新孟河界牌水利樞紐工程高性能混凝土應(yīng)用實(shí)踐

吳 忠，戴 健,2，朱炳喜

(1.江蘇省新孟河樞紐工程建管局，江蘇 常州 213000；2.江蘇省太湖地區(qū)水利工程管理處，江蘇 蘇州 215000；3.江蘇省水利科學(xué)研究院，江蘇 揚(yáng)州 225002)

1 工程概況

界牌水利樞紐位于丹陽(yáng)市新孟河入江口，具有引長(zhǎng)江水進(jìn)入太湖、湖西區(qū)，排泄流域上游洪水進(jìn)入長(zhǎng)江等重要功能，是實(shí)現(xiàn)新孟河改善太湖和湖西地區(qū)水環(huán)境、提高流域和區(qū)域防洪排澇標(biāo)準(zhǔn)、增強(qiáng)流域和區(qū)域水資源配置能力等任務(wù)的長(zhǎng)江江邊樞紐節(jié)點(diǎn)控制工程，工程規(guī)模為大(1)型，泵站等別為Ⅰ等，閘室、泵室、上下游翼墻、消力池為1級(jí)水工建筑物。

界牌水利樞紐由節(jié)制閘、泵站和船閘組成，節(jié)制閘共5孔，總凈寬80 m，最大引、排流量為745 m3/s；泵站引、排水流量為300 m3/s，采用9臺(tái)雙向立式軸流泵，“X”型流道；船閘閘室長(zhǎng)度為180 m，閘室及口門寬度為16 m，門檻水深為3.0 m。

界牌水利樞紐工程主體結(jié)構(gòu)混凝土施工前，針對(duì)工程所處環(huán)境特點(diǎn)、設(shè)計(jì)指標(biāo)以及施工期間防裂抗裂要求，開(kāi)展C30高性能混凝土配制技術(shù)研究，研究成果在工程中成功應(yīng)用。

2 混凝土耐久性設(shè)計(jì)

2.1 環(huán)境類別

界牌水利樞紐服役階段混凝土受到的侵蝕作用見(jiàn)表1。

表1 界牌水利樞紐服役階段混凝土受到的侵蝕作用

設(shè)計(jì)文件根據(jù)《水利水電工程合理使用年限及耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范(SL 654—2014)》[1]對(duì)環(huán)境類別劃分方法，底板、墩墻水下部位和工作橋等水上大氣區(qū)構(gòu)件環(huán)境類別為二類，墩墻水位變化區(qū)為三類。

2.2 耐久性設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)文件主要參照《水利水電工程合理使用年限及耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范(SL654—2014)》進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，抗凍等級(jí)為F50，抗?jié)B等級(jí)為W6，鋼筋保護(hù)層設(shè)計(jì)厚度為50 mm。

3 混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 試驗(yàn)原材料

(1)水泥。42.5普通硅酸鹽水泥，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量27.2%，28d抗壓強(qiáng)度47.0MPa，物理力學(xué)性能符合《通用硅酸鹽水泥(GB 175—2007)》的要求。

(2)粗集料。采用兩級(jí)配碎石，其中中石子規(guī)格為16～31.5 mm，小石子規(guī)格為5～16 mm；將中小石子按質(zhì)量比75∶25～65∶35混合使用，配成5～31.5 mm連續(xù)粒級(jí)顆粒級(jí)配，松堆空隙率42%。吸水率0.8%，壓碎值7.5%，針片狀顆粒含量6.5%，含泥量0.2%，無(wú)泥塊。

(3)細(xì)集料。長(zhǎng)江中砂，含泥量小于2%，細(xì)度模數(shù)2.6，顆粒級(jí)配在Ⅱ級(jí)配區(qū)，氯離子含量為0.007%。

(4)粉煤灰。燒失量1.12%，細(xì)度9.4%，三氧化硫含量0.74%，符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰(GB/T 1596—2005)》規(guī)定的Ⅱ級(jí)灰技術(shù)要求。

(5)礦渣粉。為S95?；郀t礦渣粉。

(6)外加劑。為聚羧酸高性能減水劑，與引氣劑復(fù)合組成引氣型減水劑。摻量為混凝土中膠凝材料總量的1.0%～1.6%，1.6%摻量時(shí)減水率為30%。

