电网工程中混凝土快冻法试验与检测分析

刘奕彤,马海涛,金龙飞

(辽宁东科电力有限公司,辽宁 沈阳 110179)

0 引言

在电力系统中,不论是在变电设备GIS开关基础、变压器基础、事故油池、集水井,或是在送电线路中杆塔基础、电缆隧道,还是在发电过程中架设风机承台与桩基,均是由不同规格混凝土来稳定支撑,混凝土出现在各种严酷环境中[1]。本文通过完整的混凝土快冻试验,判断混凝土随着季节更替而存在的长期耐久性能损耗规律,并提出适当预防措施。

1 电力工程常见混凝土病害

1.1 变电工程

变电站具有变换电压、调控电流方向、分配电流、调整电压作用[2],并且混凝土在变电工程中应用非常广泛。以某常规敞开式220 kV变电站为例,除掉变电站主控楼与二次保护间等构筑物外,变电站内变压器、电抗器、站用变、GIS开关等设备均架设在混凝土之上,若混凝土强度与功能无法达到设计值,则以上设备在上台时极易导致混凝土出现裂缝与损伤,且对应部位混凝土失效,继而间接致使设备发生故障与电网运行波动。集油事故油池、传输信号电缆沟、生产生活所需用水的集水井等设置于场区标高以下设施,四壁均由混凝土支撑与保护,这些常年处于地表下,由土壤包裹的混凝土既要满足设计强度,又要满足自身各项长期耐久性能指标,方可保证设施内部水与油不会渗透到外部土壤,地表雨水也无法渗透到结构内部。

1.2 送电工程

常见送电工程均由线路、塔与塔基构成,塔基则由钢筋混凝土完全打造,一般送电线路设计寿命至少为50年,这就要求混凝土基础经得起严格考验,既要保证塔倾斜挠度符合要求,又要满足自身沉降量不超标;既要经受冬期寒冷低温与雨水侵蚀,又要满足混凝土自身各项长期耐久性指标,否则将对电网运行及财产造成极大损失。

另一种比较少见的送电工程是电缆隧道,可分为盾构、明挖2种形式。但其内部使用与构造均相同,并且均设置在地表下。原则是在不方便高空架设线路或是像重庆山城地区,架设电缆后在特定情况下会带来一系列安全隐患时,经常采用电缆隧道形式。明挖隧道常使用现浇混凝土,盾构隧道常使用预制混凝土管片拼装,但由于该部分常年处于地下,混凝土外部经防水防腐等材料处理后直接与地表土壤接触,渗漏水与冻害仍是电缆隧道内部发生频率较高问题[3]。

2 混凝土快速冻融检测

2.1 检测原因

在我国北方,环境温度波动很大,极端时有-50 ℃极寒天气,从而导致地面或屋面有积水,在一年四季乃至一天不同时段呈现为不同状态,同样混凝土外层在直接与水分接触地方,也在经受着冰冻与融化双重考验。混凝土表面水分在冰冻时会出现冻胀现象,当冰融化成水后又将混凝土表面泥沙带走,如此往复循环,对混凝土结构强度、自身质量,乃至钢筋保护层厚度均造成极大损失。所以在北方大部分用于承重的混凝土基础,在设计时均对抗冻性能有严格要求。

2.2 检测时机

目前,我国对普通混凝土快速冻融试验方法主要依据GB/T 50082—2009[4],所以混凝土试件浇筑后龄期达到24天时,应放置清水中浸泡4天(见图1),其目的一是使混凝土表面处于湿润状态,浸泡4天可将混凝土表层及表层深处完全浸湿,便于后续冻融试验;二是普通混凝土长期耐久性检测时机往往是在28天龄期到达时开始检测,所以浸泡时间必须是在浇筑后龄期达到24天时开始;三是由于在后续冻融试验中,需要每25次循环后停止并称量试件质量,若不提前浸泡4天,极易导致无法精准测量试件质量损失率。

图1 混凝土试件在试模中浸泡

2.3 检测设备

普通混凝土快冻法相较于慢冻法是一种新型检测方法,目前我国东北大多数建材检测实验室检测设备仍停留在慢冻法所需设备上(慢冻机、电子天平、压力机),慢冻法检弊端主要体现在检测周期长、报告发放慢。

快冻法检测需配备快冻试验机、动弹性模量测定仪、电子天平(见图2)与-40 ℃防冻液,又称为“三机一液”。快冻试验机作为贯穿整个试验最主要检测设备,控制器需达到实现温度显示、温度控制、冻融过程转化、循环次数自动记录等功能[5],由防冻液通过热传导将热量传至试模与试模内部清水中,从而带动混凝土试件整个温升温降全过程。电子天平与动弹性模量仪则为辅助检测设备,在开始冻融试验前和每25次循环停止后,均需要对混凝土试件进行质量测量与横向基频测量,最终通过此指标综合判断试件是否达到设计抗冻等级。

