小截面預(yù)應(yīng)力渡槽高性能混凝土配合比優(yōu)選

張 濤 嚴江華 劉 烜

(1.湖北昊源建設(shè)工程有限公司，湖北 宜昌 433002；2.宜昌市東風(fēng)渠灌區(qū)管理局，湖北 宜昌 433002)

目前國內(nèi)外渡槽結(jié)構(gòu)的設(shè)計跨度和荷載逐步加大，更多趨向高性能混凝土應(yīng)用。美國混凝土協(xié)會(ACI)211委員會提出采用摻粉煤灰的一系列不同膠凝材料比例和用量進行試拌,從而得到最佳配合比設(shè)計和優(yōu)化的方法。英國的P.L.J.Domone等提出的方法基于最大密實度理論[1]。國內(nèi)南水北調(diào)工程渡槽等同跨度大截面的渡槽工程在國外研究基礎(chǔ)上主要采取添加纖維素等材料進一步改進高性能(高等級)混凝土的抗裂性能。當(dāng)前國內(nèi)研究適用于集小截面、大跨度、高性能、現(xiàn)澆高預(yù)應(yīng)力等綜合因素于一體的箱梁渡槽混凝土配合比設(shè)計的案例較少。

普溪河渡槽是湖北東風(fēng)渠灌區(qū)重要骨干建筑物，是全國首例采用DZ40/500造槽機現(xiàn)澆施工的小截面渡槽。槽身設(shè)計為每跨40m、凈空尺寸3.1m×2.6m(寬×高)、側(cè)墻厚0.3m(側(cè)墻局部受波紋管影響，混凝土入倉間隙僅0.04m)，設(shè)計流量15m3/s，加大18m3/s。槽身為C50W4F100預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土，每跨設(shè)置25束預(yù)應(yīng)力筋，共174股低松弛鋼絞線。單跨槽身混凝土重500t，造槽機自重535t。

普溪河渡槽具有混凝土等級高，槽身斷面尺寸小，風(fēng)壓高度變化系數(shù)Uz高(加之最大高度達61.5m)，入倉進料孔間隙小、端部應(yīng)力大、造槽機承載變形大等特點，且7d混凝土強度對預(yù)應(yīng)力張拉及造槽機利用槽身承載過跨(此工況槽身承受的動荷載大于通水運行期最大荷載)的工期影響顯著。為避免施工冷縫，減小風(fēng)振影響，解決小截面、窄間隙混凝土澆筑密實度難題，本文結(jié)合普溪河渡槽重建工程實例，研究優(yōu)選適應(yīng)小截面渡槽槽身的高性能混凝土配合比。

1 配合比優(yōu)選原則和方法

基于當(dāng)前較成熟的高性能混凝土配合比設(shè)計理論，通過應(yīng)用新材料、新工藝等，在保證提高混凝土早期強度、強度保證率等性能的前提下，一是必須選取合適的砂率、級配及緩凝減水外加劑等，使混凝土具有合理的坍落度、和易性和擴散度，以此提升混凝土可泵送性，特別是較低經(jīng)時坍損和與單跨槽身施工進度相匹配的凝結(jié)時間；二是對比不同抗裂外加材料，保證在提升抗裂性能的同時盡量減少對坍落度、和易性和擴散度等性能的負面影響。

2 配合比材料優(yōu)選

本項目在材料上對比普通硅酸鹽水泥和早強型水泥，并試配不同級配的粗骨料和不同細度的細骨料，對比測試不同溫度、不同緩凝時間、不同混凝土外加劑摻量情況下，混凝土的和易性、擴散度和早期強度及最終強度；同時考慮在不同外界環(huán)境影響下，確保混凝土同步凝結(jié)，縮短風(fēng)振影響周期。

2.1 水泥

采用A品牌P·O52.5水泥(以下簡稱A水泥)與B品牌P·O42.5R水泥(以下簡稱B水泥)進行對比，其化學(xué)成分對比見表1。

表1 水泥的化學(xué)成分對比表

對比表1，兩者化學(xué)成分均滿足規(guī)范要求，均能滿足施工需要，但考慮到混凝土早期強度要求高，采用海螺水泥更能滿足施工要求。

兩組水泥各選取24組，進行了物理力學(xué)性能對比試驗，結(jié)果見表2(數(shù)值為多組平均值)。

表2 水泥的物理力學(xué)性能對比表

對比表2，兩者物理力學(xué)性能均滿足規(guī)范規(guī)程要求。

考慮凝結(jié)時間應(yīng)滿足槽身約12h澆筑時長的要求，以保證其整體性，避免出現(xiàn)裂縫。通過選用C公司和D公司兩家公司的復(fù)合型高效減水劑(分別簡稱C減水劑與D減水劑)，現(xiàn)場按2.2%摻量進行了對比試驗，見表3。

