某水利樞紐工程中高性能混凝土應(yīng)用實(shí)踐研究

李建敏

(廣東省惠州市大程工程質(zhì)量檢測(cè)中心有限公司，廣東 惠州 506001)

0 引 言

高性能混凝土廣泛應(yīng)用于高層建筑、海底隧道、大跨度橋梁以及水利樞紐等項(xiàng)目中，性能優(yōu)異，后期耐久性強(qiáng)。但在水利工程項(xiàng)目應(yīng)用過(guò)程中，由于結(jié)構(gòu)特殊性以及應(yīng)用環(huán)境要求的嚴(yán)格性，施工過(guò)程中容易出現(xiàn)混凝土和易性差導(dǎo)致的堵管、蜂窩以及溫升導(dǎo)致的裂縫等質(zhì)量問(wèn)題，大部分問(wèn)題與混凝土本身材料選取以及配合比設(shè)計(jì)相關(guān)，也離不開(kāi)施工工藝的影響，劣質(zhì)礦物摻合料無(wú)法形成良好的水化反應(yīng)，達(dá)不到降溫的目的，容易形成溫度應(yīng)力，導(dǎo)致開(kāi)裂。

高性能混凝土在施工過(guò)程中要求混凝土具有良好的和易性能，即具備良好的流動(dòng)性、黏聚性、保水性，針對(duì)異性、復(fù)雜、密集鋼筋結(jié)構(gòu)，保持良好的通過(guò)率，不形成石頭堆積[1]。優(yōu)化混凝土原材料配合比，探索礦物摻合料取代率，針對(duì)工程施工過(guò)程中存在的和易性差導(dǎo)致的堵管、溫度應(yīng)力導(dǎo)致的裂縫等問(wèn)題，通過(guò)測(cè)試擴(kuò)展度、倒筒時(shí)間以及水化溫升等關(guān)鍵指標(biāo)，開(kāi)展高性能混凝土性能研究。

1 工程概況

某水利樞紐工程主要結(jié)構(gòu)為導(dǎo)流堤、擋潮泄洪閘以及左右岸連接壩等，結(jié)構(gòu)中擋潮泄洪閘的總凈寬度為630m，共設(shè)置30孔，閘孔凈寬度為21m。按工程尺寸算，該工程混凝土為大體積混凝土，要求混凝土具有良好的和易性和耐久性能。但項(xiàng)目在澆筑過(guò)程中，由于結(jié)構(gòu)鋼筋密集復(fù)雜，混凝土和易性差，不能全部通過(guò)鋼筋，出現(xiàn)石頭堆積的情況，導(dǎo)致拆模后實(shí)體表面出現(xiàn)蜂窩問(wèn)題，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的安全性。

2 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)水泥為P·O42.5級(jí)水泥，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量28.0%，3d抗壓強(qiáng)度28.6MPa，28d抗壓強(qiáng)度52.8MPa；試驗(yàn)微珠，細(xì)度5.4%，燒失量1.6%，需水量比91%；試驗(yàn)礦粉比表面積418m2/kg，7d活性指數(shù)85%，28d活性指數(shù)101%；試驗(yàn)硅灰需水量比125%，7d活性指數(shù)達(dá)110%；試驗(yàn)中粗河砂，細(xì)度模數(shù)2.5-2.7，含泥量1.9%，碎石5-16mm連續(xù)級(jí)配，含泥量0.6%；外加劑為聚羧酸高效外加劑，固含量19.4%，減水率22%；水為飲用水。

3 高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)

高性能混凝土要求混凝土具有良好的流動(dòng)性及自密實(shí)性能，間隙不出現(xiàn)堆積等問(wèn)題，混凝土不分層、不離析、不泌水，通過(guò)優(yōu)化混凝土原材料配合比，優(yōu)化礦物摻合料替代率，改善混凝土流動(dòng)性、黏聚性、保水性，施工性能優(yōu)良。粉料總用量為540kg/m3，微珠取代范圍0%-40%，硅灰取代率4.6%，礦粉取代范圍0-30%，通過(guò)調(diào)整聚羧酸減水劑不同組分的搭配比例，達(dá)到調(diào)整混凝土和易性的目的，具體配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比 kg/m3

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 高性能混凝土和易性影響因素研究

針對(duì)項(xiàng)目出現(xiàn)的和易性差導(dǎo)致的堵管、溫度應(yīng)力導(dǎo)致的裂縫質(zhì)量問(wèn)題，研究礦物摻合料中微珠、硅灰、礦渣取代率對(duì)于混凝土流動(dòng)度、倒筒時(shí)間等和易性關(guān)鍵指標(biāo)的影響，具體測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。不同因素對(duì)大流態(tài)混凝土流動(dòng)度的影響，見(jiàn)圖1。

