摘要:三峽永久船閘二期工程混凝土工程量大,耐久性要求高,混凝土配合比的經濟合理性至關重要。從配合比設計的角度對原材料組合,配合比設計方案選擇,混凝土力學性能,耐久性試驗等方面進行了分析,對粉煤灰摻量、外加劑雙摻、齡期、溫度等對混凝土強度耐久性的影響程度進行了總結歸納。同時結合施工實際,對配合比的使用效果進行了簡要的總結評價。永久船閘混凝土施工實踐表明,優選的混凝土配合比是符合設計要求的,選定的配合比參數是合理的。配合比設計試驗過程中對粉煤灰摻量、外加劑摻量、溫度控制等的認識是正確的。
關 鍵 詞:永久船閘; 混凝土配合比; 試驗工作總結; 三峽工程
中圖分類號: TV431 文獻標識碼: A
1 概述
三峽永久船閘二期工程混凝土工程量大,施工期長,各部位混凝土分區細,耐久性要求高。為保證混凝土工程施工質量,提出既滿足設計要求又經濟節省的優化混凝土配合比非常必要。永久船閘二期工程混凝土配合比設計自1998 年2 月開始,到1998 年6 月提出施工配合比,至1999 年7 月提出耐久性能試驗報告并經施工中優化調整,得到很好的執行,混凝土工程質量得到保證。主要混凝土設計技術指標見表1。
表1 主要混凝土設計指標
注:混凝土均為3 級配。
2 原材料試驗
2. 1 骨料
細骨料為三峽下岸溪斑狀花崗巖人工機制砂,細度模數為2. 70 ,石粉含量為11. 5 % ,在配合比設計時考慮其對砂率和用水量的影響,該砂各性能指標滿足規范要求,可用于船閘混凝土施工。粗骨料采用古樹嶺料場閃云斜長花崗巖人工碎石,按顆粒分為3 級:小石5～20 mm;中石20～40 mm;大石40～80 mm。其物理性能指標滿足規范和技術要求。但各級粒徑均稍偏大,在施工配合比中加以調整。各級配中石子比例的優選試驗結果為:2 級配,中石∶小石= 1∶1 ;3 級配,大石∶中石∶小石= 2∶1∶1。優選試驗成果見表2。
表2 粗骨料級配優選試驗成果
2. 2 水泥
本工程混凝土采用葛洲壩水泥廠、湖南石門特種水泥廠和華新水泥廠生產的525 號中熱硅酸鹽水泥。經檢測,3 種水泥的物理力學性能指標,均滿足規范要求且性能指標接近。3 廠家水泥檢驗結果見表3。
2. 3 粉煤灰
選用平圩、珞璜、南京華能3 家電廠生產的Ⅰ級粉煤灰。經檢驗,3 種粉煤灰均達到Ⅰ級粉煤灰標準。檢驗結果見表4。
2. 4 外加劑
本工程混凝土中摻用高效減水劑和引氣劑,以降低混凝土單位用水量和提高混凝土的耐久性。經業主試驗優選,減水劑采用浙江龍游外加劑廠生產的ZB - 1A ,引氣劑采用石家莊外加劑廠生產的DH9 。
表3 水泥物理力學性能
為了解外加劑對混凝土性能的影響及選擇合適摻量,采用在同一配合比中進行了DH9 不同摻量的試驗,試驗成果見表5。
表5 DH9 摻量對混凝土性能影響
摻入引氣劑DH9 的混凝土,和易性得到改善,泌水率減小,坍落度損失也減緩,凝結時間則基本不變,含氣量達4. 0 %以上,說明適量摻入DH9 對改善混凝土性能是有利的。但隨著DH9 摻量的增大,含氣量卻增加緩慢。因此,DH9 引氣劑的摻量以0. 6P10 000～0. 8P10 000 為宜。
3 配合比設計試驗
3. 1 方案選擇
永久船閘混凝土按部位分區較細,各部位混凝土既要低標號又要滿足高耐久性要求。為解決這一矛盾,選擇合適的粉煤灰及引氣劑的摻量尤為重要。試驗方案組合見表6。
表6 配合比設計方案組合
3. 2 試驗配合比
根據上述方案所進行的配合比初步試驗結果,表明摻DH90. 6P10 000 , 含氣量能滿足要求。摻ZB - 1A0. 5 % , DH90. 6P10 000 ,減水效果良好。混凝土凝結時間隨粉煤灰摻量增大略有延長,這對夏季施工有利。在低溫季節,應控制減水劑摻量并考慮粉煤灰的影響。粉煤灰的摻入,改善了混凝土的和易性。
