高寒地区渡槽现浇混凝土抗冻性试验研究

倪 明

(中国水利水电第十工程局有限公司，成都 610037)

1 工程背景

某灌溉工程区位于四川盆地与青藏高原的过渡地带，平均海拔2 190～2 560m，主要为长江水系切割改造下的断陷盆地地貌景观。工程区属高原大陆性气候，冷干时期较长，暖湿时期较短，雨热同期，日照充足，多年平均气温为7.2℃，极端最高气温为34.3℃，极端最低气温为-23.8℃，多年平均降水量244.1mm，多年平均蒸发量(E601蒸发器)为1 252.4mm，年日照时数2 904h，太阳总辐射量为每年1 512cal/cm2，年平均风速为2.1m/s。

工程设计总控制灌溉面积为1.334 7×104hm2，其中现状灌溉面积为0.8×104hm2，规划新增灌溉面积为0.534 7×104hm2，干渠设计流量为9.43m3/s，加大流量11.6m3/s，灌溉设计保证率为P=75%，年引水量为11 231×104m3，属Ⅲ等中型工程。干渠总长52.295km，流量分段为8段，其中明(暗)渠段长11.997km，占干渠总长度的22.95%；隧洞15座，总长30.60km，占干渠总长度的58.54%；渡槽25座，总长8.33km，占干渠总长度的15.94%；倒虹吸4座，总长1.34km，占干渠总长度的2.53%；干渠其它建筑物169座。由于干渠的设计流量及槽身断面均较大，跨度为10m时，一跨槽身自重约60t，采用预制吊装所需机械较大，考虑施工水平及施工道路的限制，大部分渡槽槽身采用现浇砼，小部分渡槽槽身采用整体预制吊装[1-2]。

2 试验概况

2.1 原材料

试验原材料主要包括P.O 42.5普通硅酸盐水泥、Ⅱ级粉煤灰、粗骨料(5～30mm连续级配，孔隙率47%，含水率0.3%，压碎指标6.6%)、细骨料(中粗砂，细度模数为2.64，堆积密度为1 550kg/m3，含泥量为1.3%)、尾矿砂、自来水。

2.2 试验配合比

试验前，先对渡槽混凝土的基础配合比进行计算和设计。按照相关标准[3-4]，确定渡槽混凝土的水胶比为0.44，每立方米渡槽混凝土中水泥、细骨料、粗骨料和水的用量分别为438、617、1 152和193 kg。由于工程属于高海拔地区，昼夜温差大，冬季气温极低，且持续时间长，要求混凝土具有较好的抗冻性能。因此，拟采用粉煤灰和尾矿砂对渡槽混凝土进行性能改善，同时考虑粗骨料粒径的影响，对渡槽混凝土进行正交试验。

采用三因素四水平方案(L1643)进行正交试验，见表1。粉煤灰掺量(替代水泥比例，A因素)分别为0、10%、20%和30%，尾矿砂掺量(替代细骨料比例，B因素)分别为0、25%、50%和75%，粗骨料的粒径(C因素)分别为5～15、15～20、20～25、25～30mm，每组配合比下均进行3次试验，尽量减小试验离散性的影响。

表1 正交试验配合比方案

2.3 抗冻试验方案

由于该地区昼夜温差大，会导致渡槽结构内部的温度分布不均匀，从而产生较大的温度应力。为减小温度应力带来的影响，除了提升渡槽混凝土抗冻性，还需尽可能提升导热系数，故利用DRE-Ⅲ多功能快速导热系数测试仪对渡槽混凝土的导热系数进行测试[5-6]。

3 试验结果分析

3.1 质量损失率

不同配合比方案下渡槽混凝土质量损失率试验结果见图1。由图1可知，在0～100次冻融循环下，渡槽混凝土的质量损失率均小于5%，且一直处于较低水平。试验14-16组试件在进行到100次冻融循环后，发生崩解破坏，故而未能测得质量损失率。在16组配合比方案中，相同冻融循环次数下，试验1-8组的质量损失率要明显小于试验9-16组的质量损失，说明粉煤灰掺量对渡槽混凝土抗冻性有显著性影响。当粉煤灰掺量为0～10%时，粉煤灰可有效填充尾矿砂带来的结构孔隙，混凝土试件的密实性较好，具有更好的抗渗性；当粉煤灰掺量继续增加时，混凝土中水泥量减少，而且尾矿砂的吸水性大于普通砂，导致混凝土水化反应不足，混凝土结构密实性反而降低，故而质量损失反而增大。相同配合比下，随着冻融循环次数的增加，大部分试件的质量损失均呈逐渐增大的变化特征，有少量试件质量出现先减小后增大的变化特征。这是因为在冻融循环初期，试件内部的水分被冻结成冰并附着在结构中，而此时冻融对试件结构的损伤作用还不太明显，因而质量会出现增加现象；随着冻融试验的进行，损伤作用逐渐显现，故而质量损失逐渐增大。