對比表1～表3，考慮工期對混凝土早期強度要求高，且有適應(yīng)澆筑時長的凝結(jié)時間需求，故選用海螺水泥。

表3 水泥與不同緩凝減水劑試配下凝結(jié)時間及強度測試對比表

2.2 細骨料

根據(jù)本地細骨料市場供應(yīng)，選用長江江砂和洞庭湖黃砂(均為天然砂)?？紤]黃砂細度模數(shù)偏大，擬摻一定量江砂調(diào)配細度?，F(xiàn)場各取20組檢測，其物理性能指標見表4。

表4 不同砂物理性能指標測試對比表

由表4可知，長江江砂和洞庭湖黃砂各項指標均能滿足規(guī)程規(guī)范要求，故可為本次試驗所用。經(jīng)現(xiàn)場篩分后測定洞庭湖黃砂內(nèi)里小卵石含量達到10%以上，可能對混凝土性能產(chǎn)生較大影響。經(jīng)檢測，超徑小卵石其堅固性(4.9%)和壓碎指標(11%)均大于現(xiàn)有粗骨料相應(yīng)指標值(3%和9%)。

2.3 粗骨料

本試驗使用的粗骨料為奧陶系廟坡組灰?guī)r碎石(簡稱碎石)。經(jīng)檢測，其各項物理性能指標見表5。

表5 碎石物理性能指標測試對比表

由表5可知，顆粒級配5～25mm粒級的碎石各項物理性能指標均滿足規(guī)范規(guī)程要求，故可為本次試驗所用。因本項目槽身混凝土只能采用泵送入倉，加之側(cè)墻等區(qū)域只能通過鋼筋保護層入倉間隙(槽身側(cè)墻厚300mm，采用雙層雙向鋼筋，加之側(cè)墻還穿插多組DN90的金屬波紋管，端部預(yù)應(yīng)力鋼筋加密區(qū)鋼筋多而密，最小區(qū)域僅30mm)，本項目粗骨料最大粒徑按照鋼筋保護層厚度的3/4控制，只能選取25mm，而非常規(guī)粒徑。

2.4 粉煤灰

本次試驗選用的粉煤灰為一級粉煤灰，經(jīng)檢測符合GB/T 1596—2005一級粉煤灰標準。具體見表6。

表6 粉煤灰檢測指標對比表

2.5 抗裂摻和物

本次試驗考慮添加抗裂纖維，解決受混凝土等級、入倉等條件限制所帶來的混凝土高收縮、高水化熱特性、極易開裂的問題。對比類似項目，可比選的有纖維素纖維和杜拉纖維兩種，兩種纖維均無毒無味，化學(xué)穩(wěn)定性良好，對水質(zhì)無污染，具體指標對比見表7。

對比表7，纖維素纖維和杜拉纖維均滿足使用要求，特別是纖維素纖維在各項物理指標上均優(yōu)于杜拉纖維，但隨著兩種纖維摻量的增加，混凝土拌和物的坍落度和擴展度逐漸降低，對比兩種纖維，同摻量時，杜拉纖維(聚丙烯纖維)對混凝土坍落度的影響較大，因纖維素纖維自身具有很好的親水特性，在新拌混凝土中能吸附部分自由水，從而增加了黏度，降低了流動性[2]，進而導(dǎo)致對擴展度的影響更明顯?？紤]在入倉極度困難的條件下，坍落度調(diào)整方法多，而擴展度調(diào)整手段有限，摻杜拉纖維C50高性能混凝土干結(jié)率略低于普通混凝土[3]，還可阻止骨料的下沉，提高混凝土的均勻性[4]；另外，摻杜拉纖維混凝土密實度的提高也有利于降低混凝土的干結(jié)率[5]。故本工程采用杜拉纖維，而未借鑒南水北調(diào)渡槽工程選用纖維素纖維。

表7 纖維物理性能指標測試對比表

2.6 外加劑

本項目可選擇的外加劑有D減水劑及C減水劑，兩種減水劑均同時具有緩凝、引氣功能。本項目40m跨預(yù)應(yīng)力槽身由于采用造槽機泵送一次性現(xiàn)澆成型，正常耗時11h，要求減水劑在保證減水的同時要具有與澆筑時間相匹配的緩凝效果和良好的和易性以及相應(yīng)的坍落度“經(jīng)時損失”，以保證混凝土的整體性等品質(zhì)要求。不同外加劑的物理性能指標見表8。