图2 快冻试验所需仪器

3 混凝土快速冻融检测试验

混凝土抗冻性能(快冻法)抗冻等级用F来表示,目前国内多数混凝土抗冻性设计值均采用50的整数倍来设计,如F50、F100、F150、F200……。本文基于设计最低值F50来介绍试验具体步骤与注意事项。

3.1 检测开展

快冻法检测混凝土抗冻性能试件有别于慢冻法试件尺寸,快冻试件尺寸采用100 mm×100 mm×400 mm棱柱体试件,且抗冻试模内壁不建议刷机油等油性脱模剂。试件在完成4天浸泡后达到28天龄期时,可将试件与试模一并放入快冻试验剂内开始进行试验。需注意的是,试件与试模之间仍以清水为热传导介质,且试模内水面浸没试件顶面高度应为5～20 mm,以确保后期随着箱体内温度升高,水分蒸发流失导致水面低于试件顶面。

每做25次冻融循环需取出试件并擦去试件外壁上浮渣与水分,且根据试件实际情况进行必要描述。一次冻融循环应控制在2～4 h内,且降温时长为1～2.5 h、升温时长为1～2 h。测温试件为可循环使用,用冲击钻将非试验试件沿纵向轴心位置钻孔,后将测温试件放在冻融机中间位置,将测温传感器探头埋于测温试件中心[6-7],用黄油、石蜡或硫磺等热熔材料将试件顶部密封,确保试件中心部位无外界水分干扰,中心试件探头可实时监测冻融机内试件温度值,防冻液与对角线处放置的探头用于监测箱体内最远点与防冻液实时温度,当达到最低与最高设定温度值后,进入下一个循环阶段。

3.2 检测设计

当采用F50的1组3块试件开展快冻试验时,为探究冻融循环次数与相对动弹性模量、试件质量损失之间关系,将设定机器每10次冻融循环停止并采集数据,故本次试验分别在初次、10次、20次、30次、40次、50次时采集动弹性模量与质量,即可测得实际冻融次数在满足设计前提下,在哪个阶段相对损失率过大,进而采取相应补救或改造措施。经N次冻融循环后第n个混凝土试件相对动弹性模量和质量损失率见式(1)、式(2),混凝土动弹性模量见式(3)。

(1)

式中:fN为经N次冻融循环后试件的横向基频,Hz;f0为冻融循环前试件横向基频初始值,Hz。

(2)

式中:W0为冻融循环前试件质量初始值,g;WN为经N次冻融循环后试件的质量,g。

Ed=13.244×10-4×WL3f2/a4

(3)

式中:a为试件正方形截面边长,mm;L为试件长边长度,mm;W为试件质量,kg;f为试件横向振动的频率,Hz。

3.3 检测数据

通过每10次循环为一个观测单元,测得3个试件每10次质量与横向基频(见表1、表2),同时根据公式算出试件质量损失率(见表3)与横向基频损失率(见表4)。绘制质量损失率、动弹性模量损失率与冻融循环次数关系曲线(见图3、图4),在即将达到设计值F50冻融循环次数时,可明显看出,试件各项参数指标损失率呈增长态势,斜率骤增,这是由于混凝土在快速冻融过程中剥落与其渗透性、表面饱和度、溶液冰点有关[8]。

表1 试件质量实测值 单位:g

表2 横向基频实测值 单位:Hz

表3 试件质量损失率 单位:%

表4 横向基频损失率 单位:%

图3 质量损失率与冻融循环次数关系曲线

图4 动弹性模量损失率与冻融循环次数关系曲线

由图5可知,在完成50次冻融循环后,同一个试件外观尺寸偏差达到峰值,已经由最初棱柱体消耗成不规则立方体,且试件表层水泥与细骨料均被试膜中水分所带走,将内部粗骨料完全裸露在外,此时试件已完全失去混凝土自身使用价值,且混凝土某些物理性能会发生明显变化[9]。

图5 50次冻融循环试验试件外观对比

4 结语

混凝土快速冻融试验与其他长期耐久性试验以及力学试验不同,需要对检测时机及整个试验节奏严格把握,从混凝土最初浇筑日期算起,直到检测机构出具检测结论,中间试验过程容不得丝毫差错。由于快冻法试验相对严苛,继而从检测报告出具日期与混凝土施工浇筑日期可完整推算设计抗冻等级,甚至可推算每个冻融循环持续时间。能否承接混凝土快冻试验,从侧面反映检测机构在混凝土检测专业上的综合能力,也能反映检测人员个人综合能力与执行能力。