图1 质量损失对比

3.2 相对动弹性模量

不同配合比方案下渡槽混凝土相对动弹性模量试验结果见图2。由图2可知，相同配合比方案下，渡槽混凝土的相对动弹性模量随冻融循环次数的增加呈逐渐减小的变化特征，冻融循环100次后，试验1-13组的相对动弹性模量分别为65.2%、68.2%、70.1%、64.3%、72.3%、76.2%、70.4%、66.5%、72.4%、70.3%、64.3%、65.9%和60.16%，试验14-16组相对动弹性模量低于60%(发生崩解破坏)。总体而言，粉煤灰掺量为10%的试验5-8组，相对动弹性模量最高；粉煤灰掺量为20%的试验9-12组，相对动弹性模量其次，不掺入粉煤灰试验组(1-4组)的相对动弹性模量较低；而掺入30%粉煤灰试验组(13-16组)的相对动弹性模量最小，说明粉煤灰存在一个最佳掺量范围，掺量过多或者过少均会造成抗冻性能降低。相同粉煤灰掺量下，当矿粉掺量为25%～50%时，渡槽混凝土的相对动弹性模量最高。这是因为尾矿砂本身具备较好的加固特性，可以提升混凝土的强度，但是也会增加混凝土的孔隙间隙，给抗冻性带来不利影响；而当掺入一定量粉煤灰后，可以起到良好的填充作用，能够中和尾矿砂带来的不利影响，从而保证混凝土同时具备良好的强度特性和抗冻性。

图2 相对动弹性模量对比

3.3 导热系数

同配合比方案下渡槽混凝土导热系数试验结果见图3。由图3可知，不掺入粉煤灰和尾矿砂混凝土的导热系数较低，约为1W/m·k。当仅掺入粉煤灰时，随着粉煤灰掺量增加，渡槽混凝土的导热系数逐渐增大；当粉煤灰掺量达到30%时，导热系数增大至1.819W/m·k，提升幅度达到82%。当同时掺入粉煤灰和尾矿砂时，导热系数得到进一步提升；当粉煤灰掺量为0～20%且尾矿砂掺量为50%，可以使混凝土导热系数达到最大值；当粉煤灰掺量为30%且尾矿砂掺量为25%，可以使混凝土导热系数达到最大值；小粒径骨料混凝土的导热系数普遍高于大粒径骨料混凝土的导热系数。尾矿砂中含有许多矿物成分，能够起到提升导热性能的作用，导热系数越好的混凝土，可以降低渡槽混凝土内外部的温差，减小温度应力的影响，从而增强抗冻性能[7-8]，而粉煤灰则会弥补尾矿砂所带来的密实性能不好的问题。因此，混掺粉煤灰+尾矿砂可以对渡槽混凝土的抗冻性和导热性能起到很好的改善作用。

图3 导热系数对比

3.4 方差分析

对正交试验结果进行方差分析，结果见表2。从表2中可知，对于相对动弹性模量的影响，粉煤灰掺量>尾矿砂掺量>粗骨料粒径；对于质量损失的影响，仍为粉煤灰掺量>尾矿砂掺量>粗骨料粒径；而对于导热系数的影响，则是尾矿砂掺量>粉煤灰掺量>粗骨料粒径；从抗冻性能和导热性能考虑，粉煤灰掺量为10%～20%适宜，尾矿砂掺量为25%～50%适宜，粗骨料粒径对渡槽混凝土抗冻性能的影响较小。

在正交试验成果基础上，对渡槽混凝土进行RSM响应曲面优化，最终将粉煤灰掺量定为15%，尾矿砂掺量定为40%，粗骨料粒径15～20mm，渡槽的综合性能可以达到最佳。在最佳配合比下，渡槽混凝土100次冻融循环后的相对动弹性模量为86%，质量损失率为0.4% ，导热系数为2.15W/m·k。

表2 方差分析结果

4 结 论

采用正交试验方法，对高海拔地区灌溉工程渡槽现浇混凝土进行抗冻性试验研究，结论如下：

1)粉煤灰掺量对渡槽混凝土抗冻性的影响最大，其次为尾矿砂掺量，影响最小的为粗骨料粒径。

2)尾矿砂对渡槽混凝土导热系数的影响最大，其次为粉煤灰掺量，影响最小的为粗骨料粒径。

3)混掺粉煤灰和尾矿砂，既可以发挥尾矿砂的导热和加固特性，又可以起到良好的填充作用，中和尾矿砂对抗冻性带来的不利影响。

4)当粉煤灰掺量定为15%，尾矿砂掺量定为40%，粗骨料粒径15～20mm，渡槽的抗冻性和导热性能最佳。