水電站中自密實(shí)低強(qiáng)混凝土的應(yīng)用研究

趙大鵬

(遼寧省水資源管理集團(tuán)有限責(zé)任公司，沈陽 110166)

一般地，水工混凝土相對(duì)于其它混凝土具有兩個(gè)突出的特征：水工大體積混凝土面臨著突出的溫度裂縫和水化熱溫升問題，受水文條件影響水工混凝土具有更嚴(yán)格的耐久性要求。研究認(rèn)為[1-2]，大中型水工結(jié)構(gòu)的耐久性使用年限應(yīng)為100a，而中小型水工結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行年限應(yīng)≥50a，結(jié)構(gòu)耐久性發(fā)揮著重要作用。美國等許多國家立項(xiàng)重點(diǎn)研究了混凝土耐久性，旨在延長(zhǎng)水利工程的使用年限，保證已建工程的安全運(yùn)行以及改善新建工程的耐久性能[3]。

針對(duì)混凝土密實(shí)成型而引起的耐久性不足問題，學(xué)者Okamura定義了自密實(shí)的概念，經(jīng)長(zhǎng)期研究已取得一系列研究成果，但其應(yīng)用僅局限于公路、民用建筑及工業(yè)等基礎(chǔ)工程[4-6]。考慮到水工結(jié)構(gòu)的特殊性，如異形、鋼筋密集等難以振搗密實(shí)結(jié)構(gòu)，泄水航道、窩殼等施工質(zhì)量問題，自密實(shí)混凝土具有較好的實(shí)用性，而現(xiàn)有適用于水電站自密實(shí)低強(qiáng)度等級(jí)的混凝土技術(shù)尚不成熟。因此，試驗(yàn)研究和探討水電站中自密實(shí)低強(qiáng)度混凝土性能極其必要。鑒于實(shí)際工程需求和以上考慮，文章研究了自密實(shí)低強(qiáng)度水工混凝土的耐久性能和力學(xué)性能，并分析了渾江干流回龍山水電站除險(xiǎn)加固工程的應(yīng)用效果。

1 原材料性能

1)水泥?；佚埳剿娬境U(xiǎn)加固工程所用水泥為渾河P·O42.5硅酸鹽水泥，經(jīng)試驗(yàn)檢測(cè)其抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、凝結(jié)時(shí)間和水泥安定性等指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。水泥物理力學(xué)性能指標(biāo)，見表1。

表1 水泥物理力學(xué)性能指標(biāo)

2)粉煤灰。工程現(xiàn)場(chǎng)所用粉煤灰會(huì)綏中電廠生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰，經(jīng)試驗(yàn)檢測(cè)其燒失量、比表面積、含水量、需水量比和細(xì)度等指標(biāo)均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。粉煤灰性能指標(biāo)，見表2。

表2 粉煤灰性能指標(biāo)

3)外加劑?；佚埳剿娬境U(xiǎn)加固工程所用引氣劑為ZS-109B型引氣劑，減水劑選用XK-540P型聚羧酸減水劑，經(jīng)試驗(yàn)檢測(cè)兩種外加劑性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。摻外加劑性能指標(biāo)，見表3。

4)砂石骨料?；佚埳剿娬境U(xiǎn)加固工程選用人工砂石料，砂細(xì)度模數(shù)為2.80，碎石級(jí)配連續(xù)，粒徑5-25mm，經(jīng)檢測(cè)砂石料品質(zhì)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。砂石骨料性能指標(biāo)，見表4。

表3 摻外加劑性能指標(biāo)

表4 砂石骨料性能指標(biāo)

2 試驗(yàn)研究

2.1 配合比設(shè)計(jì)

回龍山水電站除險(xiǎn)加固工程自密實(shí)混凝土為C25強(qiáng)度等級(jí)，采用技術(shù)規(guī)程推薦的設(shè)計(jì)方法確定實(shí)驗(yàn)室配合比，經(jīng)進(jìn)一步調(diào)整、試配確定施工配合比。自密實(shí)低強(qiáng)度混凝土配合比，見表5。

