U形薄殼裝配式預(yù)應(yīng)力渡槽接縫砂漿配合比設(shè)計(jì)

倪 明，郝 超,保守林

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610037)

1 工程背景

四川簡陽毗河工程石鐘支渠郭家溝渡槽全長260 m，包含槽身21跨，頂部設(shè)置有拉桿，槽身為U形薄殼混凝土結(jié)構(gòu)，槽身凈寬為1.5 m，凈高1.26 m，主槽身厚度0.22 m。渡槽采用預(yù)應(yīng)力裝配式混凝土，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C40W6F100，封錨混凝土采用C40微膨脹混凝土，裝配式渡槽槽段之間采用砂漿進(jìn)行連接，砂漿設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為M10，設(shè)計(jì)抗?jié)B等級(jí)為P8[1-6]，砂漿性能的好壞關(guān)系到渡槽構(gòu)件連接的可靠性和渡槽的輸水效率，因此必須確保砂漿具備較高的力學(xué)性能。

2 試驗(yàn)概況

2.1 原材料

砂漿的主要原材料包括水泥、硅粉、偏高嶺土、砂等。水泥為P·O42.5R型復(fù)合硅酸鹽水泥，初凝時(shí)間和終凝時(shí)間分別為140 min和270 min，3 d 抗折和抗壓強(qiáng)度分別為4.6 MPa和19.7 MPa，28 d 抗折和抗壓強(qiáng)度分別為8.2 MPa和45.6 MPa；硅粉的粒徑為0.10～0.15 μm，主要化學(xué)成分為SiO2，占比達(dá)到95.8%；偏高嶺土主要成分為SiO2和Al2O3，指數(shù)為120%，石灰反應(yīng)值為1250 mg Ca(OH)2/g，需水量比為110%，比表面積為22 m2/g，平均粒徑為12 μm，G.E白度為80%，燒失量為0.5%；砂為天然中砂，細(xì)度模數(shù)為2.5，平均含泥量為1.6%，堆積密度為4210 kg/m3。

2.2 試驗(yàn)方案

采用三因素三水平L9(34)進(jìn)行砂漿配合比正交試驗(yàn)。三因素分別為灰砂比A(水泥與砂的用量比值)、硅粉摻量B和偏高嶺土摻量C，砂漿正交試驗(yàn)因素水平見表1。試驗(yàn)共分為9組，具體正交試驗(yàn)配合比方案見表2。

表1 因素水平

表2 砂漿正交試驗(yàn)配合比方案

2.3 試驗(yàn)流程方法

(1)按照正交試驗(yàn)配合比，對(duì)所需各類原材料進(jìn)行稱取，然后放入攪拌機(jī)中進(jìn)行攪拌，攪拌時(shí)間為3 min。(2)在砂漿模具四周涂抹一層黃油，然后將攪拌好的砂漿裝入砂漿模具，采用機(jī)械振搗5～10 s。(3)當(dāng)模具中砂漿表面水分稍干后，用刮刀對(duì)表面進(jìn)行抹平。(4)每種砂漿配合比下，將砂漿制成邊長為100 mm的正方體試件和70 mm×80 mm×30 mm的長方體試件。(5)在20±2 ℃的環(huán)境中養(yǎng)護(hù)24 h，然后取出砂漿試件放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室(溫度20±2 ℃，濕度90%～95%)繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至對(duì)應(yīng)的齡期。(6)將正方體試件用于進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，將長方體試件用于進(jìn)行抗?jié)B試驗(yàn)，分別測(cè)試不同養(yǎng)護(hù)齡期下的強(qiáng)度和抗?jié)B壓力。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 抗壓強(qiáng)度

試驗(yàn)得到的不同齡期下砂漿抗壓強(qiáng)度結(jié)果見圖1。圖中可知，當(dāng)灰砂比從1∶3增加至1∶4時(shí)，砂漿的抗壓強(qiáng)度均有不同程度的增大，當(dāng)灰砂比繼續(xù)增加至1∶5時(shí)，砂漿的抗壓強(qiáng)度將大幅降低，由此可見灰砂比不宜過低也不宜過大，水泥摻量過少會(huì)導(dǎo)致砂漿強(qiáng)度迅速降低；隨著硅粉摻量的增大，砂漿在不同齡期下的抗壓強(qiáng)度呈逐漸增大的變化特征，這主要是因?yàn)楣璺鄣牧胶苄?，可填充在砂漿孔隙間隙，增加砂漿的密實(shí)度，同時(shí)水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的Ca(OH)2與SiO2產(chǎn)生二次反應(yīng)，生成硬度更大的CSH凝膠，從而提升砂漿強(qiáng)度；偏高嶺土的摻入，也可以在一定程度上改善砂漿的抗壓強(qiáng)度，隨著偏高嶺土摻量增加，砂漿抗壓強(qiáng)度逐漸增大，這是因?yàn)槠邘X土中的SiO2和Al2O3可以與Ca(OH)2進(jìn)行二次反應(yīng)生成鈣礬石，鈣礬石具有微膨脹性，可以填充在砂漿的孔隙中，從而改善砂漿的強(qiáng)度特性。在9種正交配合比中，試驗(yàn)5組的抗壓強(qiáng)度最大，其次為試驗(yàn)6組，抗壓強(qiáng)度最小的為試驗(yàn)8組。