(7)拌和用水。自來(lái)水。

(8)功能材料。泵站、節(jié)制閘和船閘底板混凝土中摻入抗裂防滲劑，由膨脹劑和聚丙烯抗裂纖維復(fù)合組成；墩墻等結(jié)構(gòu)部位混凝土中摻入纖維素纖維。

3.2 混凝土配制技術(shù)

混凝土配合比采用 “二優(yōu)三低三摻一中”高性能混凝土配制技術(shù)，即優(yōu)選原材料、優(yōu)化配合比,低用水量、低水膠比、較低的水泥用量,雙摻粉煤灰與礦渣粉、摻高性能減水劑，中等偏上的礦物摻合料用量。

混凝土的最大水膠比、膠凝材料用量、用水量等控制指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 混凝土配合比參數(shù)控制指標(biāo)

3.3 混凝土質(zhì)量控制目標(biāo)

參照《高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)指南》[2]，針對(duì)工程所處環(huán)境特點(diǎn)和施工條件等情況，確定混凝土拌合物性能、體積穩(wěn)定性能和耐久性能控制目標(biāo)。

(1)拌合物性能。入倉(cāng)混凝土坍落度為140～160 mm，含氣量為2.5%～4%，黏聚性、保水性良好，無(wú)離析、泌水和板結(jié)等現(xiàn)象。

(2)耐久性能。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件28 d碳化深度不大于10 mm，抗凍等級(jí)不小于F100，抗?jié)B等級(jí)不小于W12，密實(shí)性能按56 d電通量小于1 000C[3]、84 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)小于4.5×10-12m2/s進(jìn)行評(píng)價(jià)。

結(jié)構(gòu)實(shí)體混凝土90 d自然碳化深度不大于2 mm[4]，90 d齡期表面透氣性系數(shù)不大于0.7×10-12m2/s[5]，不產(chǎn)生縫寬大于0.15 mm的溫度裂縫以及表面龜裂縫。

(3)體積穩(wěn)定性能。非接觸法測(cè)試的混凝土自初凝開(kāi)始至72 h收縮率小于300×10-6，刀口法早期抗裂性能試驗(yàn)單位面積上的總開(kāi)裂面積不大于700 mm2/m2。

(4)有害物質(zhì)含量?；炷林兴苄月入x子含量不大于膠凝材料質(zhì)量的0.20%，總堿量不大于3.0 kg/m3，三氧化硫含量不大于膠凝材料總量的4%[6]。

3.4 配合比正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)

3.4.1 正交設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)2組四因素三水平(34)正交試驗(yàn)，其中，1組4個(gè)因素為膠凝材料用量、摻合料摻量、礦渣粉與粉煤灰摻量比例和外加劑摻量，考察指標(biāo)為混凝土拌和物性能、強(qiáng)度、碳化深度；另1組4個(gè)因素為膠凝材料用量、摻合料摻量、抗裂防滲功能材料(纖維素、抗裂防滲劑)和砂率，考察指標(biāo)為拌和物性能、強(qiáng)度、碳化深度、電通量和氯離子擴(kuò)散系數(shù)。

3.4.2 試驗(yàn)結(jié)果

2組正交試驗(yàn)18個(gè)組合的混凝土，試驗(yàn)結(jié)果如下：

(1)混凝土拌和物的坍落度在120～190 cm之間，均具有良好的凝聚性和保水性。

(2)混凝土用水量在144～165 kg/m3之間，水膠比在0.38～0.48之間。第1組正交試驗(yàn)中外加劑摻量、摻合料摻量是影響混凝土用水量的2個(gè)主要因素；第2組正交試驗(yàn)中，在外加劑用量一定時(shí)，砂率和功能材料是影響混凝土用水量的2個(gè)主要因素。

(3)混凝土的抗壓強(qiáng)度均滿足C30配制強(qiáng)度要求，14 d抗壓強(qiáng)度35.0～44.0 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度35.1～47.1 MPa，28 d劈裂抗拉強(qiáng)度1.58～3.72 MPa。

(4)56 d電通量200～782C，85～145 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)0.305×10-12～3.031×10-12m2/s。2組正交試驗(yàn)中摻合料摻量均是影響混凝土電通量的首要因素；在外加劑用量一定時(shí)，膠凝材料用量、摻合料摻量、功能材料和砂率對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響并不顯著。

