土的氯离子渗透性强,抗氯离子渗透性能差,LCT40混凝土的氯离子渗透性中等,抗氯离子渗透性能较差,LCT45混凝土抗氯离子渗透性能较好;对于浮石轻骨料混凝土而言,LCF30,LCF35和LCF40混凝土的氯离子渗透性强,抗氯离子渗透性能差,LCF45混凝土抗氯离子渗透性能较差。

3.2 抗硫酸盐侵蚀性能

试验采用5%Na2SO4溶液进行试件浸泡,每个干湿循环的总时间为(24±2)h,测定轻骨料混凝土的强度腐蚀系数。轻骨料混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能见图2。

根据试验结果,轻骨料混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能与普通混凝土具有类似的规律。随着强度等级的提高,混凝土抗硫酸盐侵蚀性能逐渐提高。陶粒混凝土和浮石混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能基本相当,陶粒混凝土略优于浮石混凝土。

LCT30和LCT35陶粒轻骨料混凝土的抗硫酸盐侵蚀等级为KS90,LCT40和LCT45陶粒轻骨料混凝土的抗硫酸盐侵蚀等级为KS150,抗硫酸盐侵蚀性能非常优异。LCF30和LCF35浮石轻骨料混凝土的抗硫酸盐侵蚀等级为KS90,LCF40浮石轻骨料混凝土的抗硫酸盐侵蚀等级为KS120,LCF45浮石轻骨料混凝土的抗硫酸盐侵蚀等级为KS150。

3.3 抗裂和收缩性能

轻骨料混凝土的早期开裂性能试验采用平板开裂模具,LC45级轻骨料混凝土早期开裂照片如图3所示。

陶粒轻骨料混凝土的早期抗裂性能不如浮石轻骨料混凝土。随着强度等级的提高,陶粒轻骨料混凝土的早期开裂性能逐步提高,浮石轻骨料混凝土无类似规律。总体而言,浮石轻骨料混凝土的早期抗裂性能非常好;陶粒轻骨料混凝土LCT30和LTC35的早期抗裂性能差,LCT40早期抗裂性能较差,LCT45早期抗裂性能好。轻骨料混凝土的干燥收缩率与龄期的关系曲线见图4。

根据试验结果,可以得出:1)随着龄期的延长,陶粒轻骨料混凝土和浮石轻骨料混凝土的干燥收缩值逐步增大,陶粒轻骨料混凝土在45 d之前收缩速率较大,45 d之后逐步放缓;浮石轻骨料混凝土在28 d之前收缩速率较大,28 d之后逐渐放缓。2)不同强度等级的轻骨料混凝土的收缩值大小无显著差异,陶粒轻骨料混凝土和浮石轻骨料混凝土的试验规律类似。3)陶粒轻骨料混凝土的干燥收缩数据与普通混凝土基本上相当(大约为400×10-6～600×10-6),而浮石轻骨料混凝土的干燥收缩值比陶粒轻骨料混凝土高60%～80%。

3.4 抗冻融循环性能

轻骨料混凝土快速冻融试验采用尺寸为100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体试件,每组3块。轻骨料混凝土的快速冻融试验结果如图5所示。

轻骨料混凝土的抗冻性能优于普通混凝土。随着强度等级的提高,轻骨料混凝土的抗冻性能逐渐提高。

总体而言,陶粒轻骨料混凝土的抗冻性能略优于浮石轻骨料混凝土。对陶粒轻骨料混凝土而言,LCT30,LCT35,LCT40和LCT45混凝土的抗冻等级依次为F150,F200,F200和F250。对浮石轻骨料混凝土而言,LCF30混凝土的抗冻等级为F150,LCF35,LCF40和LCF45混凝土的冻融破坏循环次数为225次,略低于陶粒混凝土。

4 结论

针对输电线路装配式基础预制构件自重和工作环境服役的使用要求,选择人造页岩陶粒、天然浮石两种轻骨料作为粗骨料,砂子、水泥与掺合料、外加剂采用常规原材料开展了LC30,LC35,LC40和LC45且干表观密度低于1 900 kg/m3的8种砂轻混凝土的力学性能、耐久性能试验研究。1)轻骨料混凝土的力学性能和耐久性能指标良好,可以在输电线路装配式基础中进行推广应用。2)与浮石轻骨料混凝土相比,陶粒轻骨料混凝土的耐久性能优势更加明显。