滿 銀，朱振洋

(1.中國電力科學研究院有限公司,北京 100192; 2.國網(wǎng)新疆電力有限公司昌吉供電公司,新疆 昌吉 831100)

架空輸電線路工程裝配式基礎是用兩個或兩個以上預制構(gòu)件經(jīng)裝配、連接拼裝組合而成的基礎型式,宜用于缺水及砂石采集較困難,運輸條件較好的平地和丘陵地區(qū),不宜在強腐蝕地區(qū)使用[1]。

裝配式基礎的基坑開挖回填和構(gòu)件裝配拼裝過程機械化施工程度高,避免了現(xiàn)場混凝土澆筑和養(yǎng)護濕作業(yè),預制構(gòu)件工廠化加工確保了成品質(zhì)量,基礎施工完成后即可轉(zhuǎn)序進行上部立塔作業(yè),目前已在110 kV～750 kV電壓等級的架空輸電線路工程中得到了試點和推廣應用[2-3]。應用的基礎型式主要包括全預制混凝土裝配式基礎、預制混凝土板條與型鋼支架組合的裝配式基礎和全金屬裝配式基礎3種[4-8]。當前存在的制約問題主要是單個基礎構(gòu)件重量較重,連接節(jié)點較多,現(xiàn)場運輸和組裝困難。

輕骨料混凝土是指用輕粗骨料、輕砂(或普通砂)、水泥和水等配制而成的干表觀密度不大于1 950 kg/m3的混凝土[9-10]。由普通砂或部分輕砂做細骨料配制而成的輕骨料混凝土稱為砂輕混凝土,全部由輕砂做細骨料配制而成的輕骨料混凝土則稱為全輕混凝土。輕骨料混凝土與普通混凝土的本質(zhì)不同之處在于骨料中存在著大量孔隙,具有輕質(zhì)高強、抗裂性能好、耐久性能好、抗震性能好、耐火性能好、保溫性能好等諸多優(yōu)點[11]。輸電線路裝配式基礎的預制構(gòu)件采用輕骨料混凝土制作,可以降低自重20%～30%,能有效解決目前存在的構(gòu)件運輸和吊裝困難問題,并顯著降低施工現(xiàn)場作業(yè)難度和勞動強度。

針對輸電線路裝配式基礎預制構(gòu)件自重和工作環(huán)境服役的使用要求,進行了輕骨料混凝土在輸電線路裝配式基礎中的應用研究。根據(jù)輕骨料的常用種類來源和輸電線路裝配式基礎的混凝土強度等級使用要求,選擇人造頁巖陶粒、天然浮石兩種輕骨料作為粗骨料,砂子、水泥與摻合料、外加劑采用常規(guī)原材料開展了LC30,LC35,LC40和LC45且干表觀密度低于1 900 kg/m3的8種砂輕混凝土的力學性能、耐久性能試驗研究[12-13]。

1 原材料選用

拌合物性能直接影響混凝土的成型難度和施工便易性,輕骨料混凝土的生產(chǎn)按照裝配式基礎構(gòu)件工廠化預制生產(chǎn)方式進行考慮,采用機械強制攪拌,坍落度控制在30 mm～80 mm。

1.1 輕粗骨料

頁巖陶粒又稱膨脹頁巖,以黏土質(zhì)頁巖、板巖等經(jīng)破碎、篩分,或粉磨后成球,燒脹而成,粒徑在5 mm以上。頁巖陶粒按工藝方法分為:經(jīng)破碎、篩分、燒脹而成的普通型頁巖陶粒;經(jīng)粉磨、成球、燒脹而成的圓球形頁巖陶粒。我國陶粒生產(chǎn)廠家主要分布在京津地區(qū)、珠三角地區(qū)、長三角地區(qū)、黑龍江省、新疆維吾爾自治區(qū)和湖北省宜昌市。

浮石又稱輕石或浮巖,容重小(0.3 g/cm3～0.4 g/cm3),是一種多孔、輕質(zhì)的玻璃質(zhì)酸性火山噴出巖,其氣孔體積占巖石體積的50%以上。浮石因孔隙多、質(zhì)量輕、容重小于1 g/cm3,能浮于水面而得名。我國浮石資源十分豐富,北起黑龍江、南至海南島的火山分布區(qū)都有浮石礦產(chǎn)分布,以北方地區(qū)為多,質(zhì)量較好,噴發(fā)年代較新,多產(chǎn)于沿海地區(qū)。

