大摻量礦物摻合料混凝土在大清河下游西河右堤（西河閘段）防洪堤防除險加固工程中的應用研究

劉智超，許樹芳，劉曉佳，楊建房，張 鈺

（1.海河水利委員會海河下游管理局，天津 300061；2.水利部海河水利委員會，天津 300250）

1 前言

由于氯鹽及硫酸鹽侵蝕、干濕交替等原因，一些水工建筑物出現了混凝土開裂、鋼筋嚴重銹蝕等現象，甚至未達到設計使用年限就發生了破壞。為延長工程使用壽命、充分發揮其經濟社會效益，需要綜合考慮進行混凝土耐久性設計。

大摻量礦物摻合料混凝土是指混凝土膠凝材料中含有較大比例的粉煤灰、磨細礦渣等礦物摻合料，采用較低水膠比和特殊施工措施的混凝土。它以耐久性作為設計的主要技術指標，具有良好的和易性（工作性）、強度、適用性、經濟性及抗腐蝕性。

粉煤灰、磨細礦渣等都是廉價的工業廢料，具有大量的活性成分，合理應用于混凝土中能部分代替水泥，節省工程造價，并能顯著改善混凝土性能。

2 工程概況

西河閘樞紐由西河節制閘和西河船閘組成，位于天津市楊柳青鎮北東淀下口，上距大清河與子牙河匯流處12 km，下距子北匯流口15 km，是大清河系洪水進入海河干流的最后一道屏障。

西河船閘上閘首由于地面沉降，閘門頂現狀高程5.294 m，擋水高程嚴重不足；節制閘右岸翼墻與船閘左岸之間有1 640 m長缺口，堤頂（墻頂）超高較東淀控制運用水位6.44 m以上超高不足1.0 m，成為天津城市防洪圈西部防線上的缺口。為此，在大清河下游西河右堤（西河閘段）防洪堤防除險加固工程中安排對西河船閘上閘首、上源頭防浪墻進行拆除重建。

船閘基礎采用鋼筋混凝土灌注樁，樁徑0.8 m，樁長25 m，共105 根；上閘首采用整體式結構，順水流方向長20 m、垂直水流方向31 m，底板厚2 m；原閘室第一節加厚并恢復排水孔。修筑半重力式鋼筋混凝土墻，為倒T 形結構，墻頂高程7.7 m，墻高1.82～2.10 m，厚0.4 m，基礎寬1.7 m，下設10 cm 厚素混凝土墊層。

勘察中取地下水進行水質分析，地下水為HCO3-Ca·Mg 型水，對普通水泥具硫酸鹽型強腐蝕性，對抗硫酸鹽水泥無腐蝕性。化驗結果，見表1。

表1 地下水腐蝕性評價

根據地下水腐蝕性評價結果，必須采取措施提高混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力。根據本工程混凝土設計要求，混凝土配制強度及工作性能要求見表2。

3 大摻量礦物摻合料混凝土室內配制試驗

（1）為了抑制堿骨料反應和抗硫酸鹽腐蝕，考慮采用粉煤灰和磨細礦渣雙摻的大摻量礦物摻合料混凝土施工技術。具體為，粉煤灰摻20%和磨細礦渣摻30%，替代膠凝材料中50%的水泥。

經試驗，該水泥14 和28 d 膨脹率大大降低，能有效抑制混凝土發生堿骨料反應；抗硫酸鹽侵蝕系數大于1.0，比抗硫酸鹽水泥的抗蝕系數還要高，體現了更好的抗硫酸鹽侵蝕能力，結果見表3。

表3 粉煤灰20%、磨細礦渣30%雙摻快速測試硫酸鹽侵蝕試驗結果

表4 混凝土實驗室配合比

表5 新拌混凝土工作性能

（2）根據有關規范要求，對不同部位、不同標號、不同施工要求混凝土，通過配合比試配，依次確定了水膠比、單位用水量、最優砂率和外加劑摻量。經試拌，確定了混凝土配合比，見表4；新拌混凝土工作性能，見表5。結果顯示，各個配合比新拌混凝土和易性好，坍落度損失小，具有良好的工作性能，含氣量符合設計要求。

4 工程應用

該工程采用大摻量礦物摻合料混凝土共計約1.03萬m3，其中防浪墻、閘底板、閘墩、翼墻及上下游連接段等混凝土設計強度等級為C20，抗凍等級為F150，抗滲等級為W4；閘門槽二期混凝土設計強度等級為C25，抗凍等級為F150，抗滲等級為W6。

4.1 混凝土原材料

水泥：P·O42.5 水泥，3 d 抗壓強度不小于17.0 MPa，28 d 抗壓強度不小于42.5 MPa，安定性合格。

粉煤灰：II級粉煤灰，含水量不大于1%，細度不大于25%，燒失量不大于3%，需水量比不大于105%。

磨細礦渣：S95 級礦渣，含水量不大于1.0%，比表面積不小于400㎡/kg，SO3不大于0.06%，燒失量不大于3.0%，7、28 d 活性指數分別不小于75%和95%。

細骨料：天然河砂，細度模數3.0，含泥量2.4%。

粗骨料：碎石，最大粒徑40 mm。

外加劑：HLC型外加劑。

4.2 混凝土施工配合比

施工前，根據室內試驗參考配合比在施工現場進行多次試配，確定施工配合比，見表6。

表6 混凝土施工配合比

4.3 混凝土檢測情況

（1）混凝土抗壓強度檢測。為保證現場留置混凝土試件代表性，在拌合站和澆筑現場取樣制作標準試件，經標準養護至設計齡期后委托試驗檢測機構進行抗壓強度試驗。混凝土28 d齡期抗壓試驗結果，見表7。

