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(xiǎn)加固工程中的應(yīng)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(huì)海河下游管理局，天津 300061；2.水利部海河水利委員會(huì)，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(xiàn)了混凝土開裂、鋼筋嚴(yán)重銹蝕等現(xiàn)象，甚至未達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限就發(fā)生了破壞。為延長工程使用壽命、充分發(fā)揮其經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益，需要綜合考慮進(jìn)行混凝土耐久性設(shè)計(jì)。

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(xì)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(shè)計(jì)的主要技術(shù)指標(biāo)，具有良好的和易性（工作性）、強(qiáng)度、適用性、經(jīng)濟(jì)性及抗腐蝕性。

粉煤灰、磨細(xì)礦渣等都是廉價(jià)的工業(yè)廢料，具有大量的活性成分，合理應(yīng)用于混凝土中能部分代替水泥，節(jié)省工程造價(jià)，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(jié)制閘和西河船閘組成，位于天津市楊柳青鎮(zhèn)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(jìn)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(xiàn)狀高程5.294 m，擋水高程嚴(yán)重不足；節(jié)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(yùn)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(xiǎn)加固工程中安排對(duì)西河船閘上閘首、上源頭防浪墻進(jìn)行拆除重建。

船閘基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)，順?biāo)鞣较蜷L20 m、垂直水流方向31 m，底板厚2 m；原閘室第一節(jié)加厚并恢復(fù)排水孔。修筑半重力式鋼筋混凝土墻，為倒T 形結(jié)構(gòu)，墻頂高程7.7 m，墻高1.82～2.10 m，厚0.4 m，基礎(chǔ)寬1.7 m，下設(shè)10 cm 厚素混凝土墊層。

勘察中取地下水進(jìn)行水質(zhì)分析，地下水為HCO3-Ca·Mg 型水，對(duì)普通水泥具硫酸鹽型強(qiáng)腐蝕性，對(duì)抗硫酸鹽水泥無腐蝕性。化驗(yàn)結(jié)果，見表1。

表1 地下水腐蝕性評(píng)價(jià)

根據(jù)地下水腐蝕性評(píng)價(jià)結(jié)果，必須采取措施提高混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力。根據(jù)本工程混凝土設(shè)計(jì)要求，混凝土配制強(qiáng)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(nèi)配制試驗(yàn)

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

經(jīng)試驗(yàn)，該水泥14 和28 d 膨脹率大大降低，能有效抑制混凝土發(fā)生堿骨料反應(yīng)；抗硫酸鹽侵蝕系數(shù)大于1.0，比抗硫酸鹽水泥的抗蝕系數(shù)還要高，體現(xiàn)了更好的抗硫酸鹽侵蝕能力，結(jié)果見表3。

表3 粉煤灰20%、磨細(xì)礦渣30%雙摻快速測試硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)結(jié)果

表4 混凝土實(shí)驗(yàn)室配合比

表5 新拌混凝土工作性能

（2）根據(jù)有關(guān)規(guī)范要求，對(duì)不同部位、不同標(biāo)號(hào)、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(yōu)砂率和外加劑摻量。經(jīng)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(jié)果顯示，各個(gè)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(shè)計(jì)要求。

4 工程應(yīng)用

該工程采用大摻量礦物摻合料混凝土共計(jì)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(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C20，抗凍等級(jí)為F150，抗?jié)B等級(jí)為W4；閘門槽二期混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C25，抗凍等級(jí)為F150，抗?jié)B等級(jí)為W6。

4.1 混凝土原材料

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

粉煤灰：II級(jí)粉煤灰，含水量不大于1%，細(xì)度不大于25%，燒失量不大于3%，需水量比不大于105%。

磨細(xì)礦渣：S95 級(jí)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(shù)分別不小于75%和95%。

細(xì)骨料：天然河砂，細(xì)度模數(shù)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(jù)室內(nèi)試驗(yàn)參考配合比在施工現(xiàn)場進(jìn)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(qiáng)度檢測。為保證現(xiàn)場留置混凝土試件代表性，在拌合站和澆筑現(xiàn)場取樣制作標(biāo)準(zhǔn)試件，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至設(shè)計(jì)齡期后委托試驗(yàn)檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。混凝土28 d齡期抗壓試驗(yàn)結(jié)果，見表7。

