永圣渡槽槽身混凝土的制備及其性能研究

彭艷周 張亞利 張立君 王林偉 鄭傳飛 郭建新 徐 港

(1.三峽大學(xué) 湖北省防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北宜昌 443002;2.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院,湖北 宜昌443002;3.湖北省漳河工程管理局,湖北荊門 448000;4.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院,湖北宜昌 443002)

0 引 言

渡槽是一種重要的水工建筑物[1],其主要作用是輸送渠道水,以及排洪、導(dǎo)流.但部分渡槽可能因各種原因而出現(xiàn)開裂、混凝土剝落、鋼筋裸露等問題導(dǎo)致渡槽構(gòu)件力學(xué)性能及耐久性能的劣化,影響其正常使用[2-12].湖北省永圣渡槽位于漳河灌區(qū)四干渠北干23+000～23+600處,跨越永圣河,灌溉面積16.99萬畝,設(shè)計(jì)流量為11.24 m3/s,建筑物級(jí)別為4級(jí).永圣渡槽運(yùn)行50余年,已出現(xiàn)老化及破損現(xiàn)象.相關(guān)檢測結(jié)果表明,該渡槽有部分槽身發(fā)生嚴(yán)重錯(cuò)位,承重結(jié)構(gòu)強(qiáng)度偏低、混凝土的碳化深度超過鋼筋保護(hù)層厚度,槽身多處露筋、且裸露鋼筋銹斷,嚴(yán)重威脅渡槽的安全運(yùn)行.有鑒于此,相關(guān)管理部門決定將永圣渡槽拆除重建.

重建的永圣渡槽設(shè)計(jì)采用矩形槽身,橫斷面尺寸如圖1所示.槽身混凝土主要設(shè)計(jì)指標(biāo)見表1.

圖1 永圣渡槽橫斷面尺寸圖

表1 永圣渡槽槽身混凝土的主要技術(shù)指標(biāo)

依托永圣渡槽重建工程進(jìn)行了槽身混凝土的配合比設(shè)計(jì).試驗(yàn)研究了不同水膠比混凝土的和易性、力學(xué)性能,及干縮性,抗凍性、抗?jié)B性與抗硫酸鹽侵蝕性等耐久性,并據(jù)此確定C30槽身混凝土的適宜配合比;借助于X射線衍射分析(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)等測試技術(shù),探討了該配比混凝土的微觀結(jié)構(gòu)特征,為C30槽身混凝土的生產(chǎn)與質(zhì)量控制提供基礎(chǔ)資料和技術(shù)指導(dǎo).

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

原材料均取自永圣渡槽重建工程的工地現(xiàn)場.水泥為P·O42.5,其主要性能、化學(xué)成分分別見表2、表3.粉煤灰為荊門晟源Ⅱ級(jí)粉煤灰,其化學(xué)成分、主要性能見表3、表4.

表2 所用普通硅酸鹽水泥(P·O42.5)的主要性能

表3 所用水泥(P·O 42.5)和粉煤灰的化學(xué)成分(%)

表4 所用粉煤灰的主要性能

水泥、粉煤灰XRD圖譜及粉煤灰顆粒形貌分別如圖2～4所示.可知,粉煤灰大部分為球形顆粒,其中含有相當(dāng)數(shù)量的玻璃體物質(zhì),此外還有少量莫來石、石英等晶體礦物.細(xì)骨料為工地現(xiàn)場用河砂,細(xì)度模數(shù)2.6.粗骨料為5～20 mm的連續(xù)級(jí)配石灰?guī)r碎石,減水劑為荊門中和聚羧酸高效減水劑,固含量20%,減水率25%,拌和用水為潔凈自來水.

圖2 水泥XRD圖譜

圖3 粉煤灰XRD圖譜

圖4 粉煤灰的顆粒形貌(SEM圖)

1.2 試驗(yàn)方法

按照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL 352-2006)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn).采用TDRF-2型風(fēng)冷式混凝土快速試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗凍性試驗(yàn).

