干硬性混凝土在河道整治工程中的應(yīng)用研究

盛德民

(江西省萬安縣水利局，江西 萬安 343800)

干硬性混凝土作為一種新型建筑材料，在市政工程、公路工程、機(jī)場工程等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，由于其具有低水灰比、流動性小、收縮性小、抗凍性好以及早期強(qiáng)度高等特性，在水利工程領(lǐng)域也逐漸在普及應(yīng)用[1-5]。

在天然水域中，經(jīng)常發(fā)生沖刷和淤積現(xiàn)象，不僅容易發(fā)生水害，還對航運、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等產(chǎn)生影響，因此河道整治是水利工程中的重要一環(huán)，包括治導(dǎo)、疏浚和護(hù)岸等工程[6-10]。在護(hù)岸工程施工中，一般要求兼具生態(tài)和工程多方效益，采用干硬性混凝土預(yù)制構(gòu)件不僅能解決河岸沖刷問題，而且還能降低工程造價和縮短施工工期，是一種低能耗、低污染的綠色生態(tài)施工方法，因此在河道護(hù)岸施工中具有廣闊的應(yīng)用前景[11-14]。但目前關(guān)于硬性混凝土預(yù)制構(gòu)件在水力工程中的應(yīng)用還比較鮮見，并未形成一套完整的技術(shù)體系，同時由于水利工程涉及復(fù)雜的水環(huán)境，對干硬性混凝土砌塊性能的要求更高，其強(qiáng)度要求與市政、公路等也存在區(qū)別，必須找到與現(xiàn)場施工相匹配的快速有效的檢測手段。

本文對干硬性混凝土預(yù)制塊的最佳配比、河道護(hù)砌施工工藝以及現(xiàn)場強(qiáng)度檢測手段進(jìn)行了探討分析，以期能為干硬性混凝土在河道整治工程中的應(yīng)用提供借鑒。

1 工程背景

江西省鄱陽湖流域某河道具有重要的引水、排澇和通航功能，但是由于河道兩岸目前為土質(zhì)(壤土、砂土或者砂壤土為主)邊坡，既不能滿足抗沖刷或者防滲的要求，當(dāng)兩岸邊坡沖刷嚴(yán)重或者塌方后淤泥堵塞河道，也不能滿足船舶的安全通行要求，為消除工程的安全隱患，充分發(fā)揮河道的工程效益，有必要對河道進(jìn)行疏浚，同時對河道兩岸岸坡進(jìn)行護(hù)砌施工，從而保證河道兩岸及其影響范圍內(nèi)的農(nóng)田不被侵蝕，為引排水、航運和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供安全穩(wěn)定的條件。在本工程中，綜合考慮地形地質(zhì)、水文以及工程成本等因素，河道兩岸護(hù)砌決定采用干硬性混凝土預(yù)制塊進(jìn)行施工。

2 配合比設(shè)計

2.1 試驗原材料及設(shè)計方案

水泥：水泥選用PO42.5和PO52.5兩種強(qiáng)度等級，主要化學(xué)成分均為氧化鈣、二氧化硅和氧化鋁，PO42.5標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為28.9%，28d抗折和抗壓強(qiáng)度分別為8.2MPa和50MPa，主要用于C35以下強(qiáng)度等級的預(yù)制塊施工，PO52.5標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為28.5%，28d抗折和抗壓強(qiáng)度分別為9MPa和60MPa，主要用于C35以上強(qiáng)度等級的預(yù)制塊施工。骨料：粗骨料粒徑為5～20mm連續(xù)分布，含泥量為0.8%，壓碎值為6.3%，針片狀含量為1%；細(xì)骨料為天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2.5(中砂)，含泥量為0.8%，氯離子含量為0.003%。粉煤灰：Ⅱ級粉煤灰，細(xì)度為20.2%，需水比為102%，平均燒失量為6.3%，SO3含量為2.0%。水：市政自來水。

采用振動+擠壓方式將預(yù)制塊制成邊長為30cm，厚度為15cm的六棱柱，分別探討水灰比、砂率和粉煤灰替代率對干硬性混凝土強(qiáng)度的影響。水灰比設(shè)計0.3、0.35、0.4和0.45四種，砂率設(shè)計30%、35%、40%、45%和50%五種，粉煤灰替代率設(shè)計10%、15%、20%、25%和30%五種。

2.2 水灰比的影響

試驗得到的不同水膠比下干硬性混凝土的抗壓強(qiáng)度變化特征如圖1所示。從圖1中可以看到：隨著齡期的增加，干硬性混凝土預(yù)制塊的抗壓強(qiáng)度呈逐漸增長的變化趨勢，但是后期強(qiáng)度的增長速度逐漸放緩；相同齡期下，水膠比越大，抗壓強(qiáng)度越小，28d齡期下，0.3、0.35、0.4和0.45水膠比下對應(yīng)的干硬性混凝土強(qiáng)度分別為44MPa、39 MPa、36 MPa和32.5 MPa，因此干硬性混凝土的水膠比不宜太大。

