閘站工程底板高性能混凝土研究

周 巍

(鎮(zhèn)江市華源建設(shè)監(jiān)理有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212001)

在大中型水工建筑物的設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)行的管理過(guò)程中，由于受安裝精度和安全運(yùn)行的要求，均應(yīng)考慮閘站工程底板高性能[1]。通常情況下，閘前后存在水位變化，會(huì)導(dǎo)致閘底板受力不均而產(chǎn)生拉應(yīng)力，對(duì)于低性能混凝土很可能產(chǎn)生開(kāi)裂等病害，嚴(yán)重威脅水閘的安全運(yùn)行[2]。因此研究閘站工程底板高性能混凝土，是保證閘站工程安全運(yùn)行的關(guān)鍵方法之一。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)高性能混凝土進(jìn)行了部分研究。張憲南[3]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)的方式，探討了纖維、減縮劑和膨脹劑對(duì)土石壩面板UHPC混凝土干縮性的影響；劉瑞琳[4]研究了不同鋼纖維含量混凝土的抗沖磨特征，分析了沖磨試驗(yàn)中鋼纖維混凝土質(zhì)量損失與沖磨次數(shù)、鋼纖維含量的關(guān)系；段國(guó)偉等[5]以凝灰?guī)r和石灰?guī)r作為研究對(duì)象，采用室內(nèi)試驗(yàn)方法，對(duì)比分析不同水膠比、片狀含量、石粉含量對(duì)混凝土抗壓、抗折強(qiáng)度、流動(dòng)度、坍落度的影響。此外還有部分學(xué)者研究了復(fù)摻粉煤灰、極細(xì)高硅型鐵尾礦、橡膠等材料來(lái)制備高性能混凝土[6- 7]。當(dāng)前，玄武巖纖維作為環(huán)保型礦物纖維，其穩(wěn)定性、耐腐蝕性和耐高溫等性能優(yōu)良，已在諸多工程領(lǐng)域得到應(yīng)用，如航空航天材料、塑料生產(chǎn)和建筑行業(yè)。因此本文采用玄武巖鋼纖維研究了一種高性能混凝土材料，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)分析了不同含量玄武巖纖維對(duì)混凝土的抗凍性、抗壓強(qiáng)度以及抗?jié)B性的影響，最終得出了最優(yōu)設(shè)計(jì)配合比，研究成果可為相關(guān)底板工程提供參考。

1 工程概況

此次橋閘工程位于揚(yáng)中市新壩鎮(zhèn)向陽(yáng)村新壩大港與北大江交匯處，與新壩大港南端夾江江口的欄桿橋閘水系貫通，距江口約820m，為單孔通航節(jié)制閘，1972年12月開(kāi)工建設(shè)，1973年7月建成。該閘屬小(1)型水閘，閘的結(jié)構(gòu)形式為開(kāi)敞式，閘室順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)9.0m，閘孔凈寬5.38m。新閘址距長(zhǎng)江口750m，閘外通長(zhǎng)江，閘內(nèi)與新壩大港連接，水閘設(shè)計(jì)排澇流量65m3/s，引水流量50m3/s，泵站排澇流量18m3/s，引水流量9m3/s。閘站合建在一塊底板上，節(jié)制閘居中布置，泵站4臺(tái)機(jī)組位于節(jié)制閘兩側(cè)，其中雙向水泵臨近節(jié)制閘布置，單向水泵靠河岸側(cè)布置。底板順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)18.5m，垂直水流方向?qū)?8m。閘墩頂高程為10.50m，是一座具有防洪、排澇等綜合功能的閘站。

