麻田堤防大壩鋼筋混凝土配合比設(shè)計與試驗分析

張勝克

(江西省水利水電開發(fā)有限公司，南昌 330046)

1 工程概況

萍鄉(xiāng)武功山麻田堤防建設(shè)項目建設(shè)內(nèi)容主要有東江河、麻田河及石溪河河道疏浚，3條河道護(hù)岸堤防建設(shè)以及3條河道新建攔河陂壩13座，改造修復(fù)陂壩9座，新建景觀壩1座，單個陂壩圍堰平均高度5.0m，平均長度60m。本工程混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)布置HZS180拌和站一座，膠凝材料儲罐、外加劑車間、供風(fēng)、供水、供電及其它附屬設(shè)施等，主要為擋墻、陂壩施工提供所需常態(tài)混凝土。

在設(shè)計階段，工程所在地市勘測設(shè)計院承擔(dān)起大壩混凝土配合比設(shè)計及性能試驗任務(wù)，主要結(jié)合設(shè)計要求并根據(jù)材料特性，著重提升混凝土材料抗裂、耐久等工程特性?？紤]到工程所在地缺乏優(yōu)質(zhì)粉煤灰資源，但電爐磷渣資源相對富足，故對磷渣代替粉煤灰作為混凝土摻合料的可行性進(jìn)行了試驗分析。

2 原材料性能試驗

2.1 水泥物理指標(biāo)及水化熱試驗

本工程使用的是強(qiáng)度等級42.5的低堿普通硅酸鹽水泥，細(xì)度0.5%，比表面積348m2/kg，密度3.06g/cm3，標(biāo)準(zhǔn)稠度下用水量28%，穩(wěn)定性良好，初凝和終凝時間分別為164min和227min，3d、28d抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別為30.4MPa、52.2MPa和6.1MPa、8.4MPa，均滿足《通用硅酸鹽水泥》(GB175-2007)相關(guān)要求。所用強(qiáng)度等級42.5的低堿硅酸鹽水泥3d、7d水化熱分別為219kJ/kg和269kJ/kg。

2.2 粉煤灰性能試驗

本工程所用Ⅱ級粉煤灰細(xì)度12.8%，實際含水量0.4%，需水量比為103%，三氧化硫含量1.3%，燒失量7.6%，符合《水工混凝土摻用粉煤灰技術(shù)規(guī)范》(DL/T5055-2007)相關(guān)要求。隨粉煤灰摻量的增大，膠砂強(qiáng)度隨之減小[1]，粉煤灰摻量與膠砂抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線，見圖1，28-90d強(qiáng)度最大可增長1.65倍。

圖1 粉煤灰摻量與膠砂抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線

2.3 集料及外加劑性能試驗

所用砂料中石粉含量20.1%，細(xì)度模數(shù)2.81，吸水率1.84%，堆積密度1600kg/m3，表觀密度2610kg/m3。集料物理力學(xué)性能，見表1。

表1 集料物理力學(xué)性能

減水劑使用SBTJM-Ⅱ型減水劑，其摻量為0.65%，減水率18.6%，含氣量2%，泌水率34.9%，初凝和終凝時間分別為166min和204min，3d、7d、28d抗壓強(qiáng)度比分別為160%、159%和126%。引氣劑則使用GYQ-Ⅰ型，設(shè)計摻量0.01%，減水率7.9%，含氣量5.2%，泌水率46%，初凝和終凝時間分別在14min和31min以上，3d、7d、28d抗壓強(qiáng)度比分別為94%、108%、98%。

3 混凝土配合比設(shè)計與試驗

3.1 混凝土配合比參數(shù)

