三峽永久船閘二期工程混凝土配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)

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(jīng)濟(jì)合理性至關(guān)重要。從配合比設(shè)計(jì)的角度對(duì)原材料組合,配合比設(shè)計(jì)方案選擇,混凝土力學(xué)性能,耐久性試驗(yàn)等方面進(jìn)行了分析,對(duì)粉煤灰摻量、外加劑雙摻、齡期、溫度等對(duì)混凝土強(qiáng)度耐久性的影響程度進(jìn)行了總結(jié)歸納。同時(shí)結(jié)合施工實(shí)際,對(duì)配合比的使用效果進(jìn)行了簡(jiǎn)要的總結(jié)評(píng)價(jià)。永久船閘混凝土施工實(shí)踐表明,優(yōu)選的混凝土配合比是符合設(shè)計(jì)要求的,選定的配合比參數(shù)是合理的。配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)過程中對(duì)粉煤灰摻量、外加劑摻量、溫度控制等的認(rèn)識(shí)是正確的。

關(guān)　鍵　詞:永久船閘; 混凝土配合比; 試驗(yàn)工作總結(jié); 三峽工程

中圖分類號(hào): TV431 　　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(zhǎng),各部位混凝土分區(qū)細(xì),耐久性要求高。為保證混凝土工程施工質(zhì)量,提出既滿足設(shè)計(jì)要求又經(jīng)濟(jì)節(jié)省的優(yōu)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(shè)計(jì)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(yàn)報(bào)告并經(jīng)施工中優(yōu)化調(diào)整,得到很好的執(zhí)行,混凝土工程質(zhì)量得到保證。主要混凝土設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 　主要混凝土設(shè)計(jì)指標(biāo)

　　注:混凝土均為3 級(jí)配。

2 　原材料試驗(yàn)

2. 1 　骨料

　　細(xì)骨料為三峽下岸溪斑狀花崗巖人工機(jī)制砂,細(xì)度模數(shù)為2. 70 ,石粉含量為11. 5 % ,在配合比設(shè)計(jì)時(shí)考慮其對(duì)砂率和用水量的影響,該砂各性能指標(biāo)滿足規(guī)范要求,可用于船閘混凝土施工。粗骨料采用古樹嶺料場(chǎng)閃云斜長(zhǎng)花崗巖人工碎石,按顆粒分為3 級(jí):小石5～20 mm;中石20～40 mm;大石40～80 mm。其物理性能指標(biāo)滿足規(guī)范和技術(shù)要求。但各級(jí)粒徑均稍偏大,在施工配合比中加以調(diào)整。各級(jí)配中石子比例的優(yōu)選試驗(yàn)結(jié)果為:2 級(jí)配,中石∶小石= 1∶1 ;3 級(jí)配,大石∶中石∶小石= 2∶1∶1。優(yōu)選試驗(yàn)成果見表2。

表2 　粗骨料級(jí)配優(yōu)選試驗(yàn)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(chǎn)的525 號(hào)中熱硅酸鹽水泥。經(jīng)檢測(cè),3 種水泥的物理力學(xué)性能指標(biāo),均滿足規(guī)范要求且性能指標(biāo)接近。3 廠家水泥檢驗(yàn)結(jié)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(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰。經(jīng)檢驗(yàn),3 種粉煤灰均達(dá)到Ⅰ級(jí)粉煤灰標(biāo)準(zhǔn)。檢驗(yàn)結(jié)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(jīng)業(yè)主試驗(yàn)優(yōu)選,減水劑采用浙江龍游外加劑廠生產(chǎn)的ZB - 1A ,引氣劑采用石家莊外加劑廠生產(chǎn)的DH9 。

表3 　水泥物理力學(xué)性能

　　為了解外加劑對(duì)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(jìn)行了DH9 不同摻量的試驗(yàn),試驗(yàn)成果見表5。

表5 　DH9 摻量對(duì)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(jié)時(shí)間則基本不變,含氣量達(dá)4. 0 %以上,說明適量摻入DH9 對(duì)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(shè)計(jì)試驗(yàn)

3. 1 　方案選擇

　　永久船閘混凝土按部位分區(qū)較細(xì),各部位混凝土既要低標(biāo)號(hào)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(yàn)方案組合見表6。