(5)混凝土28 d碳化深度2.4～18.8 mm，第1組正交試驗(yàn)4個(gè)因素中，膠凝材料用量為影響碳化深度最主要因素，減水劑用量影響次之；第2組正交試驗(yàn)中，膠凝材料用量和摻合料摻量為影響碳化深度的2個(gè)主要因素。

混凝土水膠比與28 d碳化深度之間擬合關(guān)系見(jiàn)式(1)

h=144.63W/B-49.725

(1)

式中，h為混凝土28d碳化深度，mm；W/B為混凝土水膠比。

根據(jù)江蘇省地方標(biāo)準(zhǔn)《水利工程混凝土耐久性技術(shù)規(guī)范》(DB32/T2333—2013)[6]對(duì)設(shè)計(jì)使用年限為100年、50年的混凝土抗碳化性能等級(jí)的規(guī)定，按式(1)計(jì)算混凝土水膠比分別不宜大于0.41、0.48。

3.4.3 摻纖維素纖維對(duì)混凝土抗裂與收縮性能影響

在上述2組正交試驗(yàn)基礎(chǔ)上，進(jìn)行摻纖維素纖維對(duì)混凝土收縮性能和抗裂性能影響試驗(yàn)，混凝土配合比見(jiàn)表3。

表3 刀口抗裂與收縮率試驗(yàn)混凝土配合比

(1)早期抗裂性能。采用《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性試驗(yàn)方法(GB/T 50082—2009)》中的刀口法進(jìn)行混凝土早期抗裂試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 混凝土刀口抗裂試驗(yàn)結(jié)果

表4試驗(yàn)結(jié)果表明：摻入纖維素纖維可有效提高混凝土早期抗裂性能；增加水泥用量，即使降低膠凝材料用量，混凝土早期抗裂性能也略有降低。

(2)早齡期收縮性能。試驗(yàn)采用非接觸式收縮變形測(cè)定儀測(cè)試混凝土早齡期收縮率，反映混凝土單面干燥條件下的總收縮值，包括干縮、自收縮、溫度收縮等，因試件尺寸較小，溫度收縮相對(duì)較低，主要反映早齡期干縮和自收縮情況。96 h收縮率試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 混凝土早期收縮率試驗(yàn)結(jié)果

由圖1可知，混凝土中摻入纖維素纖維，能夠降低早期收縮率；摻入纖維素纖維、降低膠凝材料用量，能夠進(jìn)一步降低早期收縮率。

3.4.4 彈性模量

31#、33#混凝土靜壓彈性模量分別為3.89×104MPa、3.60×104MPa。

3.5 推薦配合比

推薦的界牌水利樞紐混凝土施工配合比見(jiàn)表5。

表5 混凝土施工配合比

4 施工過(guò)程質(zhì)量控制

混凝土施工過(guò)程質(zhì)量控制主要體現(xiàn)在以下方面：

(1)施工單位在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置攪拌站，安排3名專職試驗(yàn)人員進(jìn)行混凝土質(zhì)量檢驗(yàn)，包括原材料質(zhì)量檢驗(yàn)、配合比管理，混凝土坍落度、含氣量以及入倉(cāng)溫度的檢驗(yàn)，混凝土試件的制作、養(yǎng)護(hù)和性能檢驗(yàn)。

(2)購(gòu)置常規(guī)優(yōu)質(zhì)原材料，為實(shí)現(xiàn)混凝土用水量和水膠比控制目標(biāo)、實(shí)現(xiàn)混凝土高性能化提供基礎(chǔ)。界牌水利樞紐工程施工期間，正值砂石供應(yīng)緊張，優(yōu)質(zhì)河砂更是緊俏，項(xiàng)目部墊付大量資金提前存儲(chǔ)砂石材料，高峰期間儲(chǔ)存量達(dá)到14萬(wàn)t。

通水驗(yàn)收前粗細(xì)骨料共檢驗(yàn)703批次，檢驗(yàn)結(jié)果黃砂的細(xì)度模數(shù)為2.5～2.7，含泥量1.0%～1.8%，無(wú)泥塊含量；碎石含泥量0.5%～0.8%，無(wú)泥塊含量；粗細(xì)骨料其他性能指標(biāo)均符合《水利工程預(yù)拌混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(DB32/T 3261—2017)的要求。