圖1 水膠比對干硬性混凝土強(qiáng)度的影響

2.3 砂率的影響

以水灰比0.3為基礎(chǔ)，試驗得到不同砂率下干硬性混凝土的抗壓強(qiáng)度變化特征如圖2所示。從圖2中可以看出：在相同齡期下，隨著砂率的增加，干硬性混凝土的強(qiáng)度呈先增大后減小的變化特征。當(dāng)砂率為0.35時，干硬性混凝土的強(qiáng)度值最高，這是因為砂率改變會導(dǎo)致混凝土中的漿集比發(fā)生改變，混凝土的和易性就會發(fā)生變化，當(dāng)砂率太低時，混凝土漿體太少，粗骨料之間無法形成有效的膠結(jié)，從而導(dǎo)致強(qiáng)度降低，當(dāng)砂率太高時，由于干硬性混凝土本身水灰比較小，流動性較小，再加之高砂率的影響，導(dǎo)致混凝土在攪拌過程中更加困難，使得試件內(nèi)部分布有很多不均勻的孔隙，從而導(dǎo)致強(qiáng)度降低，因此干硬性混凝土的最佳砂率為0.35。

圖2 砂率對干硬性混凝土強(qiáng)度的影響

2.4 粉煤灰摻量的影響

以水灰比0.3和砂率0.35為基礎(chǔ)，試驗得到不同粉煤灰替代率下干硬性混凝土的抗壓強(qiáng)度變化特征如圖3所示。粉煤灰在混凝土中具有形態(tài)效應(yīng)、填充效應(yīng)和火山灰活性，粉煤灰摻入之后，可減少混凝土單位體積的用水量，同時粉煤灰顆粒填充在混凝土的孔隙間隙中，使混凝土更加密實，粉煤灰的火山灰反應(yīng)會生成凝膠狀物質(zhì)，這些凝膠物質(zhì)填充在水泥石的孔隙結(jié)構(gòu)中，從而使得混凝土水化產(chǎn)物的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加緊致，從而提升混凝土強(qiáng)度。從圖3中可知：隨著粉煤灰替代率的增加，干硬性混凝土的抗壓強(qiáng)度呈先增大后減小的變化特征，相同齡期下，當(dāng)粉煤灰替代率為10%～20%時，干硬性混凝土的強(qiáng)度相差不大，當(dāng)粉煤灰替代率超過20%后，干硬性混凝土的強(qiáng)度有較大的幅度降低，當(dāng)粉煤灰替代率為20%時，干硬性混凝土的強(qiáng)度最高。

圖3 粉煤灰對干硬性混凝土強(qiáng)度的影響

綜上所述：干硬性混凝土預(yù)制塊的最佳配比方案為：水灰比0.3，砂率0.35，粉煤灰替代率20%。

3 現(xiàn)場施工及檢測

3.1 施工工藝流程

利用干硬性混凝土預(yù)制塊對河道兩岸進(jìn)行護(hù)砌施工，首先需要對原始河道坡面進(jìn)行修整，原始河道兩岸邊坡多為自然邊坡，凹凸不平，一來影響護(hù)砌美觀性，二來可能導(dǎo)致水流對凹凸縫隙進(jìn)行沖刷和掏空，從而影響護(hù)砌整體的長期穩(wěn)定性，坡面修整后應(yīng)采用平整度儀對坡面平整度進(jìn)行檢測，一個檢測斷面為15～20m長，每個檢測斷面檢測點數(shù)量不少于5個，凹凸處≤1cm；其次，坡面修整完畢后，應(yīng)采用機(jī)械+人工方式進(jìn)行齒槽開挖工作，開挖齒槽的目的是保證干硬性混凝土預(yù)制塊可以更穩(wěn)定地固定在河道邊坡上；然后，進(jìn)行土工布的鋪設(shè)工作，提高護(hù)砌整體的防滲特性，鋪設(shè)過程中應(yīng)注意土工接縫尺寸和質(zhì)量；接著，再進(jìn)行砂石墊層的鋪設(shè)，砂石墊層料應(yīng)分層分段連續(xù)均勻鋪設(shè)，墊層鋪設(shè)應(yīng)自上而下；最后，在墊層鋪設(shè)完成后，應(yīng)立即進(jìn)行預(yù)制塊的鋪設(shè)，施工時應(yīng)自上而下，鋪設(shè)過程中應(yīng)保持預(yù)制塊整體平整，咬合緊密，施工作業(yè)人員應(yīng)站在預(yù)制塊上施工，避免土工布產(chǎn)生破損。干硬性混凝土預(yù)制塊鋪設(shè)施工流程如圖4所示。

