寒冷地区运煤栈桥结构混凝土耐久性试验

杨源远 樊 平

(陕煤集团神木红柳林矿业有限公司，陕西榆林 719300)

1 概述

运煤栈桥是煤矿和燃煤电厂的重要构筑物。大型煤矿输煤栈桥的土建投资高达数千万元，承担着将煤炭快速运输的重要作用，栈桥在长期使用过程中，在各种自然环境或人为因素作用下，随着服役时间的推移，结构材料将发生老化和损伤，这是一个永久不可逆的过程，这种损伤累积导致结构性能劣化，承载力下降，耐久性能降低［1，2］。对于新建栈桥而言，在竣工初期对其进行结构性能退化规律研究不仅能够掌握结构构件的性能退化规律，揭示潜在的危险，同时还能依据研究结果制定合理的使用及维护方案，提高建筑物的安全性能，延长其使用年限［3-5］。因此，对栈桥结构耐久性和寿命预测进行深入、系统的研究就显得尤为重要。

陕煤化集团红柳林矿业有限公司运煤栈桥位于榆林市神木县西北15 km，位于神木县瑶镇乡、麻家塔乡及店塔乡交接地段(如图1所示)。栈桥总长约5.6 km;抗震设防烈度为6度(第一组)，基本地震加速度为0.05g。栈桥运煤通廊采用钢桁架结构，支架采用钢筋混凝土框架结构，柱和梁的混凝土强度设计等级为C30，设计混凝土保护层厚度为30 mm。

图1 红柳林栈桥

该地区冬季寒冷、漫长，皮带栈桥结构长期遭受到冻融侵害导致混凝土构件表面损伤、内部劣化、强度下降，加速了腐蚀性介质的侵入。同时，栈桥结构暴露在大气环境中，还将遭受二氧化碳气体的侵蚀，从而导致钢筋钝化、锈蚀，构件承载力下降。为掌握运煤栈桥结构混凝土的性能退化规律，利用该栈桥主要构件(梁、柱)现场施工时的材料及配合比制作了一批混凝土试件，养护到龄期后进行室内试验和室外自然暴露试验。试验内容包括:混凝土碳化试验、冻融试验、碱骨料反应试验。

2 混凝土试验配合比

为使试验情况更加接近栈桥的实际工作情况，本次试验所用试件采用与栈桥实际施工同配比、同材料的混凝土，并且与栈桥构件混凝土同条件养护。结合现场情况并查阅相关施工质量控制单，完成了现场原材料及配合比的确定。水泥采用声威水泥厂P.O42.5R水泥;细骨料为常家沟砂子;粗骨料为电塔卵石，粒径20 mm～40 mm连续级配。栈桥主要构件的混凝土配合比及设计强度等级见表1。

表1 主要构件混凝土配合比设计

3 耐久性试验

3.1 混凝土碳化试验

参照规范［6］对栈桥的混凝土试件进行快速碳化试验，试件尺寸为150 mm×150 mm×300 mm。在温度为60℃的烘箱中烘干48 h后，然后再放入碳化箱。碳化箱内的环境条件为温度:(20±5)℃;湿度:(70±5)%;二氧化碳浓度:(20±3)%。测试时，用浓度为1%的酚酞乙醇指示剂喷于断裂面，从试件表面到混凝土变色边界，每边测量9个位置的碳化深度，取其算术平均值作为试件的碳化深度值。分别测定7 d，14 d，28 d，56 d的碳化深度，测试值精确到0.5 mm。混凝土试件养护到规定时间后，栈桥主要构件混凝土碳化深度变化规律见图2。