試驗采用的人造頁巖陶粒產(chǎn)自湖北省宜昌地區(qū),密度等級為900級;采用的天然浮石產(chǎn)自河北省張家口地區(qū),密度等級為1 000級。性能指標如表1所示。

表1 輕粗骨料性能指標

1.2 砂子、水泥與摻合料、外加劑

試驗用砂為河北產(chǎn)河砂,細度模數(shù)為2.7,含泥量為1.8%,泥塊含量為0,屬于Ⅱ區(qū)連續(xù)級配,堆積密度為1 480 kg/m3。膠凝材料選用普通42.5硅酸鹽水泥、礦渣粉和粉煤灰。外加劑為高性能聚羧酸系減水劑。

2 力學性能試驗

輕骨料混凝土的干表觀密度采用破碎試件烘干法測定。輕骨料混凝土的干表觀密度、坍落度技術(shù)指標如表2所示?？傮w而言,相同強度等級的浮石輕骨料混凝土的密度大于陶粒輕骨料混凝土。

表2 干表觀密度和坍落度

輕骨料混凝土的力學性能主要是抗壓強度和劈裂抗拉強度。不同粗骨料類別的輕骨料混凝土28 d的抗壓強度和劈裂抗拉強度技術(shù)指標如表3所示。

表3 28 d抗壓強度和劈裂抗拉強度

對比陶粒輕骨料混凝土和浮石輕骨料混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度指標,兩者有高有低,基本相當;劈裂抗拉強度指標普遍為抗壓強度的10%左右,相比普通混凝土而言略有降低,這主要是因為輕骨料的強度普遍低于普通骨料。

3 耐久性能試驗

混凝土結(jié)構(gòu)耐久性是指混凝土結(jié)構(gòu)在化學的、生物的或其他不利因素的作用下,在預定的時間內(nèi),其材料性能的劣化導致混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不可接受的失效概率。根據(jù)輸電線路裝配式基礎混凝土劣化的主導因素和作用機理,輕骨料混凝土耐久性主要進行了抗氯離子滲透性能、抗硫酸鹽侵蝕性能、抗裂和收縮性能、抗凍融循環(huán)性能試驗測試。

3.1 抗氯離子滲透性能

輕骨料混凝土抗氯離子滲透性能采用RCM方法。RCM試驗用試件采用直徑為φ100±1 mm,高度為50±2 mm的圓柱體試件。輕骨料混凝土28 d,84 d RCM系數(shù)對比結(jié)果如圖1所示。

隨著混凝土強度等級的提高,混凝土RCM系數(shù)逐漸降低,說明混凝土抗氯離子滲透性能逐步提高。對比相同強度等級的兩種輕骨料混凝土,陶粒輕骨料混凝土的RCM系數(shù)普遍低于浮石輕骨料混凝土的RCM系數(shù),尤其是84 d的試驗結(jié)果,說明陶粒輕骨料混凝土的抗氯離子滲透性能優(yōu)于浮石輕骨料混凝土。輕骨料混凝土試件養(yǎng)護84 d的氯離子擴散系數(shù)可以降低至1.1×10-12m2/s左右,說明抗氯離子滲透性能非常優(yōu)異。

對于陶粒輕骨料混凝土而言,LCT30和LCT35混凝土的氯離子滲透性強,抗氯離子滲透性能差,LCT40混凝土的氯離子滲透性中等,抗氯離子滲透性能較差,LCT45混凝土抗氯離子滲透性能較好;對于浮石輕骨料混凝土而言,LCF30,LCF35和LCF40混凝土的氯離子滲透性強,抗氯離子滲透性能差,LCF45混凝土抗氯離子滲透性能較差。

3.2 抗硫酸鹽侵蝕性能

試驗采用5%Na2SO4溶液進行試件浸泡,每個干濕循環(huán)的總時間為(24±2)h,測定輕骨料混凝土的強度腐蝕系數(shù)。輕骨料混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能見圖2。

