預制混凝土U型渠槽配合比試驗研究

李記明 宋文浚 呂平 武原生

（山西省水利水電科學研究院 山西太原 030002）

0 引言

為進一步加強農田水利標準化建設，全面提升我省農田水利工程建設水平和管護水平，提高灌溉水的利用率，實現水資源的高效利用。山西省水利水電科學研究院承擔了山西省水利廳科研課題《預制混凝土U型槽槽配合比試驗以及工藝性試驗研究》，蒸養(yǎng)混凝土配合比試驗研究為該課題的核心內容。該課題試點地區(qū)為山西省運城市北趙引黃灌溉區(qū)域；蒸養(yǎng)混凝土配合比試驗研究所采用的原材料取自北趙引黃灌區(qū)。項目要求的預制混凝土U型槽混凝土配合比試驗的設計指標為C25、F100、W6。

1 試驗方案

結合北趙灌區(qū)項目的情況，進行室內預制混凝土配合比試驗研究。首先對相關原材料進行檢測優(yōu)選，包括水泥、粉煤灰、粗細骨料、外加劑等。根據北趙灌區(qū)工程中試廠建設現階段情況和預制混凝土U型槽的生產工藝需要，考慮添加混凝土高效減水劑、早強劑等外加劑做多組次配合比的試驗優(yōu)選，進行室內自密實混凝土的配合比設計試驗研究。并對預制U型槽生產工藝中混凝土的蒸汽養(yǎng)護時的靜養(yǎng)時間、升溫速率、恒溫溫度及時間、降溫速率等參數進行室內模擬試驗優(yōu)選。通過模擬試驗檢測預制混凝土U型槽成型過程中的脫模強度，以及試件的3d、7d、14d、28d抗壓強度，對蒸養(yǎng)混凝土試件的抗凍、抗?jié)B性能進行試驗。最終優(yōu)選能滿足預制U型槽設計要求、同時經濟合理的混凝土配合比參數。

2 原材料的選用

2.1 水泥

預制混凝土U型槽試點地區(qū)為北趙灌區(qū)，故選用山西鋁廠生產的普通硅酸鹽水泥P.042.5。水泥物理力學性能試驗結果詳見表1。各項檢測結果表明，符合標準GB175-2007的要求，滿足試驗研究的使用要求。

表1 水泥物理力學性能

2.2 骨料

2.2.1 細骨料

依據《水工混凝土施工規(guī)范》DL/T5144-2001要求，細骨料宜選用細度模數2.2～3.0（天然砂）的中砂。北趙灌區(qū)區(qū)域細骨料資源匱乏，雖經多方努力仍未找到合適的中砂。對從北趙灌區(qū)、河津船渦砂場和龍門砂場等處取的幾個砂樣分別進行檢測試驗，砂樣顆粒級配屬細砂或特細砂。細砂或特細砂應用于水工建筑配合比合適的話也可以獲得滿意的效果[1]。同時用兩種細骨料做試驗是由于當地細砂資源不足，當細砂不能滿足生產需求時，希望用特細砂替代細砂使用。河津船渦砂場的天然砂砂樣經檢測各項性能指標包括堿活性都合格，選做試驗用的細骨料。細骨料理化性能試驗結果詳見表2。

表2 細骨料理化性能

2.2.2 粗骨料

粗骨料選用5～10 mm、5～20 mm的人工碎石，經優(yōu)選檢測龍門第十一石料廠碎石的堿活性及其他各項理化性能指標都合格，可以滿足試驗要求。

2.3 粉煤灰

河津電廠生產的Ⅰ級粉煤灰和Ⅱ級粉煤灰作為試驗的原材料。Ⅱ級粉煤灰除細度指標在Ⅱ級粉煤灰范圍，其他指標含水率、燒失量、需水量比等都能達到Ⅰ級粉煤灰性能指標要求。

2.4 混凝土外加劑

北趙灌區(qū)預制混凝土U型槽混凝土配合比試驗研究中的外加劑選用萘系早強高效減水劑。廠家為山西晉華水力磨蝕技術研究部，經檢測各項指標符合GB8076—2008要求。