图2 碳化深度变化规律

由图2可知，混凝土碳化深度受混凝土强度影响较大，混凝土碳化深度随碳化时间的增长而增大。

3.2 混凝土冻融试验

参照规范［6］对栈桥主要构件的混凝土试件进行了快速冻融试验，具体步骤如下:1)将养护到28 d的混凝土试件从养护室取出，观察其外表，放入(20±2)℃的水中浸泡4 d后取出擦干表面水分称量质量。浸泡时水面高出试件顶面20 mm;2)把试件放入160 mm×160 mm×490 mm厚度为1.2 mm的铁皮盒子中，再把盒子放入装有冷冻液的冻融箱里。试件盒内加入自来水，水分高于试件顶面10 mm。且冻融箱内冷冻液液面高于试件盒内自来水液面;3)在顶面中心留有直径10 mm，长150 mm孔的温控试件中插入温度传感器，放入试件盒中作为测温试件。将测温试件放入冻融箱的中心位置，用以测定冻融箱内中心试件内部温度。试件盒内空余空间由防冻液填满，防冻液面高度高于试件顶面;4)每次冻融循环在2 h～4 h内完成，且融化时间不得少于一次循环时间的1/4;5)保证在冷冻以及融化终了时，试件中心温度分别控制在(－18±2)℃和(5±2)℃，且任何时刻中心温度不得高于7℃，也不得低于－20℃;6)每个试件从5℃～－16℃的耗时不得少于冷冻时间的1/2。每个试件从－16℃～5℃的耗时也不能少于融化时间的1/2，试件内外温差不宜相差28℃;7)冷冻和融化之间的转换时间不宜超过10 min。冻融循环达到以下3种情况之一便可终止试验:a.冻融循环已达到300次;b.相对初始动弹性模量下降超过40%;c.相对初始质量损失超过5%。本次试验分别测试冻融循环次数为0次，25次，50次，75次，100次，125次，150次，175次时混凝土试件的动弹性模量、质量及抗压强度，试验结果见图3。试验过程中，随着冻融次数的增加，混凝土试件表面的水泥砂浆不断剥落，其中浇筑面剥落情况最为严重，基本上初始面层全部剥落完毕。其余各面则首先出现数个小的蚀坑，随冻融次数增加，蚀坑变大，最后呈现片状剥落，表面砂浆层疏松。由图3a)可以看出当冻融循环达到75次左右时，图中线段较陡，这是由于此时试件部分骨料冻裂，试件较为薄弱面产生裂缝随着冻裂面成块剥落，此段试块质量损失较大。在经历175次冻融循环后，试件因为质量损失达到5%，冻融试验终止。试验结束后试件所有面均有粗骨料外露现象;由图3b)可以看出虽然冻融循环导致试件质量不断下降，但是试件动弹模量损失并不大，当冻融到第175次循环时，动弹模量损失不到31%，最后试件因为质量损失达到冻融耐久性极限。由图3c)混凝土立方体试块抗压强度变化规律可以看出，试件的抗压强度损失随冻融循环次数的增加同样较为缓慢，试验结束时试件抗压强度为初始的83.1%，表明试件在冻融破坏后仍具有一定的抗压强度。

3.3 碱骨料反应试验

1)碱骨料反应危害。

碱骨料反应是指混凝土中的碱与骨料中的活性组分之间发生的破坏性膨胀反应，是影响混凝土结构耐久性能的主要因素之一。该反应不同于其他混凝土病害，其开裂破坏是整体性的。而且反应一旦发生就很难阻止，更不易修补和挽救。

2)碱骨料反应测试方法及原理。

岩相法鉴定骨料活性是通过肉眼和显微镜对骨料进行观察，鉴定骨料的岩石种类、结构构造及矿物成分，确定骨料是否含有碱活性矿物、碱活性矿物的类别以及碱活性矿物占骨料的重量百分含量，从而定性评定骨料的碱活性。硅质骨料膨胀率检测方法:按水泥与试样比 1∶2.25、水灰比0.47成型三个试件，标养24 h±2 h后，小心脱模并迅速将试件放入80℃ ±2℃的水浴放置24 h±2 h后测初长，完毕后将试件放入装有足量养护液(1 mol/L NaOH溶液)的养护容器置于80℃ ±2℃的水浴中，自试件放于80℃养护液中算起，养护至龄期为14 d±2 h时，测定长度并计算膨胀率。当14 d龄期长度膨胀率小于0.10%时，将骨料评定为非碱—硅酸反应活性骨料;否则为碱—硅酸反应活性骨料。本次试验采用两种岩相法鉴定与膨胀率检测相结合的方法。课题组从栈桥现场提取石子(10 kg)和砂子(3 kg)样品，参照规范［7，8］进行本次碱骨料反应试验。试验仪器:磨片机、偏光显微镜及附件;破碎设备，方孔筛，天平，胶砂搅拌机，25 mm×25 mm×280 mm试模及测头，测长仪，养护容器及恒温水浴箱。

图3 冻融试验结果

3)岩相鉴定及膨胀率测试结果。

碎石:呈红棕色，具有层状构造。镜下观察主要由石英和红棕色基质组成。石英棱角分明，磨圆度较差，基本上无波状消光，粒度0.02 mm～0.08 mm。基质呈红棕色，富含铁质。主要成分及含量见表2。

表2 碎石岩相鉴定结果

砂:砂石呈肉红色，肉眼可见碱性长石、石英等。镜下观察，矿物主要由正长石、斜长石、石英和岩屑组成。大部分颗粒磨圆度较高，少数的还有棱角。正长石表面浑浊，部分可见波状消光，粒度0.5 mm～1 mm。斜长石可见卡纳双晶，粒度0.6 mm～1 mm。石英可见波状消光，粒度0.5 mm～1.2 mm。此外还有一部分岩屑，岩屑以石英岩和碳酸岩为主。主要成分及含量见表3。

一组试件所有试件的膨胀率与平均值相差不大于0.01%，则认为结果有效，膨胀率测试结果见表4。

表3 砂岩相鉴定结果

表4 膨胀率检测结果

由表4可知，粗、细骨料的膨胀率均变化甚微，不存在碱—硅酸反应危害，即栈桥结构所用材料不会发生碱骨料反应。

4 结语

1)栈桥混凝土碳化试验结果表明，碳化深度受混凝土强度影响较大，随着混凝土抗压强度降低碳化深度逐渐增大。

2)混凝土冻融试验表明，随冻融次数的增加，厂区外山下试件损伤最为严重。

3)碱骨料反应试验表明，粗细骨料的膨胀率均变化不大，不存在潜在的碱—硅酸反应危害。

［1］张 誉，蒋利学，张伟平，等.混凝土结构耐久性概论［M］.上海:上海科学技术出版社，2003.

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［3］金伟良，赵羽习.混凝土结构耐久性［M］.北京:科学出版社，2002.

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