4 混凝土的力學性能
4. 1 混凝土力學性能指標
按照試驗配合比成型混凝土試件,測得各齡期的混凝土力學性能指標。其抗壓強度、劈拉強度由150 mm ×150 mm ×150mm立方體試件測得。
摻入適量粉煤灰和外加劑后,混凝土強度仍與水膠比線性相關,各齡期的混凝土強度與水膠比關系見表7。
表7 混凝土強度與膠水比關系
試驗配合比混凝土抗壓強度R28 = 19. 0～39. 9 MPa , R90 =27. 6～48. 9 MPa ,滿足設計對各部位混凝土強度的不同要求。混凝土28 d 齡期的劈拉強度為1. 61～2. 92 MPa ,拉壓比在3 級配混凝土中為0. 073～0. 088 ,平均為0. 081 ,2 級配混凝土拉壓比平均為0. 074 ,90 d 齡期劈拉強度為2. 4～4. 06 MPa ,拉壓比平均為0. 076。
4. 2 外加劑對混凝土強度的影響
在相同水膠比、坍落度條件下,單摻0. 5 %ZB - 1A ,混凝土28 d 強度降低10. 8 % , 90 d 降低14. 8 % , 加摻引氣劑DH90. 6P10 000 ,28 d 降強31. 3 % ,90 d 降強33 %。隨著外加劑摻量的增加,混凝土降強速率加快。因此,引氣劑摻量宜控制在(0. 6～0. 8)P10 000。
4. 3 粉煤灰摻量對混凝土強度的影響
混凝土中加入粉煤灰,能改善和易性,密實混凝土,降低水化熱,但會降低混凝土早期強度,如摻量過大,對后期強度也有影響。當摻量小于15 %時,對混凝土強度無多大影響,摻量為15 %～40 %時,對90 d 齡期以前的強度影響較大,對90 d 以上齡期混凝土強度的影響則相差不多。但當摻量達45 %以上時,90d 強度也相對有所降低。因此,對以90 d 齡期強度為設計依據的低標號高耐久性混凝土,加入適量粉煤灰既能滿足設計要求,又能取得一定的經濟效益。
4. 4 混凝土強度與齡期的關系
混凝土強度隨齡期有規律地增長,增長率與粉煤灰摻量有關。摻粉煤灰后,混凝土早期強度增長較慢,后期強度則增長較快,90 d 強度是28 d 強度的1. 36～1. 65 倍,而不摻粉煤灰的混凝土,其90 d 強度是28 d 強度的1. 19 倍。
4. 5 溫度對混凝土強度的影響
為了解拌和室溫對混凝土強度的影響程度,進行了不同水膠比、不同粉煤灰摻量和不同級配的對比試驗。試件在24 h 脫模后放入養護室標準養護。試驗結果表明,溫度對混凝土早期強度有一定影響,對后期強度則影響不大。如7 d 的低高溫強度比值為0. 70～0. 93 ,28 d 則為0. 85～0. 98。另外溫度對低水膠比混凝土強度影響稍大,對不同粉煤灰摻量的混凝土影響不明顯。溫度對混凝土凝結時間影響很大,在不同季節,應相應控制ZB - 1A 的摻量,調整凝結時間。
4. 6 混凝土的靜彈模量與泊松比
試驗測得各配合比混凝土28 d 的彈模為2. 02 ×104 ～3. 19×104 MPa ,90 d 彈模為2. 60 ×104～3. 66 ×104 MPa。混凝土彈模與強度正相關。混凝土強度愈高,其抵抗變形的能力越強。粉煤灰與引氣劑摻量對彈模的影響,體現在它們對混凝土強度的影響中。混凝土28 d 的泊松比在0. 15～0. 23 之間, 平均為0. 18 ,90 d 泊松比在0. 17～0. 22 之間,平均0. 19 ,與已有經驗數據相吻合。
4. 7 混凝土的極限拉伸值
