錨具槽填充用微膨脹自密實(shí)混凝土試驗(yàn)研究

高曙光，王少江,2，李秀琳,2

(1.北京中水科海利工程技術(shù)有限公司，北京 100038; 2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 材料研究所，北京 100038)

1 概 述

無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)已廣泛應(yīng)用于我國(guó)各類(lèi)水利水電工程，但在長(zhǎng)距離有壓輸水隧洞中的應(yīng)用還較少，其結(jié)構(gòu)耐久性仍然是工程設(shè)計(jì)人員關(guān)注的重要問(wèn)題之一。錨具槽作為錨固端，既是預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的重要組成部分，也是錨頭最后的保護(hù)層，實(shí)現(xiàn)其密實(shí)填充是保障預(yù)應(yīng)力錨索長(zhǎng)期耐久和正常工作的前提條件。目前，錨具槽常用普通混凝土填充，由于材料固有特性和錨具槽內(nèi)錨索密集、充填間隙小等原因，國(guó)內(nèi)已有工程出現(xiàn)錨具槽混凝土振搗不密實(shí)或開(kāi)裂脫空，外部介質(zhì)從開(kāi)裂脫空部位進(jìn)入槽內(nèi)可對(duì)錨頭和預(yù)應(yīng)力筋造成腐蝕，造成預(yù)應(yīng)力降低，影響結(jié)構(gòu)安全。為解決錨具槽密封性問(wèn)題，本研究針對(duì)某引水工程有壓隧洞工程需求，通過(guò)開(kāi)發(fā)具有微膨脹特性的自密實(shí)混凝土用于錨具槽回填，同時(shí)利用混凝土的自流平特性密實(shí)填充，利用微膨脹特性改變混凝土硬化過(guò)程中的收縮特性，以期大幅度提高錨具槽整體密封性，解決無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的安全耐久問(wèn)題。

2 試驗(yàn)原材料

本研究采用撫順中熱水泥，其品質(zhì)性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1和表2。粉煤灰采用宣威Ⅰ級(jí)粉煤灰，其品質(zhì)性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3和表4。膨脹劑選用天津豹鳴公司和唐山北極熊特種水泥公司的膨脹劑，化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5和表6。減水劑和引氣劑采用江蘇博特新材料公司的JM-PCA高性能減水劑和JM-2000引氣劑，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表7。

表1 撫順中熱水泥的品質(zhì)檢測(cè)結(jié)果

表2 撫順中熱水泥的化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果 /%

表3 宣威粉煤灰的品質(zhì)檢測(cè)結(jié)果 /%

表4 宣威粉煤灰的化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果 /%

表5 膨脹劑的化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果 /%

表6 膨脹劑的品質(zhì)檢測(cè)結(jié)果

表7 減水劑檢測(cè)結(jié)果

砂石骨料采用工程用河砂和灰?guī)r小石，以及人工砂和花崗巖小石，試驗(yàn)前將小石過(guò)篩成5～15 mm粒徑，河砂和人工砂過(guò)5 mm篩。河砂和人工砂細(xì)度模數(shù)均大于3.0，屬于粗砂。砂石骨料的品質(zhì)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 砂石骨料的品質(zhì)檢測(cè)結(jié)果

3 混凝土配合比優(yōu)選試驗(yàn)

本項(xiàng)目C40混凝土的配制強(qiáng)度為48.2 MPa。為了便于澆筑和填充密實(shí)，T500時(shí)間控制為8～10 s，坍落擴(kuò)展度控制為550～650 mm，膨脹率控制為0～0.01%(水中28d)。耐久性按照F100抗凍要求，含氣量控制為2.5%～3.5%。

經(jīng)對(duì)17組配合比進(jìn)行試驗(yàn)，水膠比為0.36～0.44，膠材總量466～583 kg/m3，粉煤灰摻量20%～30%，減水劑摻量0.8%～2.0%，引氣劑摻量0.004 0%～0.045 0%，砂率54.0%～57.3%，17組配合比的T500時(shí)間、坍落擴(kuò)展度、拌和物含氣量均能滿足要求。V漏斗通過(guò)時(shí)間為23～38 s，容重為2 267～2 311 kg/m3。通過(guò)試驗(yàn)可知，粉煤灰摻量達(dá)到25%以上時(shí)抗壓強(qiáng)度降低較大，因此選用25%的粉煤灰摻量，同時(shí)選用低于0.52的水膠比即可滿足強(qiáng)度要求。據(jù)此初選0.40水膠比、25%粉煤灰摻量進(jìn)行膨脹劑摻量和品種、骨料組合的優(yōu)選試驗(yàn)，其抗壓強(qiáng)度見(jiàn)圖1。