水泥為泰州海螺水泥集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的42.5普通硅酸鹽水泥，粉煤灰為國(guó)電江蘇諫壁發(fā)電有限公司粉煤灰開(kāi)發(fā)公司生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰，礦渣粉為常州市礴海建材有限公司生產(chǎn)的S95礦渣粉，減水劑為南京優(yōu)爾西外加劑有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑，并復(fù)合引氣劑、緩凝劑，減水率達(dá)到28%～30%，且與膠凝材料之間具有良好的相容性。水泥、粉煤灰、礦渣粉、外加劑共檢驗(yàn)420批次，品質(zhì)均符合相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的要求。

(3)摻聚羧酸高性能減水劑的混凝土拌和物工作性能對(duì)用水量較為敏感，混凝土生產(chǎn)過(guò)程中用水量控制尤其重要，采取粗細(xì)骨料堆棚堆放、減少含水率的波動(dòng)、遇下雨等天氣增加含水率檢測(cè)頻次并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果及時(shí)調(diào)整用水量等措施，提高混凝土拌合物質(zhì)量穩(wěn)定性。

(4)主體結(jié)構(gòu)混凝土澆筑施工歷經(jīng)春、夏、秋、冬4個(gè)季節(jié)，泵站和節(jié)制閘底板等結(jié)構(gòu)部位為高溫季節(jié)施工，泵站出水流道、輔機(jī)層和閘墩等結(jié)構(gòu)部位主要在低溫季節(jié)施工，分別制定夏季和冬季混凝土施工方案，采取夏季和冬季特殊季節(jié)施工針對(duì)性技術(shù)措施。

(5)泵站底板、站墩、節(jié)制閘底板、閘墩、翼墻、船閘閘首等結(jié)構(gòu)屬于大體積混凝土，混凝土有防裂要求。設(shè)計(jì)在底板中摻入抗裂防滲劑、墩墻中摻入纖維素纖維，提高混凝土早期的體積穩(wěn)定性和抗裂能力。建設(shè)單位委托揚(yáng)州大學(xué)開(kāi)展泵站底板和站墩施工期溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)仿真計(jì)算分析，認(rèn)為采用水管冷卻措施，混凝土溫度峰值降低約10℃，減少了里表溫差，降低了溫度應(yīng)力；采取通水冷卻、表面保溫措施，可以進(jìn)一步降低溫度應(yīng)力。

根據(jù)仿真計(jì)算分析結(jié)果，站墩、閘墩等結(jié)構(gòu)布置冷卻水管，同一水平層平行布置2根，豎向距離為0.9 m，每根冷卻水管長(zhǎng)度為150～200 m，混凝土澆筑完畢即開(kāi)始通水，管中水流速度0.6 m/s。

(6)適當(dāng)延長(zhǎng)帶模養(yǎng)護(hù)時(shí)間，保證早期混凝土表面不失水，還可有效防止早期拆模后混凝土表面因溫度和濕度急劇變化，引起混凝土溫度應(yīng)力增加。一般帶模養(yǎng)護(hù)時(shí)間在10 d以上，拆模后混凝土表面涂刷養(yǎng)護(hù)劑保水養(yǎng)護(hù)。

5 應(yīng)用效果

5.1 實(shí)體結(jié)構(gòu)混凝土質(zhì)量

5.1.1 強(qiáng)度

施工單位檢驗(yàn)925組主體結(jié)構(gòu)C30混凝土試件的抗壓強(qiáng)度，14個(gè)統(tǒng)計(jì)批抗壓強(qiáng)度平均值在39.6～41.6 MPa之間，均方差0.97～2.02 MPa，最低強(qiáng)度為35.3 MPa，14個(gè)統(tǒng)計(jì)批混凝土抗壓強(qiáng)度判定為合格。

采用回彈法檢測(cè)實(shí)體結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度，泵站底板、站墩、節(jié)制閘閘墩、船閘13～32 d回彈強(qiáng)度推定值35.2～49.4 MPa。

5.1.2 碳化深度

實(shí)體混凝土碳化深度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表6。根據(jù)自然碳化時(shí)間和鋼筋保護(hù)層設(shè)計(jì)厚度推算混凝土碳化至鋼筋表面時(shí)間，按85%的保證率預(yù)測(cè)碳化至鋼筋表面時(shí)間見(jiàn)表6。