3 試驗過程及結果

3.1 混凝土配合比試驗參數變化范圍

北趙灌區(qū)預制鋼筋混凝土U型槽的設計要求為C25，F100，W6。初步確定預制鋼筋混凝土U型槽的配合比的基本參數和變化范圍如下：

⑴水膠比：變化的幅度范圍為0.35～0.45；

⑵膠凝材料的用量≥320 kg/m3[2]；

⑶粉煤灰摻量：變化的幅度范圍為10%～25%；

⑷砂率：變化的幅度范圍為25%～30%；

⑸蒸養(yǎng)溫度要求50～80℃，蒸養(yǎng)工藝時間周期要求≤12h

3.2 混凝土配合比的拌和試驗

試驗中使用的細骨料為細度模數1.8的細砂或細度模數1.1的特細砂,所以參考有關文獻資料采用了較低的砂率，以減少單位體積的用水量。粗骨料選用5～20 mm連續(xù)級配的碎石，由于細骨料為細砂或特細砂，粗骨料考慮添加少量5～10 mm粒徑的碎石以提高混凝土拌和物的和易性。通過試驗確定不同粉煤灰摻量時水膠比與抗壓強度的關系曲線。拌和物的坍落度選擇了較小的20～40 mm,是考慮到成型膜具在震動臺成型的條件；同時較小的坍落度對混凝土的強度提高比較有利，限于篇幅有限混凝土配合比參數略。

3.3 混凝土試件蒸養(yǎng)及脫模強度試驗

3.3.1 混凝土試件蒸養(yǎng)工藝

為縮短混凝土預制U型槽模具的周轉周期,采用蒸汽養(yǎng)護的工藝。為此我們定制了YH—40B型混凝土可調溫調濕養(yǎng)護箱，來模擬混凝土預制U型槽生產過程中的蒸汽養(yǎng)護工藝，用于加快混凝土試件的快速脫模。

蒸養(yǎng)過程分預養(yǎng)、升溫、恒溫、降溫四個階段。蒸養(yǎng)過程中應嚴格控制升、降溫速率及恒溫溫度,避免內外溫差過大或恒溫溫度過高而導致混凝土開裂和結構變形。

（1）預養(yǎng)階段：預養(yǎng)時間控制在2～3h左右。預養(yǎng)時間過短對混凝土試件的耐久性不利[3]，預養(yǎng)時間過長又會加長模具的周轉期。

（2）升溫階段：控制在2～3h。升溫較快會加大混凝土內部的孔隙，影響抗?jié)B性[4]。

（3）恒溫階段：恒溫保持上下內外的恒溫溫度基本一致，避免較大溫差，降低局部熱沖擊對混凝土的損害。恒溫溫度在試驗中選擇50～80℃試驗；恒溫時間根據同期混凝土試件的試壓強度確定，試驗中恒溫時間選擇在4～6h進行試驗。

（4）降溫階段：均勻降溫,保持濕度。試驗中選擇2～3h. 試驗中發(fā)現溫度79℃恒溫6h,脫模強度可以達到28d強度的70%～80%，但是混凝土試件表面可見細小裂紋，試件脫模也比較困難，說明混凝土熱膨脹比較明顯，不利于預制U型槽的生產。溫度降至65℃恒溫6h,不添加早強劑時脫模強度明顯較低，不能滿足脫模的要求；使用早強高效減水劑效果明顯，脫模強度可以達到28d強度的70%～80%，且混凝土試件表面也未見裂紋現象，脫模也比較順利。恒溫溫度降至55℃恒溫6h,混凝土試件脫模強度下降，不能滿足工藝要求。通過多次試驗，確定靜養(yǎng)時間大于等于2h,升溫時間大于等于2h,65℃恒溫時間大于等于6h,降溫時間大于等于2h，可以獲得比較滿意的蒸養(yǎng)效果。同時需要注意的是，蒸養(yǎng)過程中應對外露的混凝土表面進行覆蓋保護，防止混凝土表面過多進入水分出現脫皮現象?；炷林破访撃：筮€應該進行加濕或浸水養(yǎng)護，以保證混凝土制品的質量。