混凝土是硅酸鹽水泥和骨料的混合物，通過摻加適量水，使硅酸鹽水泥水化為微觀不透明晶格結(jié)構(gòu)，并充分結(jié)合和包裹骨料，形成整體性較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)，混凝土配合比設(shè)計主要遵循“填充包裹理論”[2]，即采用水泥漿填充骨料間的孔隙并裹覆在骨料表面，預(yù)留出一定富余，以使鋼筋和混凝土層間黏結(jié)性能進(jìn)一步提升。在進(jìn)行麻田堤防大壩混凝土配合比設(shè)計時，主要涉及骨料級配、外摻劑摻量、用水量、砂率、水膠比、磷渣及粉煤灰摻量、輕燒MgO摻量等參數(shù)的確定。

3.1.1 骨料級配

根據(jù)集料組合密度試驗結(jié)果，二級配混凝土中石和小石各占55%和45%時，混凝土澆筑壓實密度可達(dá)最大值1770kg/m3，孔隙率34.8%。壩體三級配混凝土中大石、中石和小石各占50%、20%和30%時混凝土澆筑壓實密度可達(dá)其最大值1940kg/m3，孔隙率28.5%；而大石、中石和小石各占35%、35%和30%時混凝土澆筑壓實密度次之，取1920kg/m3。大石含量越多，則混凝土離析發(fā)生的可能性越大，為避免集料離析，二級配混凝土中石和小石占比應(yīng)分別為55%和45%，而壩體三級配混凝土中大石、中石和小石占比應(yīng)分別為35%、35%和30%。

3.1.2 外加劑摻量

麻田堤防大壩鋼筋混凝土外加劑主要包括減水劑和引氣劑等。按照廠家所推薦的0.6%的摻量摻加減水劑時，減水率均在18%以上，且效果相差不大，為此，減水劑摻量應(yīng)按0.6%確定。結(jié)合混凝土含氣量性能試驗，隨粉煤灰摻量的增大，為獲得相同含氣量而需要摻加的引氣劑量必須隨之增加：粉煤灰摻量為50-60%，碾壓混凝土設(shè)計含氣量為3.5-4.0%，引氣劑摻量應(yīng)按0.08-0.12%確定。

3.1.3 砂率及用水量

在用水量、粉煤灰摻量及水膠比既定的情況下，根據(jù)試驗得到澆筑振動至表面泛漿所需時間與砂率的關(guān)系曲線，曲線最低點所對應(yīng)的砂率即為該大壩混凝土最優(yōu)砂率值[3]，根據(jù)澆筑振動至表面泛漿所需時間試驗，并可得出最佳用水量。二級配混凝土和壩體三級配混凝土最優(yōu)砂率分別為37-38%和33-34%，用水量分別為95kg/m3和85kg/m3，若摻加磷渣代替粉煤灰，則用水量應(yīng)在此基礎(chǔ)上增加4-5kg/m3。

3.1.4 水膠比及磷渣、粉煤灰摻量

碾壓混泥土水膠比以及磷渣、粉煤灰等摻量是影響其極限拉伸值、強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)耐久性的主要參數(shù)，水膠比分別取0.50、0.55，粉煤灰及磷渣摻量分別為30%、40%、50%和60%，根據(jù)試驗，選用碾壓混凝土力學(xué)變形性能及耐久性最佳的摻量及水膠比。

3.1.5 輕燒MgO摻量

在充分考慮混凝土體積穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上確定輕燒MgO摻量。按照國標(biāo)規(guī)定，水泥內(nèi)MgO摻量應(yīng)控制在5%以內(nèi)，但在壓蒸穩(wěn)定性檢驗合格的基礎(chǔ)上其摻量可放寬至6%。而混凝土中水泥用量較少，無法采用國標(biāo)規(guī)定，只能根據(jù)MgO重量在膠凝材料量中的占比進(jìn)行控制，麻田堤防大壩混泥土按照外摻膠凝材料用量的3%確定輕燒MgO摻量。