按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082-2009)進(jìn)行抗硫酸鹽侵蝕性抗?jié)B性試驗(yàn).對(duì)于混凝土水化樣的微觀測試,取所需齡期的混凝土試件,用工具劈開,取剔除粗骨料后的砂漿,酒精終止水化后烘干,再取5～8mm的顆粒進(jìn)行SEM測試,同時(shí)使用DF-4型電磁制樣粉碎機(jī)磨至0.08 mm以下用于XRD測試.

2 結(jié)果與討論

2.1 槽身混凝土的配合比設(shè)計(jì)

按照SL 352-2006進(jìn)行C30渡槽槽身混凝土的配合比設(shè)計(jì),經(jīng)試拌選取了4組不同水膠比進(jìn)行試驗(yàn)研究,其配合比及拌合物性能試驗(yàn)結(jié)果見表5～6.

表5 渡槽槽身混凝土的配合比

由表6可知,這4組混凝土的和易性均滿足工程要求,水膠比為0.38時(shí)坍落度最小,且拌合物較粘稠,擴(kuò)展度較小.水膠比為0.40及0.43時(shí)和易性較好,水膠比為0.45時(shí)流動(dòng)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 力學(xué)性能

1)抗壓強(qiáng)度

由圖5可知,各配比混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期的增加而增大,因?yàn)樗嗨磻?yīng)隨齡期的增加不斷進(jìn)行,水泥的水化程度不斷提高,在28 d齡期后,粉煤灰逐漸發(fā)生二次水化反應(yīng),且生成物填充于混凝土內(nèi)部毛細(xì)孔中,密實(shí)度不斷提高,因此,抗壓強(qiáng)度得到持續(xù)提升.

圖5 混凝土的抗壓強(qiáng)度

根據(jù)圖6所示混凝土強(qiáng)度與膠水比的關(guān)系曲線,膠水比增大,混凝土強(qiáng)度提高;4組混凝土抗壓強(qiáng)度與膠水比符合線性關(guān)系.

圖6 抗壓強(qiáng)度與膠水比關(guān)系

2)劈裂抗拉強(qiáng)度

混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表7.劈裂抗拉強(qiáng)度隨齡期的增加而增大;相同齡期時(shí),水膠比0.38、0.40的劈裂抗拉強(qiáng)度高于水膠比0.43、0.45,但水膠比0.38的劈裂抗拉強(qiáng)度略小于水膠比0.40,其可能是由于水膠比0.38的混凝土拌合物較為粘稠,因而,在試件成型時(shí)相同振搗時(shí)間下其密實(shí)程度較低.

表7 混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

2.2.2 干縮性能與耐久性

1)干縮性能

圖7 各組混凝土的干縮率與齡期的關(guān)系

各組混凝土的干縮率變化趨勢如圖7所示.由圖7可知,不同水膠比的混凝土各齡期干縮率的變化趨勢相同.干縮率隨齡期的延長而增長,其干縮在早期(3 d、7 d)增長迅速,后期(28 d)增長逐漸減緩.在早齡期時(shí),混凝土內(nèi)部由于干燥和水泥的水化反應(yīng),內(nèi)部的自由水快速消耗,導(dǎo)致其相對(duì)濕度迅速下降,引起混凝土體積收縮,而早期的干燥失水速度和水泥水化反應(yīng)速度均比后期快,因此混凝土的干縮在早齡期時(shí)增長迅速,后期的增長逐漸變緩.由圖7可知,在相同齡期時(shí),水膠比越小,干縮率越大.因?yàn)橛盟肯嗤?當(dāng)其水膠比減小時(shí),混凝土中水泥用量增加.而混凝土強(qiáng)度相近時(shí),干縮率隨著混凝土水泥用量的增加而增大.水膠比為0.38、0.40的混凝土的干縮率均大于水膠比0.43、0.45的混凝土.

綜上,用水量不變、拌合物流動(dòng)度在100～130 mm時(shí),混凝土干縮隨水膠比的減小而增大.因此在工程中,較高水膠比對(duì)提高混凝土的抗裂性有利.

2)槽身混凝土的抗凍、抗?jié)B性能

混凝土的抗凍、抗?jié)B性能試驗(yàn)結(jié)果見表8.經(jīng)75次凍融循環(huán)后,各組的抗凍性均滿足設(shè)計(jì)要求.此外,在相同凍融循環(huán)次數(shù)時(shí),水膠比為0.40時(shí)相對(duì)動(dòng)彈模量最高,表明其抗凍性能在這4組中最好.