圖1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

3.2 抗?jié)B壓力

不同配合比下砂漿28 d齡期下的抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果見圖2。圖中可知，水灰比對(duì)于砂漿抗?jié)B能力的影響較大，隨著水灰比的增大，砂漿的抗?jié)B壓力不斷減??；隨著硅粉和偏高嶺土摻量的增加，砂漿的抗?jié)B壓力逐漸增大，主要因?yàn)閮烧邔?duì)于砂漿孔隙結(jié)構(gòu)的填充作用，使得砂漿內(nèi)部更加密實(shí)，因而抗?jié)B能力增強(qiáng)。在9種正交配合比中，試驗(yàn)3組的抗壓強(qiáng)度最大，其次為試驗(yàn)2組，抗壓強(qiáng)度最小的為試驗(yàn)8組。

圖2 抗?jié)B性試驗(yàn)結(jié)果

3.3 極差與方差分析

對(duì)不同齡期抗壓強(qiáng)度和抗?jié)B壓力進(jìn)行極差分析，結(jié)果見表3。從表中可知，對(duì)于3 d抗壓強(qiáng)度的影響，灰砂比>硅粉摻量>偏高嶺土，最優(yōu)水平為A2B3C3，對(duì)于7 d抗壓強(qiáng)度的影響，灰砂比>硅粉摻量>偏高嶺土，最優(yōu)水平為A2B3C2，對(duì)于28 d抗壓強(qiáng)度的影響，灰砂比>硅粉摻量>偏高嶺土，最優(yōu)水平為A2B3C3，對(duì)于抗?jié)B能力的影響，灰砂比>偏高嶺土>硅粉摻量，最優(yōu)水平為A1B3C2。從整體上來講，硅粉摻量為9%時(shí)，砂漿的強(qiáng)度和抗?jié)B性最佳，而灰砂比和偏高嶺土對(duì)砂漿強(qiáng)度和抗?jié)B性的影響比較復(fù)雜，還需要做進(jìn)一步分析。

表3 極差分析結(jié)果 MPa

對(duì)不同齡期抗壓強(qiáng)度和抗?jié)B壓力進(jìn)行方差分析，結(jié)果見圖3。 圖中可知，對(duì)于28 d抗壓強(qiáng)度，灰砂比的F值為21.28，其值介于F0.05和F0.01之間，表明灰砂比對(duì)28 d抗壓強(qiáng)度的影響顯著，硅粉摻量和偏嶺高土的F值均小于F0.1，表明對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響非常微??；對(duì)于抗?jié)B壓力，灰砂比的F值達(dá)到了173.69，遠(yuǎn)大于F0.01，表明其對(duì)砂漿抗?jié)B能力的影響極顯著，偏高嶺土的F值介于F0.05和F0.01之間，表明對(duì)砂漿抗?jié)B能力的影響為比較顯著，而硅粉摻量對(duì)砂漿抗?jié)B能力的影響特別小，因此結(jié)合極差分析結(jié)果，當(dāng)偏嶺高土取值為3%時(shí)，為最佳摻量。方差分析結(jié)果表明：對(duì)于28 d抗壓強(qiáng)度的影響，灰砂比>硅粉摻量>偏高嶺土，對(duì)于抗?jié)B壓力的影響，灰砂比>偏高嶺土>硅粉摻量，這與極差分析結(jié)果一致。

圖3 方差分析結(jié)果

3.4 最優(yōu)配合比確定及驗(yàn)證

從試驗(yàn)結(jié)果及極差、方差分析結(jié)果可知：灰砂比增大有利于砂漿的抗壓強(qiáng)度，但不利于砂漿的抗?jié)B能力，因此需要對(duì)灰砂比進(jìn)行綜合平衡分析。由于在渡槽裝配施工過程中，會(huì)對(duì)接縫處采取防滲塑膜壓底+焦油塑料膠泥填縫+瀝青砂漿封面的綜合防滲處理方式，因而砂漿對(duì)于強(qiáng)度的需求更大，故灰砂比應(yīng)選擇1∶4最為合適，即A2B3C2為砂漿的最佳配合比方案。

對(duì)A2B3C2配合比方案下的砂漿進(jìn)行性能試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果見表4。從表中可知：在最優(yōu)配合比方案下，砂漿的28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到26.21 MPa，達(dá)到了M25的強(qiáng)度水平，遠(yuǎn)大于M10的設(shè)計(jì)要求，抗?jié)B壓力達(dá)到P10水平，也達(dá)到了設(shè)計(jì)抗?jié)B等級(jí)P8的要求，表明在A2B3C2配合比方案下，砂漿具有高強(qiáng)、高抗?jié)B的特性，對(duì)于渡槽構(gòu)件連接具有重要意義。

表4 最優(yōu)配合比方案下性能參數(shù) MPa

4 結(jié) 論

(1)隨著灰砂比的增大，砂漿的強(qiáng)度呈先增大后減小的變化特征，抗?jié)B壓力呈逐漸減小的變化特征，硅粉和偏高嶺土對(duì)砂漿強(qiáng)度和抗?jié)B能力均有一定的改善作用。

(2)對(duì)于砂漿不同齡期抗壓強(qiáng)度的影響，均是灰砂比>硅粉摻量>偏高嶺土，對(duì)于砂漿抗?jié)B能力的影響，則為灰砂比>偏高嶺土>硅粉摻量；灰砂比對(duì)抗壓強(qiáng)度為比較顯著影響，對(duì)抗?jié)B壓力為極顯著影響，硅粉摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度和抗?jié)B壓力均為微弱影響，偏嶺高土對(duì)抗壓強(qiáng)度為微弱影響，對(duì)抗?jié)B壓力為比較顯著影響。

(3)砂漿的最佳配合比方案為A2B3C2(灰砂比1∶4，硅粉摻量9%，偏嶺高土摻量3%)，在此配合比方案下，砂漿強(qiáng)度等級(jí)可達(dá)M25，抗?jié)B等級(jí)可達(dá)P10。