表2 混凝土性能測(cè)試

圖1 不同因素對(duì)大流態(tài)混凝土流動(dòng)度的影響

研究結(jié)果表明，隨著礦渣摻量的增加，混凝土擴(kuò)展度并未有顯著改善，表明礦渣摻入并未對(duì)和易性有貢獻(xiàn)。硅灰的加入可以顯著改善混凝土的黏聚性，降低黏度；隨著微珠摻量的增加，混凝土擴(kuò)展度呈現(xiàn)先增加后基本不變的趨勢(shì)，表明微珠超過(guò)最佳值，滾珠效應(yīng)改善不明顯；當(dāng)微珠摻量為20%時(shí)，當(dāng)硅灰摻量為4.6%時(shí)，混凝土整體黏度下降明顯，倒筒時(shí)間明顯降低，倒筒時(shí)間為3.3s，施工性能良好。

4.2 高性能混凝土抗壓強(qiáng)度影響因素研究

研究微珠、礦粉等礦物摻合料不同取代率對(duì)于混凝土不同齡期抗壓強(qiáng)度的影響，具體測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3，混凝土不同齡期抗壓強(qiáng)度，見(jiàn)圖2。

表3 混凝土抗壓強(qiáng)度

圖2 混凝土不同齡期抗壓強(qiáng)度

研究結(jié)果表明，礦物摻合料對(duì)于改善混凝土強(qiáng)度的具有顯著作用，性價(jià)比較高。硅灰作為活性高的礦物摻合料，主要貢獻(xiàn)早期強(qiáng)度，礦渣和微珠主要貢獻(xiàn)中期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度，由于硅灰、微珠、礦粉的水化速率不同，因此體系可以勻速進(jìn)行水化反應(yīng)。隨著礦渣摻量增加，混凝土中期強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后基本不變的趨勢(shì)；當(dāng)摻量超過(guò)20%時(shí)，中齡期強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度基本保持不變；隨著微珠摻量的不斷增加，混凝土60d抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后不變的趨勢(shì)，當(dāng)摻量超過(guò)20%時(shí)，長(zhǎng)齡期強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度基本保持不變。

4.3 高性能混凝土水化放熱研究

開(kāi)展實(shí)體模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)混凝土內(nèi)部水化溫升變化規(guī)律進(jìn)行同步模擬，通過(guò)摻入礦物摻合料，延緩水化放熱速率，避免由于局部溫升過(guò)高導(dǎo)致的溫度裂縫出現(xiàn)。確定體系水化放熱速率與水化放熱量[2]。

隨著礦渣摻量不斷增加，整體水化放熱速率保持逐漸降低的態(tài)勢(shì)。當(dāng)摻量達(dá)到30%時(shí)，放熱峰也隨之降低，但降低幅度不在明顯。從結(jié)果發(fā)現(xiàn)，整個(gè)體系誘導(dǎo)期放熱速率并未出現(xiàn)顯著變化。從加速期開(kāi)始，隨著礦渣取代率逐漸升高，礦渣與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生二次水化反應(yīng)的時(shí)間明顯延緩，體系水化放熱勻速進(jìn)行，水化放熱量不會(huì)出現(xiàn)短期聚集，規(guī)避混凝土內(nèi)部溫升形成溫度應(yīng)力，避免溫度應(yīng)力導(dǎo)致的裂縫出現(xiàn)，混凝土拆模效果良好，基本無(wú)龜裂。不同礦渣摻量水化放熱測(cè)試結(jié)果，見(jiàn)圖3。

圖3 不同礦渣摻量水化放熱測(cè)試結(jié)果

5 結(jié) 論

1)混凝土和易性改善方面，微珠和硅灰發(fā)揮了顯著效果，隨著微珠摻量的增加，混凝土流動(dòng)度呈現(xiàn)先增加后基本不變的趨勢(shì)，黏度呈現(xiàn)先下降后基本不變的趨勢(shì)。由于微珠的滾珠效應(yīng)達(dá)到極限，摻量高并不能顯著改善和易性，同時(shí)，由于微珠有效成分和水泥水化產(chǎn)物發(fā)生二次反應(yīng)，因此微珠可貢獻(xiàn)長(zhǎng)齡期60d及以上抗壓強(qiáng)度，當(dāng)微珠摻量20%、硅灰摻量4.6%時(shí)，可以確定混凝土最佳流動(dòng)性、黏聚性、保水性[3-5]。

2)由于礦渣需要堿性環(huán)境下激發(fā)發(fā)生二次反應(yīng)，因此礦渣的摻入可以貢獻(xiàn)混凝土長(zhǎng)齡期抗壓強(qiáng)度。當(dāng)?shù)V渣摻量達(dá)到20%時(shí)，混凝土28d抗壓強(qiáng)度達(dá)到最優(yōu)值。

3)開(kāi)展水化熱模擬實(shí)驗(yàn)，測(cè)定微珠、硅灰、礦渣搭配比例對(duì)于水化放熱速率的影響，主要降低水化放熱速率，降低體系最大水化放熱量，水化過(guò)程平穩(wěn)勻速進(jìn)行，避免急劇反應(yīng)導(dǎo)致的溫升過(guò)快，降低溫度應(yīng)力的不利影響。通過(guò)優(yōu)化原材料比例，最終選擇微珠摻量20%、硅灰摻量4.6%、礦渣摻量20%。