表6 實(shí)體結(jié)構(gòu)混凝土自然碳化深度與碳化至鋼筋表面預(yù)測(cè)時(shí)間

5.1.3 表面透氣性系數(shù)

氣體在壓力作用下滲入到混凝土微細(xì)孔中，透氣性被認(rèn)為與混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，采用瑞士Proceq公司生產(chǎn)的Torrent氣體滲透性測(cè)試儀測(cè)試混凝土表面透氣性，并計(jì)算出表面透氣性系數(shù)，用于現(xiàn)場(chǎng)混凝土質(zhì)量控制、評(píng)價(jià)表層混凝土密實(shí)性，并被用作結(jié)構(gòu)混凝土的耐久性能指標(biāo)。

根據(jù)透氣性系數(shù)對(duì)混凝土表面質(zhì)量進(jìn)行分級(jí)與質(zhì)量評(píng)估見(jiàn)表7。

表7 混凝土表面質(zhì)量等級(jí)與透氣性系數(shù)指標(biāo)

閘墩、泵站站墩混凝土表面透氣性系數(shù)測(cè)試結(jié)果及表面質(zhì)量等級(jí)評(píng)價(jià)見(jiàn)表8。

表8 混凝土表面透氣性系數(shù)測(cè)試結(jié)果與表面質(zhì)量等級(jí)評(píng)價(jià)

5.2 碳化深度

依據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL352—2006)檢驗(yàn)閘墩、站墩等結(jié)構(gòu)部位混凝土碳化深度，結(jié)果見(jiàn)表9。

表9 混凝土碳化深度試驗(yàn)結(jié)果

5.3 密實(shí)性能

依據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL352—2006)檢驗(yàn)混凝土電通量和氯離子擴(kuò)散系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表10，測(cè)試結(jié)果表明混凝土有良好的密實(shí)性能。

表10 混凝土電通量和氯離子擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

5.4 抗凍、抗?jié)B性能

混凝土抗凍性能達(dá)到F100，抗?jié)B性能達(dá)到W12。

5.5 混凝土高性能化評(píng)價(jià)

文獻(xiàn)[7]在《高性能混凝土評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(JGJ/T 385—2015)》基礎(chǔ)上，針對(duì)水工混凝土特點(diǎn)增加實(shí)體結(jié)構(gòu)混凝土質(zhì)量評(píng)價(jià)內(nèi)容，對(duì)節(jié)制閘閘墩、泵站站墩混凝土進(jìn)行高性能化評(píng)價(jià)。

5.5.1 單方面評(píng)價(jià)

(1)控制項(xiàng)全部滿足要求。

(2)評(píng)分項(xiàng)得分，結(jié)果匯總于表11。5個(gè)單方面的評(píng)價(jià)結(jié)果均為合格。

表11 高性能混凝土評(píng)分項(xiàng)得分匯總表

5.5.2 高性能混凝土評(píng)價(jià)

(1)混凝土評(píng)價(jià)得分，見(jiàn)表12。

表12 高性能混凝土評(píng)價(jià)總得分

(2)評(píng)價(jià)閘墩、站墩混凝土實(shí)現(xiàn)高性能化。

6 結(jié) 語(yǔ)

新孟河延伸拓浚工程界牌水利樞紐工程混凝土采用優(yōu)選原材料、優(yōu)化配合比、低用水量、低水膠比和中等礦物摻合料配制技術(shù)，加強(qiáng)施工過(guò)程混凝土質(zhì)量控制、帶模養(yǎng)護(hù)等質(zhì)量控制措施，是實(shí)現(xiàn)中低強(qiáng)度等級(jí)混凝土高性能化主要施工技術(shù)措施。對(duì)結(jié)構(gòu)實(shí)體混凝土的回彈強(qiáng)度、早期自然碳化深度、表面透氣性系數(shù)以及標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件的抗壓強(qiáng)度、碳化深度、電通量、氯離子擴(kuò)散系數(shù)、抗凍性能、抗?jié)B性能等試驗(yàn)，多項(xiàng)性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果表明混凝土達(dá)到規(guī)范對(duì)百年壽命混凝土的耐久性能要求。經(jīng)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和實(shí)體結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)，混凝土實(shí)現(xiàn)高性能化。