表6 　配合比設(shè)計(jì)方案組合

3. 2 　試驗(yàn)配合比

　　根據(jù)上述方案所進(jìn)行的配合比初步試驗(yàn)結(jié)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(jié)時(shí)間隨粉煤灰摻量增大略有延長(zhǎng),這對(duì)夏季施工有利。在低溫季節(jié),應(yīng)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(xué)性能

4. 1 　混凝土力學(xué)性能指標(biāo)

　　按照試驗(yàn)配合比成型混凝土試件,測(cè)得各齡期的混凝土力學(xué)性能指標(biāo)。其抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度由150 mm ×150 mm ×150mm立方體試件測(cè)得。

　　摻入適量粉煤灰和外加劑后,混凝土強(qiáng)度仍與水膠比線性相關(guān),各齡期的混凝土強(qiáng)度與水膠比關(guān)系見表7。

表7 　混凝土強(qiáng)度與膠水比關(guān)系

　　試驗(yàn)配合比混凝土抗壓強(qiáng)度R28 = 19. 0～39. 9 MPa , R90 =27. 6～48. 9 MPa ,滿足設(shè)計(jì)對(duì)各部位混凝土強(qiáng)度的不同要求?；炷?8 d 齡期的劈拉強(qiáng)度為1. 61～2. 92 MPa ,拉壓比在3 級(jí)配混凝土中為0. 073～0. 088 ,平均為0. 081 ,2 級(jí)配混凝土拉壓比平均為0. 074 ,90 d 齡期劈拉強(qiáng)度為2. 4～4. 06 MPa ,拉壓比平均為0. 076。

4. 2 　外加劑對(duì)混凝土強(qiáng)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(qiáng)度降低10. 8 % , 90 d 降低14. 8 % , 加摻引氣劑DH90. 6P10 000 ,28 d 降強(qiáng)31. 3 % ,90 d 降強(qiáng)33 %。隨著外加劑摻量的增加,混凝土降強(qiáng)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(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

　　混凝土中加入粉煤灰,能改善和易性,密實(shí)混凝土,降低水化熱,但會(huì)降低混凝土早期強(qiáng)度,如摻量過大,對(duì)后期強(qiáng)度也有影響。當(dāng)摻量小于15 %時(shí),對(duì)混凝土強(qiáng)度無多大影響,摻量為15 %～40 %時(shí),對(duì)90 d 齡期以前的強(qiáng)度影響較大,對(duì)90 d 以上齡期混凝土強(qiáng)度的影響則相差不多。但當(dāng)摻量達(dá)45 %以上時(shí),90d 強(qiáng)度也相對(duì)有所降低。因此,對(duì)以90 d 齡期強(qiáng)度為設(shè)計(jì)依據(jù)的低標(biāo)號(hào)高耐久性混凝土,加入適量粉煤灰既能滿足設(shè)計(jì)要求,又能取得一定的經(jīng)濟(jì)效益。

4. 4 　混凝土強(qiáng)度與齡期的關(guān)系

　　混凝土強(qiáng)度隨齡期有規(guī)律地增長(zhǎng),增長(zhǎng)率與粉煤灰摻量有關(guān)。摻粉煤灰后,混凝土早期強(qiáng)度增長(zhǎng)較慢,后期強(qiáng)度則增長(zhǎng)較快,90 d 強(qiáng)度是28 d 強(qiáng)度的1. 36～1. 65 倍,而不摻粉煤灰的混凝土,其90 d 強(qiáng)度是28 d 強(qiáng)度的1. 19 倍。

4. 5 　溫度對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

　　為了解拌和室溫對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響程度,進(jìn)行了不同水膠比、不同粉煤灰摻量和不同級(jí)配的對(duì)比試驗(yàn)。試件在24 h 脫模后放入養(yǎng)護(hù)室標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。試驗(yàn)結(jié)果表明,溫度對(duì)混凝土早期強(qiáng)度有一定影響,對(duì)后期強(qiáng)度則影響不大。如7 d 的低高溫強(qiáng)度比值為0. 70～0. 93 ,28 d 則為0. 85～0. 98。另外溫度對(duì)低水膠比混凝土強(qiáng)度影響稍大,對(duì)不同粉煤灰摻量的混凝土影響不明顯。溫度對(duì)混凝土凝結(jié)時(shí)間影響很大,在不同季節(jié),應(yīng)相應(yīng)控制ZB - 1A 的摻量,調(diào)整凝結(jié)時(shí)間。