3.2 混凝土配合比設(shè)計性能試驗

在確定出本堤防工程大壩混凝土配合比參數(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行包括混凝土強(qiáng)度、極限拉伸值以及膨脹劑、粉煤灰、磷渣對混凝土性能影響等在內(nèi)的混凝土配合比設(shè)計性能試驗。根據(jù)試驗結(jié)果，粉煤灰摻量增大會使碾壓混凝土抗壓強(qiáng)度降低，且在其摻量不超出60%時，碾壓混凝土抗壓強(qiáng)度的降幅始終比粉煤灰摻量百分?jǐn)?shù)低；NF-M2膨脹劑的摻加會對混凝土極限拉伸值和強(qiáng)度產(chǎn)生較大影響，而混凝土抗壓強(qiáng)度僅降低9-25%；在相同的摻量下，摻磷渣的混凝土極限拉伸值和抗壓強(qiáng)度比摻粉煤灰的混凝土略高，在復(fù)摻磷渣和粉煤灰后，混凝土極限拉伸值、強(qiáng)度進(jìn)一步提高，抗裂性提升，但干縮值及水化熱變動不明顯。綜上而言，混凝土抗壓強(qiáng)度并非配合比設(shè)計控制性參數(shù)，而極限拉升值、自生體積變形及抗壓彈性模量才是混凝土配合比設(shè)計的控制參數(shù)。粉煤灰摻量40-60%，水膠比0.55，90d齡期混凝土抗壓強(qiáng)度可達(dá)26.5-33.0MPa，28d齡期混凝土極限拉伸值達(dá)72×10-4-80×10-4，抗壓彈性模量可達(dá)30GPa，完全符合麻田堤防新建攔河陂壩混凝土設(shè)計要求。

3.3 混凝土配合比選用

根據(jù)以上對麻田堤防新建攔河陂壩混凝土配合比基本性能試驗的分析，并綜合考慮抗裂、抗?jié)B等施工性能和層面結(jié)合，大壩內(nèi)部混凝土膠凝材料用量應(yīng)≥150kg/m3，并將水膠比降至0.50，增大粉煤灰和磷渣摻量，為簡化操作，只摻加65%的磷渣或粉煤灰。河道上游防滲層混凝土防滲要求較高，為此，水膠比按0.50確定，為避免粉煤灰摻量過小會導(dǎo)致混凝土抗壓彈性模量超出設(shè)計以及粉煤灰摻量過大會使混凝土極限拉伸值、抗?jié)B性、強(qiáng)度等無法達(dá)到設(shè)計要求，粉煤灰摻量應(yīng)按45%確定。麻田堤防新建攔河陂壩混凝土推薦配合比，見表2。

表2 麻田堤防新建攔河陂壩混凝土推薦配合比

根據(jù)試驗結(jié)果，所推薦的混凝土配合比性能均能符合設(shè)計要求，且混凝土凝結(jié)時間長、絕熱溫升低，便于加強(qiáng)施工溫度控制、層面結(jié)合以及避免產(chǎn)生裂縫。在文章所推薦的設(shè)計配合比中額外摻加3%的輕燒MgO可使混凝土材料體積膨脹變形達(dá)到20×10-6-50×10-6，以便發(fā)揮其微膨脹性，抵抗和補償混凝土溫縮變形。

4 結(jié) 論

綜上所述，麻田堤防大壩混凝土原材料符合施工要求，在混凝土混合料制備過程中必須確保計量準(zhǔn)確，施工配合比中每方混合料用水量應(yīng)以砂、石飽和面干燥為基準(zhǔn)，并根據(jù)工程實際進(jìn)行含水率調(diào)整；根據(jù)氣候環(huán)境變化調(diào)整混凝土含氣量檢測頻次，當(dāng)實際含氣量超出3.0-5.5%的范圍時必須按照每1%含氣量調(diào)整±0.1×104引氣劑摻量。水工大壩混凝土配合比的確定必須經(jīng)過嚴(yán)格的試驗程序，且必須在相關(guān)規(guī)范對混凝土耐久性、強(qiáng)度、和易性、滲透性等要求的基礎(chǔ)上，進(jìn)行各種原材料用量及摻量的確定。