圖1 膨脹劑用量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響分析

由抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果可知，膨脹劑用量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響不大，因此可以根據(jù)混凝土限制膨脹率選擇膨脹劑的合適摻量，不對(duì)抗壓強(qiáng)度相對(duì)高低進(jìn)行比較。限制膨脹率試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2，由圖2可知其與膨脹劑用量基本是線性關(guān)系。限制膨脹率的不收縮最低用量，對(duì)豹鳴膨脹劑為22 kg/m3，對(duì)北極熊膨脹劑為15 kg/m3；用量達(dá)到30 kg/m3左右時(shí)，兩種膨脹劑的限制膨脹率接近。

圖2 兩種膨脹劑的用量與限制膨脹率的關(guān)系分析

在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考察摻膨脹劑后的最佳水膠比和粉煤灰摻量變化情況。采用豹鳴膨脹劑，固定膨脹劑用量為20 kg/m3，結(jié)果表明粉煤灰摻量達(dá)到25% 以上時(shí)抗壓強(qiáng)度降低較大，因此選用25%的粉煤灰摻量。這時(shí)為保證配制強(qiáng)度48.2 MPa，經(jīng)對(duì)28 d齡期膨脹混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，選用低于0.42水膠比才可滿足強(qiáng)度要求，比前述素混凝土的水膠比0.52低了不少。經(jīng)綜合考慮，選用水膠比為0.40比較合適。

4 微膨脹自密實(shí)混凝土性能試驗(yàn)

在以上優(yōu)選試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選用北極熊膨脹劑和人工砂、花崗巖小石進(jìn)行性能試驗(yàn)。試驗(yàn)水膠比0.40，粉煤灰摻量25%，膨脹劑用量30 kg/m3，性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3-圖5。限制膨脹率是在一直泡水的條件下進(jìn)行試驗(yàn)，自生體積變形試件在成型后立即密封，二者均在標(biāo)準(zhǔn)溫度下養(yǎng)護(hù)。

微膨脹自密實(shí)混凝土的限制膨脹率曲線見(jiàn)圖3。北極熊膨脹劑在7 d左右完全反應(yīng)，限制膨脹率達(dá)到最大為89×10-6，其后由于水泥的繼續(xù)水化的化學(xué)減縮作用，混凝土限制膨脹率略降低，20 d后基本保持穩(wěn)定。

圖3 微膨脹自密實(shí)混凝土的限制膨脹率曲線

微膨脹自密實(shí)混凝土自生體積變形曲線見(jiàn)圖4。到50 d測(cè)長(zhǎng)齡期時(shí)，混凝土的自生體積變形已基本穩(wěn)定，最終自變值為正的65×10-6左右，表明與外界無(wú)水份交換的情況下混凝土為膨脹型。

圖4 自生體積變形曲線

微膨脹自密實(shí)混凝土干縮變形曲線見(jiàn)圖5。90 d干縮為570×10-6，比一般混凝土大，這和膠凝材料用量較多和摻膨脹劑有關(guān)。因此，對(duì)摻膨脹劑混凝土一定要加強(qiáng)保濕養(yǎng)護(hù)。當(dāng)然，干縮的試驗(yàn)條件比實(shí)際要嚴(yán)酷，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)2 d后拆模放入20±2℃、相對(duì)濕度60%±5%的環(huán)境中進(jìn)行試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，混凝土不可能澆筑2 d后就開(kāi)始干燥失水收縮。

圖5 干縮曲線

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，微膨脹自密實(shí)混凝土配合比的最優(yōu)水膠比為0.40，粉煤灰最大摻量25%，膨脹劑最少用量30 kg/m3。拌和物性能：T500時(shí)間8～10 s，坍落擴(kuò)展度550～650 mm，含氣量2.5%～3.5%。應(yīng)加強(qiáng)微膨脹自密實(shí)混凝土的保濕養(yǎng)護(hù)，并盡可能延長(zhǎng)保濕養(yǎng)護(hù)的時(shí)間，以利于膨脹劑性能的發(fā)揮，提高錨固可靠度。工地現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，采用上述基礎(chǔ)配合比能夠配制出具有微膨脹特性的自密實(shí)混凝土，膨脹性主要發(fā)生在水化初期，實(shí)體錨具槽填充效果好，混凝土澆筑方便，硬化后外觀質(zhì)量良好。

致謝

本文得到新疆2019-2021年院士工作站合作研究項(xiàng)目新疆水專(zhuān)項(xiàng)(2020.C-004)的支持。