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调水工程旧混凝土预制板复用的可行性研究

时间:2020-08-12

  摘    要: 在调水工程渠道衬砌改造工程中,将拆除大量旧混凝土衬砌板,如简单作为建筑垃圾填埋处理,会造成资源浪费和生态环境破坏。通过对原有旧板进行检测,确定其中外观尺寸及物理力学指标满足要求的进行回收利用,并在该过程中确定旧板复用所需要检测的数据指标和标准,提出一套快速有效的旧板直接复用的绿色检测方法。文章通过研究调水工程旧混凝土预制板复用的可行性,既解决了建筑垃圾无处存放问题,又实现了建筑垃圾回收和循环再利用,实现资源的优化配置和可持续发展,为施工方案的改进和推广提供具体的案例。

  关键词: 旧混凝土预制板; 调水工程; 渠道衬砌; 再利用;

  1 、研究背景

  1.1、 我国废弃混凝土处理现状

  目前,我国的废弃混凝土除小部分被用作建筑物以及道路的基础垫层外,大部分被运往郊区,采用堆放或填埋的方式进行处理。建筑垃圾对城市发展和人居环境造成了严重危害,主要表现为:日益增长的混凝土需求需要大量开采砂石资源,而且天然岩石资源的长期开采会造成生态破坏、山体滑坡等,危害自然环境;废旧垃圾被直接填埋处理不仅消耗能量,浪费资源,造成砂石资源的匮乏;垃圾堆放占用大量土地资源,影响市容市貌,阻碍城市的发展进程;垃圾的清运工作耗费大量的人力财力,垃圾堆放及运输过程中带来的大量粉尘会造成环境的污染;长时间堆放的垃圾经过雨水的冲刷,其中残留的重金属等有毒物质会造成土壤、水源质量的恶化,危害居民的身心健康。

  1.2 、旧混凝土预制板检测复用的可行性

  山东省引黄济青工程已经建成运行30年,新建胶东地区引黄调水工程也已运行17年。自2014年以来,受厄尔尼诺现象影响,胶东地区连续出现极端气象干旱,工程长期超负荷运行已经成为常态化,给工程的运行管理带来了巨大的压力。同时暴露出的问题还有渠道衬砌受到不同程度的损坏、渠道的过流能力下降等,都直接影响青岛等城市的供水安全。为了解决引黄济青存在的问题,满足引江与引黄的需要,2014年,山东省发展和改革委员会及山东省水利厅联合发布《关于引黄济青改扩建工程初步设计及概算的批复》(鲁发改重点[2014]694号文)。在引黄济青改扩建工程渠道衬砌改造工程中,将拆除衬砌板约24万m3,大量的混凝土旧板处置问题亟待解决;同时根据《山东省引黄济青改扩建工程可行性研究安全鉴定质量检测报告》,在对混凝土强度及抗冻性能抽测结果中,部分旧板强度和抗冻性能达到设计要求,这部分旧板可以利用。

  在引黄济青改扩建渠道衬砌工程第一期实施过程中,已有部分旧混凝土预制板拆除后再利用,此次实验研究结合引黄济青改扩建渠道衬砌工程第二期实施,研究一套可验证、可复制的检测、实施方法,降低工程改扩建升级造成的环境影响,进一步提高旧混凝土预制板的利用效率,降低工程成本。
 

调水工程旧混凝土预制板复用的可行性研究
 

  2 、研究内容

  2.1、 输水渠衬砌现状调研

  为了满足渠道的防渗、护坡、减少糙率的要求,引黄济青工程对新开挖的201.25km渠道进行护坡衬砌,共包括八种衬砌型式,见表1。

  表1 渠道护坡八种衬砌型式
表1 渠道护坡八种衬砌型式

  八种衬砌型式基本分为两类,一是采用预制板衬砌的渠段总长度为151.297km,板的厚度均为6cm,单板平面尺寸分为40cm×60cm和50cm×75cm两种型式,混凝土强度标号均为200号,抗渗S8,在最低蓄水保温水位以上采用抗冻混凝土,标号D150,在保温水位以下采用非抗冻混凝土;二是采用现浇混凝土板衬砌的渠段总长49.953km(包括4.057km喷射混凝土),现浇板厚度6cm、喷射混凝土板厚度5cm,混凝土强度标号为200号、抗渗S8,抗冻标号D150。因此了解原衬砌板的原始质量对板的质量评价、重新使用至关重要。通过查找原始档案资料,对原始施工质量进行罗列评价。本次研究对象为第一类采用预制板衬砌的渠段,选择引黄济青干渠东营段作为试验段。

