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技術資料

超高性能混凝土電桿配合比的試驗與研究

時間:2019-06-29 17:29 來源:afshops.com 作者:海煜重工 點擊:
混凝土電桿由于運行維護方便、 節約鋼材等優點,大量應用在輸變電工程、鐵路電氣化工程及通信領域,尤其在我國平原和運輸條件好的地區 得到廣泛的應用。2017年上半年全國規模以上電桿企業電桿總產量為823萬根,比2016年同期增長17.2%,混凝土電桿具有非常廣闊的市場空間。然而,雖然普通混凝土電桿具有上述優點;

但同時也存在重量大,容易開裂,耐久性較差等缺點,在電網運行中存在安全隱患。普通混凝土電桿為充分利用桿高而采用淺基礎設計,大轉角或大荷載情況下,需要安裝拉線,占用一定的土地資源。隨著城鎮化的不斷發展,土地資源越來越稀缺,使得傳統電桿的不足日漸凸顯。

普通混凝土電桿因承載力較低,在惡劣天氣條件下(如冰雪災害、大風天氣),易出現電桿損壞現象。在2008年冰災中,我國南方多數地區混凝土電桿受到不同程度的損壞,一定程度影響了配電網的安全運行。據統計報道,其中倒桿基數957基,受損189基,總數達到1146基,破壞情況比較嚴重。隨著輸電線路導線截面的增大,桿塔承受的荷載變大,對電桿的強度要求更高。

超高強混凝土具有強度高、耐久性好等優點,可以有效減輕結構的重量,同時在節約資源和環境保護方面也具有重要的意義,是混凝土技術未來的發展趨勢。國內外學者在超高強混凝土方面已經做了大量的有益探索,取得了許多寶貴的經驗,主要有:(1)水泥采用高強度等級,比如42.5,52.5甚至62.5的硅酸鹽水泥;(2)添加活性的超細摻合料,例如硅灰、超細粉煤灰等;(3)采用高效減水劑,減水率在25%以上;(4)水膠比一般在0.26以下。

我國從20世紀70年代就已經開始研究超高強混凝土,目前在實際工程得到一定的應用,比如C100超高強混凝土在國家大劇院工程上的應用,2014年東塔實現C120超高強混凝土超高層的泵送等,但在混凝土電桿中應用鮮有報道。

超高強度混凝土電桿具有高強度和優良的耐久性,有效地彌補了普通電桿的許多缺陷,可應用于大荷載線路工程、耐腐蝕地區和運輸條件不便利的山區,因其不需要安裝拉線的優點,在城市線網工程中也可以得到很好的應用。

超高強電桿混凝土配置宜采用P·O52.5或更高等級普通硅酸鹽水泥,骨料宜采用石英砂,摻合料采用優質的活性礦物摻量硅灰,減水劑采用高效減水劑,減水率大于25%,配置超高強混凝土需添加鋼纖維;配合比設計時水膠比宜小于0.2,以保證混凝土的強度要求。根據原材料的選用原則挑選材料,設計了8組配合比方案配置混凝土試樣,進行抗壓強度試驗,研究混凝土的破壞形態,分析原材料對強度的影響情況,對于超高強混凝土的配合比研究具有一定的參考。

1 混凝土配合比設計

1.1 原材料

(1)水泥

在制備超高強混凝土時,水膠比的范圍通常在0.18~0.27,甚至更小。文獻指出水泥膠砂28天抗壓強度不宜小于52MPa,方能保證混凝土的強度,對C100及更高等級的混凝土采用P·O52.5或以上等級更好。

(2)礦物摻合料

超高強混凝土強度影響因素最主要是水泥的用量,在一定范圍內,隨著水泥占比的增加,強度增大。但C80及以上強度等級的混凝土,礦物料的添加是必不可少的。優質的活性礦物料有硅灰、超細粉煤灰、超細礦渣。

(3)骨料

有學者認為砂對超高強混凝土的影響主要體現在和易性方面,建議使用細度模數2.6~2.9的中砂。當水膠比較低時,砂率對混凝土的流動性有很大的影響,文獻指出當采用中砂時,最優砂率是40%。

(4)鋼纖維

鋼纖維按外形可以分為平直形鋼纖維、壓棱形鋼纖維、波形鋼纖維、彎鉤形鋼纖維等,不同的制取方式產出的鋼纖維性能也不一樣,混凝土中摻加適量的鋼纖維,可提高其抗拉、抗彎強度,并大幅度地提高其韌性和抗沖擊強度,同時鋼纖維可以有效約束滑移量和裂縫寬度的開展,避免發生脆性破壞。文獻指出不同外形鋼纖維中,端鉤型鋼纖維比直線型和波紋型的增強效果更好。

(5)減水劑

減水劑是一種在坍落度不變的情況下減少用水量的外加劑,可以改善混凝土拌合物的流動性。按減水能力可以劃分為普通減水劑、高效減水劑、高性能減水劑,其中高性能減水劑以聚羧酸系減水劑為代表。高性能減水劑的減水率可以達到25%~35%,可以大幅提高拌合物的流動性和密實度,已廣泛應用于水利、水電、水工、海工、橋梁等工程中。