2.2 混凝土配制

自密實(shí)混凝土的配制主要有攪拌時(shí)間、投料順序、原材料計(jì)量等過程，依據(jù)施工配合比精準(zhǔn)稱量原材料后開始投料，投料順序?yàn)橄裙橇显倌z材料，最后投放水和外加劑?？紤]到組分較多的實(shí)際情況，攪拌時(shí)間與方式是保證混凝土質(zhì)量及攪拌均勻的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[7]。試驗(yàn)選用攪拌機(jī)配制自密實(shí)混凝土，一般控制攪拌時(shí)間150s以上，以拌合均勻作為終止拌制的標(biāo)準(zhǔn)。

表5 自密實(shí)低強(qiáng)度混凝土配合比

2.3 試驗(yàn)方法

2.3.1 拌和物工作性

自密實(shí)混凝土的U型箱流動(dòng)度、擴(kuò)展度及坍落度按照J(rèn)GJ/T 283-2012測(cè)定，以目測(cè)的方式觀察混凝土是否板結(jié)、是否有水分或水泥漿析出，在此基礎(chǔ)上合理判定工作性能。此外，自密實(shí)混凝土的工作性對(duì)外加劑的摻量較為敏感，外加劑等原材料用量的稍微減少或增加都會(huì)顯著影響混凝土的工作性能[8-9]。所以，對(duì)試驗(yàn)所用的各種原材料用電子設(shè)備計(jì)量，計(jì)量允許偏差為外加劑、水、礦物摻合料、水泥為±1%，粗細(xì)骨料為±2%?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)從多個(gè)部位適時(shí)測(cè)定砂、石材料的含水率，并考慮含水量情況適當(dāng)調(diào)整施工配合比?；炷涟韬衔锕ぷ餍阅?，見表6。

表6 混凝土拌合物工作性能

結(jié)果顯示，自密實(shí)混凝土的擴(kuò)展度處于500-700mm之間，目測(cè)拌合物保水性和黏聚性發(fā)現(xiàn)，混凝土配合比能夠滿足保水性、黏聚性及施工和易性要求。

2.3.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

依據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL 352-2020)測(cè)定自密實(shí)混凝土力學(xué)性能，機(jī)口取樣抽檢和試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果，機(jī)口取樣抽檢與試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果，見表7。

表7 機(jī)口取樣抽檢與試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

結(jié)果表明，自密實(shí)混凝土28d靜力抗壓彈性模量、28d極限拉伸值、抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均符合水工混凝土設(shè)計(jì)要求。

2.3.3 干縮試驗(yàn)

干燥收縮是指混凝土處于不飽和空氣中內(nèi)部存在的毛細(xì)孔、凝膠孔失水而引起的不可逆收縮。試驗(yàn)將自密實(shí)混凝土制成515mm×100mm×100mm的試件，參照SL 352-2020規(guī)程測(cè)定自密實(shí)混凝土3d、7d、14d、28d、60d、90d齡期的干縮率，如表8。結(jié)合相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，純水泥漿體完全干燥時(shí)的收縮量達(dá)到100×10-4，Lee F M實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明完全干燥時(shí)普通混凝土的收縮值為-40×10-4。干縮性能指標(biāo)，見表8。

表8 干縮性能指標(biāo)

從表8可以看出，90d齡期時(shí)自密實(shí)混凝土的干縮值只有完全干燥時(shí)普通混凝土的2.41%，實(shí)測(cè)值為-0.9637×10-4。這是由于自密實(shí)混凝土摻入了適量的引氣劑、高效減水劑和30%的粉煤灰，在一定程度上改善混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而有效降低了其早期干縮性能。因此，對(duì)于水工結(jié)構(gòu)自密實(shí)混凝土具有較好的適用性，有利于提高結(jié)構(gòu)的整體耐久性。