試驗測得混凝土28 d 拉伸值為0. 76 ×10 - 4 ～1. 02 ×10 - 4 ,90 d 為0. 82 ×10 - 4 ～1. 45 ×10 - 4 ,能滿足設計對不同部位混凝土的要求。混凝土拉伸值與極拉強度隨齡期增長,與抗壓強度正相關,但相關性稍差。這是因為混凝土極拉試驗值易受骨料粒徑、級配、裝料不均、偏心等因素影響,一般是骨料粒徑小的比大的拉伸值要大。
5 混凝土的耐久性
5. 1 混凝土的抗滲性能
混凝土抗滲試驗采用逐級加壓法,試驗結果表明,在摻入粉煤灰和外加劑后,混凝土的內部結構得到調整,改善了混凝土和易性,混凝土更加密實;混凝土的抗滲能力大為改善,使低強度
等級的混凝土也能達到較高的抗滲標號。混凝土抗滲標號滿足設計要求。
5. 2 混凝土的抗凍性能
混凝土抗凍試驗采用快凍法并考慮了大水膠比(0. 55) 情況下不同粉煤灰摻量的影響。試驗結果表明:經250 次凍融循環,試件的相對動彈模為83 %～ 90. 4 % ,重量損失為1. 66 %～2. 34 %,抗凍標號均大于D250。相對動彈模最小的為不摻粉煤灰者,其重量損失也較大,為2. 26 % ,僅次于摻粉煤灰45 %者。由此可見,摻入粉煤灰對混凝土的抗凍性能無不利影響,相反,摻入粉煤灰能改善混凝土的微觀結構,提高密實性,進而從整體上改善混凝土的耐久性。當然,水膠比對混凝土抗凍性能仍是重要控制因素,低水膠比(0. 45) 比高水膠比(0. 55) 的混凝土抗凍性能明顯要好。
引氣劑的摻入是混凝土抗凍性能提高的重要因素,摻入0. 6P10 000～0. 7P10 000 的DH9 引氣劑后,混凝土抗凍標號均滿足設計要求。但在施工中應嚴格控制引氣劑摻量范圍,摻量不宜過大,否則會引起混凝土的低強和質量不均勻。
6 施工配合比參數選擇及施工配合比的提出
6. 1 混凝土配置強度確定
根據設計要求的混凝土施工質量技術指標,計算出各設計強度等級混凝土的施工配置強度。
6. 2 水膠比選擇
根據配置強度,代入混凝土強度曲線方程,初步得出水膠比參數,再考慮粉煤灰、外加劑及各部位對混凝土性能的不同要求綜合確定。
6. 3 用水量選擇
試驗配合比的坍落度在4～6 cm 之間,而施工配合比的坍落度則要求7～10 cm ,考慮大坍落度對砂率的調整,一般以坍落度±1 cm ,用水量±2. 5 kg ,砂率±1 % ,用水量±(2～3) kg 來估算,最后試拌確定。
6. 4 砂率選擇
坍落度增大,用水量相應增大,為保持混凝土的凝聚性和大體積流動性,減少粗骨料分離,需相應增加砂率以保證混凝土中砂漿的飽滿粘稠。根據試驗,一般以坍落度±1. 5 cm ,砂率±1 %為宜。
6. 5 引氣劑摻量
引氣劑摻量在0. 6P10 000～0. 8P10 000 時,均能滿足混凝土耐久性要求,應取小摻量。
6. 6 粉煤灰摻量
粉煤灰對混凝土抗凍、抗滲沒有多大影響,但較大摻量使混凝土早期強度降低。故高強度等級混凝土摻20 %以下,以改善和易性,低強度等級混凝土摻30 %～40 %。
6. 7 不同品種水泥、粉煤灰對比試驗
試驗表明:3 種水泥和3 種粉煤灰對混凝土性能影響相差甚微,在施工配合比中可采用相同的配合比參數,稍加調整,相互替代使用。
6. 8 施工配合比
根據試驗配合比成果,綜合考慮各種因素,經試配調整,提出混凝土施工配合比見表8。
表8 混凝土施工配合比( 部分)
7 施工實際驗證及結論
永久船閘自1998 年12 月主體混凝土開始澆筑到2003 年6月通航,所有混凝土強度保證率均在90 %以上,部分強度等級混凝土保證率達到99. 99 % ,離差系數在0. 10～0. 16 之間,均方差在4. 07～5. 96 MPa 之間,抗凍、抗滲試驗結果全部滿足設計要求。
永久船閘混凝土施工實踐表明,優選的混凝土配合比是符合設計要求的,選定的配合比參數是合理的。配合比設計試驗過程中對粉煤灰摻量、外加劑摻量、溫度控制等的認識是科學的。