圖4 干硬性混凝土預(yù)制塊鋪設(shè)施工流程

3.2 現(xiàn)場檢測

干硬性混凝土預(yù)制塊在運輸、鋪設(shè)以及長期的使用過程中，結(jié)構(gòu)可能會出現(xiàn)損壞，此時干硬性預(yù)制塊便很難滿足水利工程的長期安全與有效使用。因此，在干硬性混凝土預(yù)制塊鋪設(shè)完成之后以及每運行一段時間，有必要在現(xiàn)場對預(yù)制塊進(jìn)行檢測。本文采用針貫入法以及拉脫法對預(yù)制塊強(qiáng)度進(jìn)行現(xiàn)場檢測，同時與室內(nèi)抗壓試驗結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以看到：采用針貫入法時，貫入深度隨著預(yù)制塊抗壓強(qiáng)度的升高而逐漸降低，采用拉脫法時，拉脫應(yīng)力隨著預(yù)制塊強(qiáng)度的增大而逐漸增大，貫入深度、拉脫應(yīng)力與預(yù)制塊強(qiáng)度之間呈良好的線性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R2分別為0.8126和0.8414，表明兩種方法在干硬性混凝土預(yù)制塊無損檢測中均具有相當(dāng)?shù)暮侠硇浴?/p>

圖5 兩種方法測試結(jié)果與室內(nèi)強(qiáng)度關(guān)系

采用針貫入法時，干硬性混凝土的測試強(qiáng)度與貫入深度之間可用下式計算。

(1)

采用拉脫法時，干硬性混凝土的測試強(qiáng)度與拉脫應(yīng)力之間可用下式計算。

(2)

式中，σ—拉脫應(yīng)力，MPa。

將貫入深度λ代入式(1)，將拉脫應(yīng)力σ代入式(2)，分別得到兩種方法的測試強(qiáng)度與試驗抗壓抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系，如圖6所示。從圖中可以看到：采用針貫入法進(jìn)行測試時，當(dāng)干硬性混凝土強(qiáng)度低于30MPa時，測試強(qiáng)度與實際強(qiáng)度基本一致，擬合度較高，但當(dāng)強(qiáng)度大于30MPa后，測試強(qiáng)度與實際強(qiáng)度相差較大，擬合度并不高；采用拉脫法進(jìn)行測試時，無論混凝土強(qiáng)度是多少，測試強(qiáng)度與實際強(qiáng)度之間均具有較高的一致性，擬合度較高；在所有48組測試試驗中，采用針貫入法的平均誤差為9%，采用拉脫法的平均誤差為11.1%。

圖6 測試強(qiáng)度與室內(nèi)抗壓強(qiáng)度關(guān)系

拉脫法在測試時，受預(yù)制塊試件尺寸、形狀、表面狀態(tài)、加荷速率等因素的影響，容易導(dǎo)致拉脫應(yīng)力失真，且拉脫法測試時很容易對試件產(chǎn)生破壞，而針貫入法測試設(shè)備相對簡單，測試的效率更快，對預(yù)制塊也不會產(chǎn)生過大的破壞。因此綜合測試結(jié)果，當(dāng)干硬性混凝土預(yù)制塊的強(qiáng)度等級低于C30時，建議采用針貫入法進(jìn)行測試[15]，當(dāng)干硬性混凝土預(yù)制塊的強(qiáng)度等級高于C30時，建議采用拉脫法進(jìn)行測試。

4 結(jié)語

通過室內(nèi)配合比試驗和現(xiàn)場檢測試驗，得出如下結(jié)論：

(1)干硬性混凝土預(yù)制塊的最佳配比方案：水灰比0.3，砂率0.35，粉煤灰替代率20%。

(2)干硬性混凝土預(yù)制塊現(xiàn)場施工工藝為：坡面修整→齒槽開挖→土工布鋪設(shè)→墊層鋪設(shè)→預(yù)制塊鋪設(shè)。

(3)針貫入法與拉脫法均能用于干硬性混凝土預(yù)制塊強(qiáng)度檢測，貫入深度、拉脫應(yīng)力與預(yù)制塊強(qiáng)度之間呈良好的線性相關(guān)性，兩種方法測試得到的預(yù)制塊強(qiáng)度與實際強(qiáng)度的平均誤差分別為9%和 11.1%。

(4)當(dāng)干硬性混凝土預(yù)制塊的強(qiáng)度等級低于C30時，建議采用針貫入法，當(dāng)強(qiáng)度等級高于C30時，建議采用拉脫法。