表8 不同外加劑的物理性能指標對比表

結(jié)合表8中的結(jié)果，考慮各種不利因素，每跨槽身澆筑時長約為12h左右，最終選用可調(diào)控凝結(jié)時間更長的雨虹減水劑。

3 配合比試驗與成果分析

3.1 試驗設(shè)計

根據(jù)設(shè)計和施工要求的C50W4F100混凝土特性要求以及試驗?zāi)康?，共設(shè)置了15組試驗。試驗?zāi)康募皩φ战M設(shè)置情況如下。一是測試不同水灰比時凝結(jié)時間及坍落度經(jīng)時損失值等，如1-1、1-2與1-3及1-4、1-5組對比，3-1、3-2與3-3、3-5及3-4組對比；二是測試調(diào)整砂率及細骨料細度對強度、坍落度、和易性及擴散度等影響，如3-1與3-2，3-4與3-5，2-1～2-5等；三是測試增加膠凝材料、減小粗骨料，優(yōu)化細骨料細度模數(shù)，如3-1與3-3等，1-1～1-5等；四是測試細骨料中超徑粒料對混凝土強度影響，如1-1～1-5(含超徑礫料組)與2-1～2-5。不同配合比材料用量見表9。

表9 不同配合比材料用量對比表 單位：kg

3.2 成果分析

3.2.1 凝結(jié)時間及坍損分析

由于槽身試驗倉整體現(xiàn)澆時間長達11h，為了保證混凝土質(zhì)量，對配合比的凝結(jié)時間和坍落度經(jīng)時損失值都有相應(yīng)的要求。通過現(xiàn)場反復(fù)試配，采集了大量的試驗數(shù)據(jù)，得出了不同配合比在不同溫度下初凝、終凝時間及坍落度經(jīng)時損失值。由于本項目施工工期較長，經(jīng)歷低溫、常溫、高溫等溫度條件，故試驗采取對應(yīng)不同溫度條件來測定相應(yīng)的初凝、終凝時間及坍落度經(jīng)時損失值(因底板澆筑時長為4h左右，故只測定4h的坍落度經(jīng)時損失值)，詳見表10。

由表10可知，不同的減水劑摻量及不同的外界環(huán)境溫度對混凝土凝結(jié)時間及坍落度經(jīng)時損失值影響較大。主要如下：

表10 不同溫度下不同配合比初凝、終凝時間及坍落度經(jīng)時損失值

a.在減水劑摻量相同條件之下，外界環(huán)境溫度越高，凝結(jié)時間越短，坍落度經(jīng)時損失值越大；外界環(huán)境溫度越低，凝結(jié)時間越長，經(jīng)時損失值越?。辉谕饨绛h(huán)境溫度相近條件下，減水劑摻量越大，凝結(jié)時間越長，經(jīng)時損失值越小。

b.環(huán)境溫度一致時，細骨料(含粉煤灰)摻量越大坍落度經(jīng)時損失值越??；對比1-1、2-5、3-3及2-4、3-1，可知同摻量膠凝材料、環(huán)境溫度一致，減少粗骨料摻量，增大砂率的同時控制最優(yōu)細骨料細度模數(shù)時，可有效減少經(jīng)時損失值。

c.同溫度下，適當(dāng)增加膠凝材料用量，減少粗骨料量，增大細骨料細度模數(shù)，可有效減少坍落度經(jīng)時損失值(28℃左右溫度，增加30kg水泥，減少粗骨料75kg，砂率不變，將細度模數(shù)由2.3調(diào)到2.6左右，可將4h坍落度經(jīng)時損失值減少35mm)。

d.根據(jù)范特霍夫規(guī)則，溫度每升高10℃，化學(xué)反應(yīng)的速率將增大2～4倍(30℃以上溫度已不再是影響混凝土初凝的主導(dǎo)因素)，按線性插值計算，邊界條件不變，溫度每升高1℃(環(huán)境溫度小于30℃時)，適用小截面、窄間隙高性能的混凝土4h坍落度經(jīng)時損失值約為3～5mm。

3.2.2 混凝土強度分析

不同配合比在不同齡期的抗壓強度見表11。

表11 不同配合比在不同齡期的抗壓強度對比表 單位：MPa

由表11可知，不同配合比在不同齡期條件下抗壓強度具有較大差別，配合比3-1～3-4優(yōu)于其他。具體如下：

a.對比配合比1-1、2-5、3-3及2-4、3-1，可知同摻量膠凝材料、環(huán)境溫度一致，減少粗骨料摻量，增大砂率的同時控制合理細骨料細度模數(shù)時，可有效提高混凝土初期強度(7d)。

b.分析配合比2-4、3-1，保持水灰比不變，外加劑不變，將砂率由38%調(diào)整至40%，同時將砂細度模數(shù)由2.3調(diào)至2.6，養(yǎng)護條件一致，可將7d及28d強度提高20%左右。

c.對比1、2、3號各組配合比，可見細骨料細度模數(shù)對高性能混凝土強度影響極大，同時細骨料中超徑部分(砂中粒徑≥5mm)的小石堅固性對高性能混凝土28d強度影響較大，經(jīng)檢測本項目使用的部分洞庭湖黃砂中超徑粒料堅固性達5%，接近規(guī)范允許最大限值。