表8 各組混凝土抗凍性、抗?jié)B性的試驗(yàn)結(jié)果

由表8得4組混凝土的抗?jié)B等級(jí)均大于W6,水膠比增大時(shí),抗?jié)B性能下降.因水膠比對(duì)混凝土孔隙率的大小起決定性作用,直接影響其內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)性.水膠比較小時(shí),混凝土內(nèi)部多余水份數(shù)量較少,硬化混凝土內(nèi)部的毛細(xì)孔數(shù)量也較少,透水性下降,抗?jié)B性增強(qiáng).因此,水膠比為0.38、0.40時(shí)的抗?jié)B性能較好.

3)槽身混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能

這幾組混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能試驗(yàn)結(jié)果見表9.

表9 混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性試驗(yàn)結(jié)果

4組混凝土經(jīng)歷60次、90次5%硫酸鈉溶液的干濕循環(huán)后,其抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)均隨水膠比的增大而減小,經(jīng)歷90次干濕循環(huán)后,試件的耐蝕系數(shù)仍不低于89%.表明4組混凝土的抗硫酸鹽侵蝕等級(jí)均在KS90以上,具有較好的抗硫酸鹽侵蝕性能.水膠比為0.38、0.40的混凝土抗硫酸鹽侵蝕高于水膠比0.43、0.45的混凝土.

綜合考慮試驗(yàn)結(jié)果、成本等因素,永圣渡槽槽身混凝土宜用表5中配比2(水膠比0.40).

2.3 微觀測試分析

2.3.1 XRD

取水膠比為0.4的混凝土在7 d、28 d齡期試樣進(jìn)行XRD測試,其結(jié)果如圖8所示.由圖8可知,混凝土中水化產(chǎn)物主要為Ca(OH)2等,而CaCO3、Ca Mg(CO3)2及SiO2是骨料中原有成分.隨水化齡期延長,試樣中水化產(chǎn)物的衍射峰強(qiáng)度增加,而Ca(OH)2的衍射峰強(qiáng)度逐漸減少,表明水泥的水化繼續(xù)進(jìn)行,且Ca(OH)2的數(shù)量逐漸減少(可能是粉煤灰的二次水化反應(yīng)消耗),生成了更多的水化產(chǎn)物,因此混凝土力學(xué)性能和耐久性等持續(xù)增長.

圖8 C30混凝土(水膠比0.40)在不同齡期的XRD圖譜

2.3.2 SEM

取水膠比為0.4的混凝土在不同齡期的試樣進(jìn)行SEM測試,測試結(jié)果如圖9所示,混凝土水化產(chǎn)物除含有氫氧化鈣、鈣礬石等晶體物質(zhì)外,還有較多數(shù)量的凝膠類產(chǎn)物(水化硅酸鈣等).隨齡期從7 d增長到28 d,混凝土的內(nèi)部致密程度有所提升,表明隨齡期的延長,混凝土體系的水化持續(xù)進(jìn)行,不僅水泥繼續(xù)水化,粉煤灰在28 d左右也逐漸參與二次水化反應(yīng),生成了更多的水化產(chǎn)物(圖(c)和(d)中,粉煤灰顆粒表面有少量的水化物),使混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)度增加、孔隙率減小,因而,其力學(xué)性能和耐久性均得到提高.

圖9 C30混凝土不同齡期水化試樣的SEM圖

3 結(jié) 論

1)給出了C30槽身混凝土的推薦配合比(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、高效減水劑5.0 kg/m3,水膠比為0.40).該配比混凝土的初始坍落度100～130 mm,硬化混凝土的干縮變形性能較小(28 d干縮率3.1×10-4),抗?jié)B等級(jí) W8、抗凍等級(jí)F50以上、抗硫酸鹽侵蝕等級(jí)FS90以上,各項(xiàng)性能符合永圣渡槽重建工程要求.

2)將所推薦的混凝土配合比應(yīng)用于永圣渡槽重建工程、現(xiàn)場檢測表明,制得的渡槽外觀質(zhì)量良好,槽身各項(xiàng)性能均滿足設(shè)計(jì)要求.