  2.2 、旧混凝土预制板外观尺质量评价

  通过对引黄济青干渠东营段两侧护坡现状进行调查,虽部分渠道衬砌因冻胀而破坏,且岸坡局部坍塌,但对于旧混凝土预制板本身而言,板体相对完整,断裂、剥蚀的板块占比较少,说明已运行30年的衬砌板预制施工工艺、配合比、强度和抗冻指标满足工程需要,原材料质量满足设计要求。

  2.3、 旧混凝土预制板的物理力学特性分析

  (1)混凝土碳化测试

  混凝土碳化是混凝土所受到的一种化学腐蚀。空气中CO2气渗透到混凝土内,与其碱性物质起化学反应后生成碳酸盐和水,使混凝土碱度降低的过程称为混凝土碳化,又称作中性化。在渗透水经过混凝土时,石灰的溶出速度还将决定于水中是否存在影响Ca(OH)2溶解度的物质,如水中含有Na2SO4及少量Mg2+时,石灰的溶解度就会增加;如水中含有Ca(HCO3)2的Mg(HCO3)2对抵抗溶出侵蚀则十分有利,因此对于素混凝土,碳化还有提高混凝土耐久性的效果。

  碳化厚度检测直接在凿开的旧混凝土预制板表面滴1%的酚酞酒精溶液;用游标卡尺测定没有变色的混凝土的深度,每次读数精确至0.5mm。此次试验共对水上部分的混凝土衬砌板进行了五次测量,临空面测量值为6.98、7.68、6.18、6.34、7.62mm,平均值为6.96mm,另一面基本没有碳化现象。

  (2)致密性测试

  混凝土预制板经多年运行,内部容易出现细小裂纹,空洞,对混凝土的再生利用有一定的影响。因此取混凝土切块采用显微镜测量其致密性和裂纹等缺陷,没有发现再生的裂纹缺陷,混凝土内部致密,小空洞较少。

  (3)强度测试

  对旧混凝土预制板的强度检测采用整板检测和试块检测的方式。其中对整块板检测方法采用回弹法、横波强度法、超声无损测试法。试块检测把衬砌板切割成5cm×5cm×5cm的试块,在压力机上进行抗压强度试验。经检测可知,衬砌板抗压强度在21.3~35.6MPa之间,强度满足要求,经30年的运行,其强度并有增大的趋势。

  (4)旧混凝土预制板吸水率检测

  根据引黄济青旧衬砌板的尺寸切割试块(50mm×50mm×50mm)。试验以24个试件为一组,共按抗冻性能所需试件一共6组。每个试块称重后,将其在20℃±3℃的水中浸泡,浸泡时水面应高出试件顶面20~-30mm,在水中浸泡的时间为4d,通过对比吸水前和吸水后质量,计算吸水率,见表2。

  表2 旧混凝土预制板吸水率试验数据
表2 旧混凝土预制板吸水率试验数据

  由数据可以明显看出引黄济青旧混凝土衬砌板吸水率很低,对于混凝土抗冻融有着显着的优势。

  (5)旧混凝土预制板抗冻性能实验

  (1)旧衬砌板混凝土冻融强度变化实验

  试验以24个试件为一组,在吸水饱和后,承受反复冻融循环,冻融25次,抗压强度损失4.69%;冻融50次,抗压强度损失10.89%;冻融75次,抗压强度损失14.91%;冻融100次,抗压强度损失17.25%;冻融125次,抗压强度损失18.95%;冻融150次,抗压强度损失23.81%。基于引黄济青改扩建工程衬砌板设计C30、F150,冻融试验强度损失不超过25%,运行多年仍然满足混凝土最初设计要求。实验结果见表3。

  表3 旧衬砌板混凝土冻融强度变化实验数据
表3 旧衬砌板混凝土冻融强度变化实验数据

  (2)旧混凝土预制板冻融质量变化实验

  试验以24个试件分为4组,在吸水饱和后,承受反复冻融循环,冻融25次,质量损失率为0.01%;冻融50次,质量损失率为0.30%;冻融75次,质量损失率为0.94%;冻融100次,质量损失率为1.04%;冻融125,质量损失率为1.35%;冻融150次,质量损失率为2.03%。基于引黄济青改扩建工程衬砌板设计C30、F150,由以上数据可知引黄济青旧混凝土预制板冻融后质量损失逐渐增大,但是满足引黄济青预制衬砌板设计指标F150,质量损失率不超过5%,其中冻融150次质量变化试验结果见表4。