通過對比不同溫度下不同配合比，各混凝土試塊初凝、終凝時間，4h坍落度經(jīng)時損失值，3d、7d、28d后的混凝土抗壓強度，最終得到符合現(xiàn)場施工條件，能滿足實際施工要求的為配合比為3∶1。其具體施工配合比為：水泥∶粉煤灰∶長江江砂∶洞庭湖黃砂∶碎石∶減水劑∶水∶纖維素=470∶60∶140∶560∶1030∶12.72∶170∶0.9。經(jīng)過工程實際實施檢驗，該組配合比各項指標良好，在施工期間考慮不同溫度影響，僅對凝結(jié)時間進行了適應(yīng)溫度條件下的適時調(diào)整。具體各跨槽身混凝土實際指標見表12。

表12 11號～22號槽身混凝土數(shù)據(jù)

受造槽機模板保溫層以及箱梁結(jié)構(gòu)型式影響，在槽身混凝土逐步澆筑過程中，由于水化反應(yīng)，內(nèi)模系統(tǒng)中溫度逐步升高，根據(jù)監(jiān)測統(tǒng)計，澆筑期間內(nèi)模中部溫升曲線呈拋物線形，溫升峰值平均15℃。受水泥水化反應(yīng)影響，不同階段膠凝材料凝結(jié)增長速率不同。初凝前混凝土的強度發(fā)展主要以鈣礬石的增長為主，大致呈線性增長趨勢；在初凝至終凝的階段主要受C3S的水化控制，混凝土強度的發(fā)展以C-S-H膠凝的增長為主，且其增長量隨溫度是以指數(shù)形式發(fā)展的[6]。溫度越高，混凝土的初凝和終凝時間差越小[7]，內(nèi)部平均溫升超過15℃后，將極大縮短混凝土的初凝和終凝時間差，對頂板混凝土凝結(jié)影響尤為明顯。

經(jīng)檢驗采用3-1配合比，混凝土各項性能指標均滿足要求，其和易性、泵送性、坍落度、擴散度等在實際施工過程中被證明為性能優(yōu)良，能夠較好指導(dǎo)施工。

4 結(jié) 論

a.薄壁結(jié)構(gòu)的高性能預(yù)應(yīng)力混凝土配合比設(shè)計中，保持水灰比不變，外加劑不變，在適當(dāng)調(diào)增砂率增大細度模數(shù)時(不超過2.6)，養(yǎng)護條件一致時，可顯著提升初期(7d)及28d強度。同時天然細骨料中超徑粒料的含量以及其物理特性不應(yīng)被忽視，其堅固性、壓碎指標等物理性能直接影響著高性能混凝土的強度，特別是對高性能混凝土28d強度影響較大，應(yīng)加強原材料進場監(jiān)測、篩分，剔除。

b.為提高高性能混凝土抗裂性能，應(yīng)充分結(jié)合工程特性選用抗裂外加劑，特別是入倉困難的小截面預(yù)應(yīng)力渡槽，槽身高性能混凝土不可盲目采用親水性的纖維素纖維。

c.為有效解決中小型工程由混凝土生產(chǎn)效率低、混凝土入倉困難等影響因素所帶來影響混凝土性能的問題，在同等條件下，適當(dāng)增加膠凝材料用量，減少粗骨料用量，增大細骨料細度模數(shù)，可有效減少混凝土坍落度經(jīng)時損失值，保證混凝土強度。

d.在設(shè)計入倉困難、澆筑時間長且還需考慮適應(yīng)混凝土支撐結(jié)構(gòu)逐步撓度變形的小截面、大跨度預(yù)應(yīng)力箱形渡槽高性能混凝土配合比時，應(yīng)綜合考慮澆筑時長、箱梁體內(nèi)部密閉環(huán)境溫度受下部已澆筑混凝土水化溫升導(dǎo)致變化的影響，為此對同一跨箱形槽身不同部位混凝土緩凝時間均應(yīng)不小于整跨澆筑時長。

經(jīng)過優(yōu)選，本配合比設(shè)計較成功，有效解決了一系列難題，并順利實現(xiàn)澆筑后8d槽身即承載超設(shè)計正常荷載的造槽機過跨。工程已于2017年底建成通水，質(zhì)量優(yōu)良，并榮獲中國水利工程優(yōu)質(zhì)(大禹)獎，槽身混凝土施工工法及質(zhì)量控制獲得中國水利工程新型工法和QC成果獎。