試驗選用以下材料。

水泥:P·O52.5普通硅酸鹽水泥,密度約3000kg/m3,產地河北曲陽縣。

礦物摻合料:II級粉煤灰,表觀密度2800kg/m3;S95礦渣,表觀密度2900kg/m3;硅灰,表觀密度約2300kg/m3,產地河北行唐縣。

粗骨料:5~10mm粒徑花崗巖碎石,壓碎值6%左右,孔隙率小于43%,產地為河北保定易縣。

細骨料:2區級配中砂,細度模數2.4,表觀密度2500kg/m3,產地為保定唐縣;石英砂,表觀密度2600kg/m3左右,產地為河北石家莊行唐縣。

減水劑:采用聚羧酸型高性能減水劑,減水率25%以上。

鋼纖維:采用30mm端鉤型系列。

1.2 配合比設計方案

由于超高強混凝土目前沒有系統的配合比設計方法,其配合比設計較為困難。為了獲得較好的力學性能,在確定最終配合比前,進行配合比試配試驗。試驗采用通用的技術途徑:硅酸鹽水泥+活性礦物摻料+高性能減水劑,配合比見表1。配合比方案滿足JGJ 55-2011《普通混凝土配合比設計規程》。其中A至C配合比中礦物料只添加硅粉,D和E配合比添加了硅粉和礦渣,F至I配合比中添加了鋼纖維,骨料采用石英砂。通過對這8組配合比方案,系統的研究了礦物摻和料、骨料、鋼纖維對抗壓強度的影響規律。

2 混凝土抗壓強度試驗

由于目前還沒有關于超高強混凝土試驗的國家標準,因此具體的試驗過程參照GB/T 50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》和 T/CEC 143-2017《超高性能混凝土電桿》的規定,采用100mm的立方體試件,抗壓強度試驗值不乘以折減系數。

配合比設計方案
表1 配合比設計方案

2.1 試樣制作

(1)按照配合比的要求稱量,將水泥、砂、碎石、摻合料放入攪拌機中,攪拌均勻。

(2)將不同的配合比所需的用水量和減水劑用量一起倒入攪拌機中,攪拌3min。

(3)在鋼纖維的配比方案,采用干拌的方法使鋼纖維攪拌均勻后,再進行濕拌3min。

(4)把攪拌均勻的混凝土裝入100mm的立方體試模中,先手動插搗密實,再放在振動臺上進行振搗后表面收光。

(5)因試驗研究是針對實際工程的應用,因此采用常規工藝進行養護。

2.2 強度試驗結果

試驗設備采用某公司生產的DYE-200電液式壓力試驗機,如圖1所示,測試件養護齡期為7天、28天抗壓強度值,加載速率為1.2MPa/s,直至試塊破壞試驗機停止,自動讀取試驗數據,強度試驗結果見表2。

電液式壓力試驗機
圖1 電液式壓力試驗機

不同齡期的混凝土抗壓強度
表2 不同齡期的混凝土抗壓強度

3 試驗結果分析

3.1 不同強度混凝土破壞形態

混凝土立方體試塊在受壓過程中,會產生縱向和橫向的變形。當壓力達到一定數值后,變形達到混凝土的極限值;繼續加大荷載,裂紋就會擴大最終使試件達到破壞,故砼的受壓破壞是內部裂紋擴展的過程。混凝土在破壞形式上呈現一定的脆性,塑性性能表現較小,如圖2所示。

混凝土試塊破壞形態
圖2 混凝土試塊破壞形態

摻加了鋼纖維的試塊與普通混凝土試塊有明顯區別,橫向變形變小,破壞后的試塊形態仍比較完整,表面有多條裂縫,但試塊沒有散裂,如圖3所示。

3.2 材料對混凝土強度的影響

3.2.1 粗細骨料對強度影響

試驗砂膠比為1.17:1,A,B,C三組配合比研究摻入不同的骨料對抗壓強度的影響,結果見圖4。由圖4可知, A組試塊只添加普通中砂,早期和晚期強度變化很小,幾乎沒有增長;B組試塊添加了普通中砂和和碎石,早期強度比A組稍高些,但是后期強度增長幅度并不明顯;C組試塊添加了石英砂,強度是三組配比中最高的。通過這三組配比的對比發現,骨料采用石英砂對超高強混凝土強度增長效果較好。

添加鋼纖維試塊破壞形態
圖3 添加鋼纖維試塊破壞形態

不同骨料對強度的影響
圖4 不同骨料對強度的影響

3.2.2 礦渣對強度影響

試驗中有D,E共2組配合比添加礦渣材料。圖4中將A和D,C和E進行對比分析,礦渣對混凝土抗壓強度的增長影響很小。

3.2.3 鋼纖維對強度影響

隨著齡期的延長,混凝土強度持續增長。在普通混凝土中,這種增長呈對數曲線關系。在超高強混凝土中,強度的增長具有自身的特征:早期強度增長的很快,28天后則呈十分緩慢增長的態勢。從圖5可以看出,添加了鋼纖維的試塊強度比普通試塊的強度較高,且均達到了120MPa以上,這是由于混凝土基體中摻入了鋼纖維,有效阻止了混凝土裂紋的擴展,使抗壓強度得到提高。

3.3 工作性能

A和C組配合比的流動性比B,D,E組要好。通過分析發現,一方面膠凝材料中礦渣摻量為20%的時候對混凝土的流動性能影響不是很明顯;另一方面由于粗骨料采用5~10 mm粒徑的花崗巖碎石,屬于小粒徑的粗骨料,其相對比表面積較大,相應的用水量需求也較大,在同等的用水量、膠凝用量條件下,塌落度較小,流動性能也較差。

鋼纖維對強度的影響
圖5 鋼纖維對強度的影響

4 結論

通過以上配合比設計和強度試驗分析,可得到以下結論:

(1)采用石英砂等材料,配制出28天強度達到136.3MPa的超高強混凝土。

(2)鋼纖維的摻加可以顯著提高混凝土的抗壓強度,同時大大提高混凝土的塑性。

(3)對于C120以上的超高強混凝土的配制,建議采用0.21以下的水膠比。

(4)對于超高強電桿用混凝土,鋼纖維的摻量對強度的影響、降低混凝土粘度還需要做進一步研究。

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