2.3.4 自生體積變形

自生體積變形是指絕濕恒溫條件下因膠凝材料水化而造成的體積變化，參照SL 352-2020規(guī)程測(cè)試自密實(shí)混凝土自生體積變形(一般處于-50-50×10-6之間)，自生體積變形曲線，見圖1。結(jié)果顯示，自密實(shí)混凝土在齡期達(dá)到28d后以收縮變形為主，收縮變形最大達(dá)到-5.1×10-4，在齡期達(dá)到60d后整體處于問題。因此，該自密實(shí)混凝土可以有效改善水工結(jié)構(gòu)整體耐久性，具有較小的自生體積變形。

圖1 自生體積變形曲線

2.3.5 抗裂性試驗(yàn)

混凝土裂縫在很大程度上決定了其耐久性，裂縫的存在為外界環(huán)境中的水分、離子滲透至混凝土內(nèi)部提供了通道，加速了混凝土的裂化過程和外界侵蝕性介質(zhì)的遷移速率，混凝土結(jié)構(gòu)的服役壽命和耐久性明顯下降。因此，裂縫控制對(duì)處于水環(huán)境中的水工結(jié)構(gòu)而言就顯得更為重要。文章利用圓環(huán)抗裂法和平板法試驗(yàn)研究了自密實(shí)混凝土的抗裂性能，詳細(xì)方法見文獻(xiàn)[10]。在相對(duì)濕度(60±5)%和環(huán)境溫度(20±2)℃的室內(nèi)成型、觀察試驗(yàn)，抗裂性試驗(yàn)結(jié)果，見圖2。

(a)平板法 (b)圓環(huán)法

結(jié)果顯示，采用兩種檢測(cè)方法均未發(fā)現(xiàn)混凝土裂縫，即平板法和圓環(huán)法測(cè)試的試樣抗裂性保持一致。該水工自密實(shí)混凝土的抗裂性良好，摻礦物摻合料的普通混凝土與自密實(shí)C25低強(qiáng)度水工混凝土的抗裂性無明顯差異。

2.4 應(yīng)用效果

為進(jìn)一步驗(yàn)證自密實(shí)低強(qiáng)度高耐久性水工混凝土的性能，在渾江干流回龍山水電站除險(xiǎn)加固工程中開展了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)性試驗(yàn)，通過倉面抽樣檢測(cè)了其主要性能。從外觀質(zhì)量上，施工部位未發(fā)現(xiàn)混凝土泌水現(xiàn)象，在無須振搗的情況下混凝土無漿體與骨料分離現(xiàn)象，黏聚性好且可自流平；混凝土拆模后外觀美觀、密實(shí)、表面光滑、邊角平整，未發(fā)現(xiàn)裂縫，混凝土的耐久性優(yōu)異且填充效果良好[11-15]。此外，考慮到外界條件易對(duì)自密實(shí)混凝土性能造成影響，實(shí)際使用過程中為保證混凝土施工性能，應(yīng)嚴(yán)格控制拌合物的工作性、攪拌時(shí)間與方式、原材料計(jì)量及其品質(zhì)等。

3 結(jié) 論

1)自密實(shí)低強(qiáng)度混凝土的流動(dòng)性良好，歷時(shí)90min的擴(kuò)展度損失率只有5.16%，對(duì)振搗器無法使用且施工斷面較大、鋼筋較密的部位具有較好的填充性能，其彈性模量、劈拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和極限拉伸值等指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求。

2)自密實(shí)低強(qiáng)度混凝土的后期自生體積變形和干縮收縮較小，抗裂性能良好，可以有效改善水工結(jié)構(gòu)的耐久性。在渾江干流回龍山水電站除險(xiǎn)加固工程中該自密實(shí)低強(qiáng)度混凝土得到成功應(yīng)用，為配制與應(yīng)用自密實(shí)高耐久性中低強(qiáng)度混凝土提供了一定參考。