2 原材料及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次采用的粉煤灰，密度為2.36g/cm3，比表面積2800cm2/g，屬于F級(jí)粉煤灰，通過(guò)XRD光譜分析測(cè)得其主要的化學(xué)成分為SiO2、Al2O3，CaO。試驗(yàn)所用的玄武巖纖維(BF)購(gòu)置與江蘇省，圖1為本次試驗(yàn)用玄武巖纖維材料與拌制現(xiàn)場(chǎng)，表1為硅灰各組分含量。根據(jù)前期的配合比設(shè)計(jì)，此次試驗(yàn)玄武巖纖維設(shè)置4組，分別為2、4、6、8、10kg/m3，砂550kg/m3，石子900kg/m3，硅灰98kg/m3，粗骨料與細(xì)骨料的配合比見(jiàn)表2。試驗(yàn)先在攪拌機(jī)中干拌4min，之后將配好的硅酸鈉溶液、氫氧化鈉溶液然后添加到固體中，濕拌5min，同時(shí)制備參照組。新拌混凝土顏色較深，外觀光亮，將其裝入100mm×100mm×100mm中振動(dòng)成型，待觀察無(wú)任何凝結(jié)跡象，抗壓強(qiáng)度無(wú)任何退化后，送入養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)28d。本次工程要求混凝土閘站主體、翼墻、進(jìn)出水池等部位混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，護(hù)坡縱、橫格堙及墊層混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20；建筑混凝土抗凍等級(jí)均為F50，有防滲要求的混凝土抗?jié)B等級(jí)為W6，因此在進(jìn)行試驗(yàn)之前所有試驗(yàn)均要滿足工程要求。

圖1 聚酰胺類樹(shù)脂材料和混凝土漿液

表1 硅灰各組分含量 單位：%

表2 透水混凝土各組分配合比設(shè)計(jì)(單位重量) 單位：kg/m3

3 混凝土抗凍性能

依照標(biāo)準(zhǔn)，混凝土的抗凍等級(jí)F為相對(duì)動(dòng)彈性模量下降至不低于60%時(shí)的最大凍融循環(huán)次數(shù)，圖2給出了普通混凝土和加入玄武巖纖維混凝土的抗凍性能變化情況。由圖2可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，5種混凝土的相對(duì)彈性模量均呈現(xiàn)出降低的趨勢(shì)，但當(dāng)BF=2、4、6kg/m3時(shí)，混凝土相對(duì)彈性降低速度明顯緩慢與普通混凝土，相對(duì)彈性模量均大于普通混凝土。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為300次時(shí)，普通混凝土相對(duì)彈性模量為61%，而B(niǎo)F=2、4、6kg/m3時(shí)，相對(duì)彈性模量分別降低至72%、76%、82%，抗凍等級(jí)遠(yuǎn)高于普通混凝土。這是由于普通混凝土中水遇冷結(jié)冰會(huì)發(fā)生體積膨脹，引起混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞，混凝土毛細(xì)孔隙中水的冰點(diǎn)隨著孔徑的減小而降低，且當(dāng)溫度降低到0℃以下時(shí)，促使水變成為冰，因受毛細(xì)孔壁約束形成膨脹壓力，從而在孔周?chē)奈⒂^結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生拉應(yīng)力導(dǎo)致當(dāng)混凝土受凍時(shí)，損傷混凝土的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)。而加玄武巖纖維后，混凝土抗凍性能增加是由于其減少了由混凝土內(nèi)應(yīng)力所產(chǎn)生的裂縫，特別是混凝土在塑性階段干燥脫水所產(chǎn)生的裂縫，且降低了參與抵抗凍融時(shí)的膨脹壓力與滲透壓力，減少裂縫的擴(kuò)展，從而提高了混凝土的抗凍融能力。但值得一提的是，當(dāng)BF=8kg/m3時(shí)，玄武巖混凝土的抗凍性能出現(xiàn)明顯下降，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為100次時(shí)，抗凍性能逐漸低于普通混凝土，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為300時(shí)，相對(duì)彈性模量?jī)H為50%。