3.3.2 混凝土試件脫模強度試驗數據

混凝土試件脫模強度試驗采用定制的蒸養(yǎng)混凝土試驗箱進行。試驗采用100 mm×100 mm×100 mm的混凝土試件?；炷猎嚰谘b模成型后靜置2～3h,然后用保鮮膜覆蓋混凝土試件表面以防止混凝土表面凝結水分造成表層水分過量；將試件送入蒸養(yǎng)箱，開始通過水浴加熱升溫，升溫速率20℃/h,升至55～79℃,恒溫4～6h,降溫速率20℃/h，降至室溫即可開始脫模并測試脫模強度。三個試件為一組，可以多成型幾組，脫模后多余的試件可放入標準養(yǎng)護室養(yǎng)護，視成型試件的組數，可以測試3d、7d、14d、28d強度，以分析混凝土強度發(fā)展情況；同時同樣配合比的混凝土試件成型幾組標養(yǎng)試件做為對照組，用來分析研究蒸養(yǎng)混凝土試件與標養(yǎng)混凝土試件的強度的差異；部分蒸養(yǎng)參數和試驗數據見表5。

表5 混凝土試件脫模強度試驗數據

試驗表明摻加Ⅰ級或Ⅱ級粉煤灰對混凝土強度的影響沒有明顯的區(qū)別；粉煤灰的摻量不大于25%的情況下，摻量的變化對強度的影響也不大；蒸養(yǎng)混凝土試件的28d強度明顯低于標養(yǎng)28d強度，說明蒸養(yǎng)過程對混凝土的性能造成了一定程度的損害。蒸養(yǎng)溫度宜低不宜高，盡量減低高溫對混凝土性能的損害。

3.4 混凝土試件耐久性試驗數據

抗?jié)B性能試驗和抗凍性能試驗是在混凝土試件經蒸養(yǎng)脫模后放入標養(yǎng)室滿28d齡期之后進行的?；炷量?jié)B性能試驗是依據《水工混凝土試驗規(guī)程》SL352-2006采用逐級加壓法進行的，試驗結果比較滿意，檢測的混凝土抗?jié)B試件抗?jié)B等級全部達到W6或W6以上，滿足設計要求。詳細試驗數據見表6.

表6 混凝土試件抗?jié)B、抗凍試驗數據

由抗凍性能試驗結果看，除粉煤灰摻量20%的一組外，其余五組配合比的抗凍等級均達到或超過F100的抗凍要求。同時在試驗中還發(fā)現摻Ⅰ級粉煤灰試件抗凍性能明顯高于摻Ⅱ級粉煤灰試件；較低的粉煤灰摻量有利于提高混凝土的抗凍性。

4 結語

試驗研究結果表明，對分別摻加兩種等級粉煤灰的混凝土進行比對，二者在抗壓強度和抗?jié)B性能方面無明顯差異，但在抗凍性能方面二者差異明顯，摻Ⅰ級灰混凝土試件抗凍性能明顯高于摻Ⅱ級灰試件；較低的粉煤灰摻量有利于提高混凝土的抗凍性能。試驗表明，蒸養(yǎng)混凝土的28d強度明顯低于標養(yǎng)混凝土的28d強度，也就是說蒸養(yǎng)過程使得混凝土性能受到了損害。我們還使用聚羧酸減水劑做了試驗，添加聚羧酸減水劑的混凝土，同樣是蒸養(yǎng)混凝土28d強度明顯低于標養(yǎng)混凝土28d強度。不足之處是，由于時間有限我們沒有對蒸養(yǎng)混凝土的90 d強度進行試驗。

通過在實驗室內的多次試驗驗證，針對設計指標為C25、F100、W6的預制混凝土U型槽的推薦混凝土配合比參數見表7。

表7 推薦配合比參數

[1]姚汝方.特細砂水工混凝土配合比試驗研究[J].人民長江，2008,39（18）：84-85.

[2]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.JGJ-2011,普通混凝土配合比設計規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[3]沙克,黃艷春.預養(yǎng)時間對蒸養(yǎng)混凝土耐久性的影響[J].低溫建筑技術，2011(7)：15-16.

[4]耿鍵，彭波，孫家瑛.蒸汽養(yǎng)護制度對水泥石孔結構的影響[J].建筑材料學報，2011,14（1）：116-118.