4. 6 　混凝土的靜彈模量與泊松比

　　試驗(yàn)測(cè)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?；炷翉椖Ｅc強(qiáng)度正相關(guān)?；炷翉?qiáng)度愈高,其抵抗變形的能力越強(qiáng)。粉煤灰與引氣劑摻量對(duì)彈模的影響,體現(xiàn)在它們對(duì)混凝土強(qiáng)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(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合。

4. 7 　混凝土的極限拉伸值

　　試驗(yàn)測(cè)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(shè)計(jì)對(duì)不同部位混凝土的要求?；炷晾熘蹬c極拉強(qiáng)度隨齡期增長(zhǎng),與抗壓強(qiáng)度正相關(guān),但相關(guān)性稍差。這是因?yàn)榛炷翗O拉試驗(yàn)值易受骨料粒徑、級(jí)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?jié)B性能

　　混凝土抗?jié)B試驗(yàn)采用逐級(jí)加壓法,試驗(yàn)結(jié)果表明,在摻入粉煤灰和外加劑后,混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)得到調(diào)整,改善了混凝土和易性,混凝土更加密實(shí);混凝土的抗?jié)B能力大為改善,使低強(qiáng)度

等級(jí)的混凝土也能達(dá)到較高的抗?jié)B標(biāo)號(hào)。混凝土抗?jié)B標(biāo)號(hào)滿足設(shè)計(jì)要求。

5. 2 　混凝土的抗凍性能

　　混凝土抗凍試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果表明:經(jīng)250 次凍融循環(huán),試件的相對(duì)動(dòng)彈模為83 %～ 90. 4 % ,重量損失為1. 66 %～2. 34 %,抗凍標(biāo)號(hào)均大于D250。相對(duì)動(dòng)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(duì)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(jié)構(gòu),提高密實(shí)性,進(jìn)而從整體上改善混凝土的耐久性。當(dāng)然,水膠比對(duì)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(biāo)號(hào)均滿足設(shè)計(jì)要求。但在施工中應(yīng)嚴(yán)格控制引氣劑摻量范圍,摻量不宜過大,否則會(huì)引起混凝土的低強(qiáng)和質(zhì)量不均勻。

6 　施工配合比參數(shù)選擇及施工配合比的提出

6. 1 　混凝土配置強(qiáng)度確定

　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求的混凝土施工質(zhì)量技術(shù)指標(biāo),計(jì)算出各設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)混凝土的施工配置強(qiáng)度。

6. 2 　水膠比選擇

　　根據(jù)配置強(qiáng)度,代入混凝土強(qiáng)度曲線方程,初步得出水膠比參數(shù),再考慮粉煤灰、外加劑及各部位對(duì)混凝土性能的不同要求綜合確定。

6. 3 　用水量選擇

　　試驗(yàn)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(duì)砂率的調(diào)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(yīng)增大,為保持混凝土的凝聚性和大體積流動(dòng)性,減少粗骨料分離,需相應(yīng)增加砂率以保證混凝土中砂漿的飽滿粘稠。根據(jù)試驗(yàn),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(shí),均能滿足混凝土耐久性要求,應(yīng)取小摻量。

6. 6 　粉煤灰摻量

　　粉煤灰對(duì)混凝土抗凍、抗?jié)B沒有多大影響,但較大摻量使混凝土早期強(qiáng)度降低。故高強(qiáng)度等級(jí)混凝土摻20 %以下,以改善和易性,低強(qiáng)度等級(jí)混凝土摻30 %～40 %。

6. 7 　不同品種水泥、粉煤灰對(duì)比試驗(yàn)

　　試驗(yàn)表明:3 種水泥和3 種粉煤灰對(duì)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(shù),稍加調(diào)整,相互替代使用。

6. 8 　施工配合比

根據(jù)試驗(yàn)配合比成果,綜合考慮各種因素,經(jīng)試配調(diào)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(shí)際驗(yàn)證及結(jié)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(qiáng)度保證率均在90 %以上,部分強(qiáng)度等級(jí)混凝土保證率達(dá)到99. 99 % ,離差系數(shù)在0. 10～0. 16 之間,均方差在4. 07～5. 96 MPa 之間,抗凍、抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果全部滿足設(shè)計(jì)要求。

　　永久船閘混凝土施工實(shí)踐表明,優(yōu)選的混凝土配合比是符合設(shè)計(jì)要求的,選定的配合比參數(shù)是合理的。配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)過程中對(duì)粉煤灰摻量、外加劑摻量、溫度控制等的認(rèn)識(shí)是科學(xué)的。