圖2 混凝土抗凍性能對(duì)比

4 混凝土抗壓強(qiáng)度

圖3給出了普通混凝土和加入玄武巖纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度變化情況。由圖3可知，玄武巖纖維混凝土的抗壓優(yōu)勢(shì)明顯，未加入玄武巖纖維時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度為34MPa，而當(dāng)BF=2kg/m3，混凝土抗壓強(qiáng)度增加5MPa；當(dāng)BF=4kg/m3，混凝土抗壓強(qiáng)度相比普通混凝土增加7MPa；當(dāng)BF=6kg/m3，混凝土抗壓強(qiáng)度增加11MPa，而當(dāng)BF=8kg/m3，混凝土抗壓強(qiáng)度直接增長(zhǎng)至49MPa。這是由于在混凝土的制備過(guò)程中內(nèi)部原來(lái)就存在缺陷，加入玄武巖纖維后，纖維與基體間黏結(jié)緊密，形成的復(fù)合混凝土?xí)p小缺陷的程度，對(duì)于裂縫發(fā)生和發(fā)展的約束作用，降低內(nèi)部裂縫端部的應(yīng)力集中系數(shù)，因此玄武巖纖維混凝土的強(qiáng)度高于普通混凝土。

圖3 混凝土抗壓強(qiáng)度對(duì)比

5 混凝土抗?jié)B性

圖4給出了普通混凝土和加入玄武巖纖維混凝土的抗?jié)B性變化情況。由圖4可知，玄武巖纖維含量的增加有助于提升混凝土的抗?jié)B性，但存在臨界值。對(duì)于普通混凝土，其能抵抗最大靜水壓力而不發(fā)生滲漏的值為0.62MPa，而當(dāng)加入2kg/m3的玄武巖纖維時(shí)，抗?jié)B強(qiáng)度增加至0.65MPa；加入4kg/m3的玄武巖纖維時(shí)，抗?jié)B強(qiáng)度增加至0.68MPa；當(dāng)玄武巖纖維含量為6kg/m3時(shí)，混凝土抗?jié)B性達(dá)到最大，為0.71MPa。當(dāng)BF=8kg/m3時(shí)，混凝土抗?jié)B強(qiáng)度出現(xiàn)降低，僅為0.66MPa。從試驗(yàn)結(jié)果分析可知，一方面玄武巖纖維能夠提升混凝土抗?jié)B性，是由于纖維與水泥集料有極強(qiáng)的結(jié)合力，很容易與混凝土材料混合。此外，纖維細(xì)度大，當(dāng)微裂縫在細(xì)裂縫發(fā)展的過(guò)程中，不同向的細(xì)纖維具有明顯阻擋作用，消耗了混凝土內(nèi)部應(yīng)力產(chǎn)生的作用，阻止了細(xì)裂縫進(jìn)一步發(fā)展。因此，玄武巖纖維可以有效地抑制混凝土早期干縮微裂的產(chǎn)生和發(fā)展，極大地減少了混凝土收縮裂縫，尤其是有效地抑制了連通裂縫的產(chǎn)生，有效提高了混凝土抗?jié)B能力。但同時(shí)也可以看到，在設(shè)計(jì)纖維含量時(shí)不能過(guò)高，因?yàn)檫^(guò)高的纖維含量會(huì)導(dǎo)致混凝土與纖維之間不能充分混合，反而會(huì)形成纖維團(tuán)聚體，導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生滲流通道，因此在實(shí)際工程中，應(yīng)當(dāng)重視纖維含量的配比設(shè)計(jì)。

圖4 混凝土的抗?jié)B性變化

6 結(jié)語(yǔ)

本文采用玄武巖纖維研究了一種高性能混凝土材料，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)分析了不同含量玄武巖纖維對(duì)混凝土的抗凍性、抗壓強(qiáng)度以及抗?jié)B性的影響。結(jié)果表明，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為300次時(shí)，玄武巖纖維含量為6kg/m3時(shí)混凝土抗凍等級(jí)遠(yuǎn)高于普通混凝土，但超過(guò)8kg/m3會(huì)降低混凝土抗凍性。而對(duì)于混凝土抗壓強(qiáng)度，當(dāng)玄武巖纖維含量為8kg/m3，混凝土抗壓強(qiáng)度直接增長(zhǎng)至49MPa，比普通混凝土提高15MPa。此外，含量為6kg/m3時(shí)的玄武巖纖維混凝土抗?jié)B等級(jí)最高。因此最終根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，水泥298kg/m3，水133.4kg/m3，粗骨料1052.4kg/m3，細(xì)骨料82.5kg/m3，玄武巖纖維6kg/m3這一配比為最佳配比。