根據(jù)試驗結(jié)果,輕骨料混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能與普通混凝土具有類似的規(guī)律。隨著強度等級的提高,混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能逐漸提高。陶?；炷梁透∈炷恋目沽蛩猁}侵蝕性能基本相當,陶?；炷谅詢?yōu)于浮石混凝土。

LCT30和LCT35陶粒輕骨料混凝土的抗硫酸鹽侵蝕等級為KS90,LCT40和LCT45陶粒輕骨料混凝土的抗硫酸鹽侵蝕等級為KS150,抗硫酸鹽侵蝕性能非常優(yōu)異。LCF30和LCF35浮石輕骨料混凝土的抗硫酸鹽侵蝕等級為KS90,LCF40浮石輕骨料混凝土的抗硫酸鹽侵蝕等級為KS120,LCF45浮石輕骨料混凝土的抗硫酸鹽侵蝕等級為KS150。

3.3 抗裂和收縮性能

輕骨料混凝土的早期開裂性能試驗采用平板開裂模具,LC45級輕骨料混凝土早期開裂照片如圖3所示。

陶粒輕骨料混凝土的早期抗裂性能不如浮石輕骨料混凝土。隨著強度等級的提高,陶粒輕骨料混凝土的早期開裂性能逐步提高,浮石輕骨料混凝土無類似規(guī)律?？傮w而言,浮石輕骨料混凝土的早期抗裂性能非常好;陶粒輕骨料混凝土LCT30和LTC35的早期抗裂性能差,LCT40早期抗裂性能較差,LCT45早期抗裂性能好。輕骨料混凝土的干燥收縮率與齡期的關系曲線見圖4。

根據(jù)試驗結(jié)果,可以得出:1)隨著齡期的延長,陶粒輕骨料混凝土和浮石輕骨料混凝土的干燥收縮值逐步增大,陶粒輕骨料混凝土在45 d之前收縮速率較大,45 d之后逐步放緩;浮石輕骨料混凝土在28 d之前收縮速率較大,28 d之后逐漸放緩。2)不同強度等級的輕骨料混凝土的收縮值大小無顯著差異,陶粒輕骨料混凝土和浮石輕骨料混凝土的試驗規(guī)律類似。3)陶粒輕骨料混凝土的干燥收縮數(shù)據(jù)與普通混凝土基本上相當(大約為400×10-6～600×10-6),而浮石輕骨料混凝土的干燥收縮值比陶粒輕骨料混凝土高60%～80%。

3.4 抗凍融循環(huán)性能

輕骨料混凝土快速凍融試驗采用尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試件,每組3塊。輕骨料混凝土的快速凍融試驗結(jié)果如圖5所示。

輕骨料混凝土的抗凍性能優(yōu)于普通混凝土。隨著強度等級的提高,輕骨料混凝土的抗凍性能逐漸提高。

總體而言,陶粒輕骨料混凝土的抗凍性能略優(yōu)于浮石輕骨料混凝土。對陶粒輕骨料混凝土而言,LCT30,LCT35,LCT40和LCT45混凝土的抗凍等級依次為F150,F200,F200和F250。對浮石輕骨料混凝土而言,LCF30混凝土的抗凍等級為F150,LCF35,LCF40和LCF45混凝土的凍融破壞循環(huán)次數(shù)為225次,略低于陶?；炷痢?/p>

4 結(jié)論

針對輸電線路裝配式基礎預制構(gòu)件自重和工作環(huán)境服役的使用要求,選擇人造頁巖陶粒、天然浮石兩種輕骨料作為粗骨料,砂子、水泥與摻合料、外加劑采用常規(guī)原材料開展了LC30,LC35,LC40和LC45且干表觀密度低于1 900 kg/m3的8種砂輕混凝土的力學性能、耐久性能試驗研究。1)輕骨料混凝土的力學性能和耐久性能指標良好,可以在輸電線路裝配式基礎中進行推廣應用。2)與浮石輕骨料混凝土相比,陶粒輕骨料混凝土的耐久性能優(yōu)勢更加明顯。