水庫大壩混凝土膠凝材料研究

高章榮

（贛州市天鷹勘測設計有限公司，江西 贛州 341000）

0 引言

混凝土配合比設計過程中膠凝材料體系的優(yōu)化設計目的是在一定程度上降低膠凝材料的水化熱，確保膠凝材料體系的強度保持不變甚至略有提升。降低水化熱行之有效的措施是引入低熱膠凝材料取代高熱膠凝材料，為膠凝材料體系優(yōu)化以及低熱高性能混凝土性能研究提供理論依據(jù)。高性能混凝土在施工過程中要求混凝土具有良好的和易性，易于施工，不出現(xiàn)和易性差導致的堵管問題。同時高性能混凝土也要求混凝土不同齡期的抗壓強度滿足設計要求，甚至達到更高的強度值。優(yōu)質(zhì)粉煤灰、礦粉可以顯著降低體系水化放熱量，避免混凝土內(nèi)部劇烈溫升，同時優(yōu)化膠凝材料比例，針對工程存在的基本性能較差、抗壓強度較低等問題，通過測試流動度、倒筒時間、不同齡期抗壓強度等關(guān)鍵指標，開展大壩高性能混凝土技術(shù)攻關(guān)。

1 工程概況

某大壩為混凝土重力壩，壩頂長度為503.1 m，壩高最高為66.2 m，相應的擋水位為59.6 m，按大壩尺寸算，該工程混凝土為大體積混凝土，由于壩體鋼筋結(jié)構(gòu)密集復雜，異形腔較多，要求為高性能混凝土。而施工過程中混凝土基本性能較差，同時，混凝土實體結(jié)構(gòu)部分點位抗壓強度富裕值低，甚至出現(xiàn)強度不達標等問題。

2 試驗原材料

試驗水泥為P·O 42.5級水泥，測試標準稠度需水量27.4%，膠砂3 d抗壓強度28.6 MPa，28 d抗壓強度52.6 MPa；試驗粉煤灰為I級粉煤灰，細度4.8%，燒失量1.7%，需水量比92%；試驗礦粉比表面積420 m2/kg，膠砂7 d活性指數(shù)82%，28 d活性指數(shù)99%；試驗硅灰需水量比117%，膠砂7 d活性指數(shù)達111%；試驗中粗河砂，細度模數(shù)2.8，含泥量1.5%，碎石5～16 mm連續(xù)級配，含泥量0.5%；外加劑為聚羧酸高效外加劑，固含量20.5%，減水率21%；水為飲用水。

3 高性能混凝土配合比設計

膠凝材料用量初步確定為540～560 kg/m3，粉煤灰取代范圍0～40%，硅灰取代范圍0～5.6%，礦粉取代范圍0～30%，通過調(diào)整聚羧酸減水劑不同組分的搭配比例，達到調(diào)整混凝土和易性的目的，同時對比不同膠凝材料用量的影響，優(yōu)選合理膠凝材料用量，具體配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比

4 實驗結(jié)果分析

4.1 不同因素對高性能混凝土基本性能的影響

研究不同膠凝材料用量及不同礦物摻合料取代率對于混凝土流動度、倒筒時間等關(guān)鍵指標的影響，具體測試結(jié)果見表2。

表2 混凝土性能測試

隨著粉煤灰摻量的不斷增加，混凝土流動性呈現(xiàn)先增加后基本不變的趨勢，主要由于粉煤灰的球形顆粒作用；隨著硅灰摻量的增加，混凝土粘聚性逐漸優(yōu)異，混凝土擴展度呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，主要由于硅灰的球形顆粒作用；隨著礦粉摻量的增加，混凝土擴展度并未有顯著改善。當膠凝材料用量為560 kg/m3，粉煤灰摻量為20%時，當硅灰摻量為3.6%時，混凝土流動性好，粘聚性好，倒筒時間3.5 s。

圖1 不同因素對高性能混凝土流動性能的影響

4.2 不同因素對高性能混凝土抗壓強度的影響

研究礦物摻合料中不同取代率對于混凝土不同齡期抗壓強度的影響，具體測試結(jié)果見圖2。

圖2 混凝土不同齡期抗壓強度

由圖2可知，膠凝材料用量為560 kg/m3時，混凝土不同齡期抗壓強度要略高于540 kg/m3用量，不同礦物摻合料對于不同齡期的抗壓強度影響也不相同，硅灰主要提供早期強度，礦粉提供中期強度，粉煤灰提供后期強度。主要由于不同礦物摻合料水化速率不同，錯峰水化，勻速進行。當膠凝材料用量為560 kg/m3，粉煤灰摻量為20%，硅灰摻量為3.6%，礦粉摻量為20%時，混凝土不同齡期抗壓強度達到最佳值，3 d抗壓強度為28.4 MPa，7 d抗壓強度為43.7 MPa，28 d抗壓強度為58.3 MPa，60 d抗壓強度為63.7 MPa。

4.3 高性能混凝土模擬應力監(jiān)測研究

研究模擬混凝土實體結(jié)構(gòu)中膠凝材料用量及相應搭配比例下不同監(jiān)測點應力變化情況。試塊開展應力監(jiān)測，確定設計配合比可行性。

圖3 實體監(jiān)測點7 d應力監(jiān)測情況

圖4 實體監(jiān)測點28 d應力監(jiān)測情況

從應力監(jiān)測情況看，7 d絕大多數(shù)監(jiān)測點均低于劈裂抗拉強度，少數(shù)點高于劈裂抗拉強度，存在一定的開裂風險，但風險較低；28 d只有3個監(jiān)測點應力高于劈裂抗拉強度，開裂風險極低，說明該膠凝材料用量下的礦物摻合料比例是合理的。主要由于粉煤灰、礦粉對水泥進行等比例取代，低水化熱取代高水化熱材料，整體反應平穩(wěn)，熱量不聚集，大幅度降低開裂風險。

5 結(jié)論

（1）優(yōu)質(zhì)粉煤灰、硅灰的引入，對于改善混凝土流動性、粘聚性、保水性具有重要作用。由于粉煤灰不斷與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生反應，因此可提供長齡期60 d及以上抗壓強度，當粉煤灰摻量20%、硅灰摻量3.6%時，混凝土流動性、粘度及長期強度基本達到最優(yōu)值。

（2）礦粉對于改善混凝土中期（28 d）強度具有重要作用。由于在堿性條件下可激發(fā)礦粉活性，形成致密的水化產(chǎn)物，增加整體結(jié)構(gòu)密實性，因此，礦粉的引入顯著改善混凝土中期抗壓強度，當?shù)V粉摻量達到20%時，混凝土28 d抗壓強度達到最優(yōu)值。

（3）通過對混凝土開展應力監(jiān)測試驗，對不同監(jiān)測點開展7 d、28 d應力監(jiān)測。結(jié)果表明，28 d各點應力基本處于劈裂抗拉強度以下，表明基本無開裂風險。因此，通過優(yōu)選后確定總膠凝材料用量及礦物摻合料最佳搭配比例為：膠凝材料用量為560 kg/m3，粉煤灰摻量20%、硅灰摻量3.6%、礦粉摻量20%。