  表4 旧混凝土预制板冻融150次质量损失数据
表4 旧混凝土预制板冻融150次质量损失数据

  2.4、 旧混凝土预制板再利用

  通过对混凝土预制板施工时(1988年)质量检测成果分析,板的配合比符合设计要求,强度、抗冻性满足工程要求,具有可再用的基础条件。运行30年后,虽出现岸坡坍塌、隆起等破坏现象,但板完整性较好,板的断裂、剥蚀现象较小,说明现状板的工程性能满足工程防护需要。经对外观尺寸满足衬砌要求的衬砌板取样进行室内试验,对其碳化、强度、密实性和抗冻进行室内试验,其指标符合再利用的条件,可以推广使用。为确保旧板再利用率,旧板在拆除过程中要做到轻拿轻放,尽可能保持预制板完整清洁,避免受到人为破坏。旧板在复用实施过程中要做到集中利用,严禁与新板混搭,以便于得到更全面的验证,为下一步推广使用提供可靠的技术支撑。

  3 、应用实践

  旧板包括渠道最低蓄水保温水位以上部分的抗冻板和其他部分的非抗冻板。在引黄济青改扩建渠道衬砌工程第一期实施过程中,直接复用约30%废旧混凝土衬砌板。在地下水含硫酸根离子量超标的渠段,全部采用抗硫酸盐性混凝土,拆除的旧板可用作防护板安装;在地下水含硫酸根离子量未超标的渠段,渠道最低蓄水保温水位以上部分的30%抗冻板,满足原设计指标C20的表面平整且完整的可铺设于渠底或渠坡底部,其他拆除旧板可用于防护板安装。

  此次试验结合引黄济青改扩建东营段渠道衬砌工程第二期实施,将外观尺寸及物理力学指标满足要求的进行回收利用。一部分旧板用作渠坡衬砌,衬砌结构自下而上是:聚苯乙烯保温板+复合土工膜+M15水工砂浆砌筑旧混凝土板(58cm×38cm×6cm),砌缝3cm;另一部分旧板用作防护板安装;渠底由于采用C30混凝土现浇,不利用旧板。在东营段输水干渠(1500m)实施工程中,旧板拆除1812.5m3、利用746m3(其中防护板安装140m3,渠坡衬砌596m3),旧板综合利用率为41.16%,提高了旧板利用率,减少了旧板外运和废弃处理,降低工程建设成本的同时,保护了生态环境。

  4 、效益分析

  随着科学技术、人类生产水平的提高及对资源环境保护观念的日益重视,旧混凝土预制板复用的综合效益不能单纯以投资成本和收益来衡量,而应该综合考虑经济、社会和环境等综合效益。

  4.1、 经济效益

  引黄济青改扩建工程设计方案中,旧混凝土预制板主要用于衬砌改造堤顶防护板和部分渠段渠底铺设。经研究后将外观尺寸及物理力学指标满足要求的旧混凝土预制板用于渠坡衬砌。通过增加渠坡衬砌用途,提高了引黄济青干渠拆除旧板的利用率,合理利用资源,废旧混凝土的就地利用可以减少垃圾清运过程中产生的人力财力等运输费用,降低了工程建设成本,对于我省乃至全国的混凝土预制板衬砌工程将有重要的指导意义。得到推广应用后,可以产生较大的经济效益。

  4.2 、社会效益

  党的十九大提出“创新、协调、绿色、共享、开放”发展理念,要求各行各业贯彻落实,山东省委省政府研究制定《山东省水安全保障总体规划》,明确提出“尊重自然、顺应自然、保护自然,加强水生态保护与修复,保护水资源”,要求水利工程绿色发展。该项目的顺利实施,较好地贯彻水利工程绿色发展理念,可以有效提高胶东调水工程的输水能力,对胶东四市水资源保障有着重要的政治意义。该项目研究属技术创新,研究成果在水利行业旧混凝土预制板复用中起到示范作用,社会效益显着。

  4.3、 生态效益

  根据引黄济青改扩建工程初步设计方案中描述,旧混凝土预制板作为废料就近埋置在渠道两侧弃土区及取土坑内。废旧混凝土的堆放占用大量土地,威胁人居环境。现通过旧板复用,降低了处置废旧衬砌板所需的土地资源,减少了因旧混凝土预制板裸露、受风化作用影响破碎、生成粉尘颗粒带来的大气和水环境污染;同时减少建材的开采,相应减少了混凝土、骨料等建材的使用量,对生态环境有较好的保护作用。

  5 、结语

  研究表明,旧混凝土预制板检测后复用在实际工程中的应用是完全可行的。试验通过研究提出一套快速有效的旧板直接复用的绿色检测方法,推广至引黄济青改扩建输水渠衬砌改造工程中,为我国已建成调水工程的改建、扩建及恢复供水能力,提供完整的技术资料和可持续、绿色发展的新思路。

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