表7 混凝土試塊抗壓強度檢測

依照《水利水電工程施工質量檢驗與評定規程》（SL176－2007）要求，混凝土試塊抗壓強度檢測結果合格。

（2）混凝土抗滲性檢測。依據有關規范，采用逐級加壓法（水壓逐級加壓到0.6 MPa），對上述C20F150W4、C25F150W6兩個標號混凝土試塊進行了抗滲試驗，在試驗結束時，試塊均未發生滲水現象，依據《水工混凝土試驗規程》（SL352—2006），其抗滲等級均能滿足設計要求。

（3）混凝土抗凍性檢測。混凝土的凍害主要是由于混凝土細孔中水分受到凍結，伴隨著這種相變，產生膨脹壓力；剩余的水分遷移到附近的空隙和毛細管中，水在運動過程中會產生液體壓力。在這兩種壓力作用下，混凝土遭到破壞。

根據有關規范，對上述C20F150W4、C25F150W6兩個標號混凝土進行了抗凍試驗。試驗結果，見表8。

表8 混凝土抗凍試驗結果

兩個配合比混凝土抗凍性經過150次凍融循環后，其相對動彈性模量均大于75%且重量損失率小于5%，抗凍等級均達到F150。依據《水工混凝土試驗規程》（SL352-2006），其抗凍性滿足混凝土設計要求。

5 經濟技術效益分析

5.1 經濟效益分析

經調研，天津市場膠凝材料的價格大致為：普通硅酸鹽水泥410元/t，抗硫酸鹽水泥680元/t，Ⅱ級粉煤灰160 元/t，磨細礦渣230 元/t。據此推算，以C20F150W4 為例，1 m3大摻量礦物摻合料混凝土（按1 m3混凝土膠凝材料344 kg水泥用量172 kg、粉煤灰用量69 kg、磨細礦渣用量103 kg 計算）可降低成本128.67 元，比設計的抗硫酸鹽水泥混凝土配合比價格降低約55%；比設計的混凝土防浪墻混凝土成本降低39.24元，價格降低約27.8%。船閘上閘首改建工程使用C20F150W4 抗硫酸鹽混凝土總方量約為7 010 m3，防浪墻使用C20F150W4 混凝土2 886 m3，經估算，僅該項即可節約工程投資102 余萬元。同時，采用大摻量礦物摻合料混凝土技術可以大大延長工程使用壽命，減少工程維修養護費用。

5.2 技術效益分析

大摻量礦物摻合料混凝土使用了優質的外加劑和礦物摻合料，充分發揮礦物摻合料的形態效應、火山灰效應、微集料效應，增加了漿體的密實性，提高了混凝土的和易性、工作性等。通過降低水膠比和摻加礦物摻合料，減少了混凝土的孔隙率，改善了孔隙結構，提高了混凝土的密實性，大大降低了硫酸鹽離子和氯離子侵入混凝土內部的數量，同時大大降低了孔溶液中堿離子濃度，有效抑制了堿骨料反應。

本工程混凝土配合比采用的粉煤灰和磨細礦渣雙摻50%（20%粉煤灰+30%磨細礦渣）技術方案，不僅有效抑制了混凝土堿骨料反應，同時大大提高了混凝土抗硫酸鹽腐蝕能力，其抗硫酸鹽侵蝕系數比設計規定的抗硫酸鹽的抗蝕系數還要高。

采用該方案配比混凝土，經過抗壓、抗滲及抗凍等試驗，均能夠滿足設計要求。

5.3 社會效益分析

我國是世界第一水泥生產大國，2008年水泥產量達到13.88 億t。水泥生產從礦山原料開采、破碎、預熱分解、燒制及水泥粉磨等過程中，不僅破壞了地表原有植被，加劇了水土流失，同時耗費了大量能源。粉煤灰是熱電廠的副產品，磨細礦渣是煉鐵生產的副產品，這些工業生產廢料如果直接排放環境，必然會帶來很大的環境壓力。將其應用于混凝土中，變廢為寶，完全符合生態文明建設理念，能夠明顯減少水泥消耗，進而減少因生產水泥而帶來的粉塵污染和大氣污染，具有顯著的社會效益。

6 結論

（1）西河船閘上閘首改建工程、防浪墻單位工程中應用了大摻量礦物摻合料混凝土技術，并于2013年7月順利通過單位工程驗收投入運行。這是該種新技術在海河下游直屬水利工程中的首次成功應用。

（2）大摻量礦物摻合料混凝土具有優良的耐久性能，可以抑制混凝土發生堿骨料反應，提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能，解決了工程面臨的堿骨料反應和硫酸鹽侵蝕兩大難題。

（3）混凝土配合比試驗和應用結果表明，選用粉煤灰和磨細礦渣雙摻50%技術方案所配制的混凝土拌合性能良好，物理力學性能和耐久性均能滿足設計要求。

（4）選用粉煤灰和磨細礦渣雙摻50%技術方案經濟性顯著，與使用抗硫酸鹽水泥相比，每方混凝土膠凝材料成本可以降低約55%。

（5）采用粉煤灰、磨細礦渣等工業生產廢料代替部分水泥，可以減少環境污染，符合生態文明建設發展理念。

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