表7 混凝土試塊抗壓強(qiáng)度檢測

依照《水利水電工程施工質(zhì)量檢驗(yàn)與評(píng)定規(guī)程》（SL176－2007）要求，混凝土試塊抗壓強(qiáng)度檢測結(jié)果合格。

（2）混凝土抗?jié)B性檢測。依據(jù)有關(guān)規(guī)范，采用逐級(jí)加壓法（水壓逐級(jí)加壓到0.6 MPa），對(duì)上述C20F150W4、C25F150W6兩個(gè)標(biāo)號(hào)混凝土試塊進(jìn)行了抗?jié)B試驗(yàn)，在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，試塊均未發(fā)生滲水現(xiàn)象，依據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（SL352—2006），其抗?jié)B等級(jí)均能滿足設(shè)計(jì)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(xì)孔中水分受到凍結(jié)，伴隨著這種相變，產(chǎn)生膨脹壓力；剩余的水分遷移到附近的空隙和毛細(xì)管中，水在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生液體壓力。在這兩種壓力作用下，混凝土遭到破壞。

根據(jù)有關(guān)規(guī)范，對(duì)上述C20F150W4、C25F150W6兩個(gè)標(biāo)號(hào)混凝土進(jìn)行了抗凍試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果，見表8。

表8 混凝土抗凍試驗(yàn)結(jié)果

兩個(gè)配合比混凝土抗凍性經(jīng)過150次凍融循環(huán)后，其相對(duì)動(dòng)彈性模量均大于75%且重量損失率小于5%，抗凍等級(jí)均達(dá)到F150。依據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（SL352-2006），其抗凍性滿足混凝土設(shè)計(jì)要求。

5 經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益分析

5.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

經(jīng)調(diào)研，天津市場膠凝材料的價(jià)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(jí)粉煤灰160 元/t，磨細(xì)礦渣230 元/t。據(jù)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(xì)礦渣用量103 kg 計(jì)算）可降低成本128.67 元，比設(shè)計(jì)的抗硫酸鹽水泥混凝土配合比價(jià)格降低約55%；比設(shè)計(jì)的混凝土防浪墻混凝土成本降低39.24元，價(jià)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(jīng)估算，僅該項(xiàng)即可節(jié)約工程投資102 余萬元。同時(shí)，采用大摻量礦物摻合料混凝土技術(shù)可以大大延長工程使用壽命，減少工程維修養(yǎng)護(hù)費(fèi)用。

5.2 技術(shù)效益分析

大摻量礦物摻合料混凝土使用了優(yōu)質(zhì)的外加劑和礦物摻合料，充分發(fā)揮礦物摻合料的形態(tài)效應(yīng)、火山灰效應(yīng)、微集料效應(yīng)，增加了漿體的密實(shí)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(jié)構(gòu)，提高了混凝土的密實(shí)性，大大降低了硫酸鹽離子和氯離子侵入混凝土內(nèi)部的數(shù)量，同時(shí)大大降低了孔溶液中堿離子濃度，有效抑制了堿骨料反應(yīng)。

本工程混凝土配合比采用的粉煤灰和磨細(xì)礦渣雙摻50%（20%粉煤灰+30%磨細(xì)礦渣）技術(shù)方案，不僅有效抑制了混凝土堿骨料反應(yīng)，同時(shí)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(shù)比設(shè)計(jì)規(guī)定的抗硫酸鹽的抗蝕系數(shù)還要高。

采用該方案配比混凝土，經(jīng)過抗壓、抗?jié)B及抗凍等試驗(yàn)，均能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

5.3 社會(huì)效益分析

我國是世界第一水泥生產(chǎn)大國，2008年水泥產(chǎn)量達(dá)到13.88 億t。水泥生產(chǎn)從礦山原料開采、破碎、預(yù)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(shí)耗費(fèi)了大量能源。粉煤灰是熱電廠的副產(chǎn)品，磨細(xì)礦渣是煉鐵生產(chǎn)的副產(chǎn)品，這些工業(yè)生產(chǎn)廢料如果直接排放環(huán)境，必然會(huì)帶來很大的環(huán)境壓力。將其應(yīng)用于混凝土中，變廢為寶，完全符合生態(tài)文明建設(shè)理念，能夠明顯減少水泥消耗，進(jìn)而減少因生產(chǎn)水泥而帶來的粉塵污染和大氣污染，具有顯著的社會(huì)效益。

6 結(jié)論

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

（2）大摻量礦物摻合料混凝土具有優(yōu)良的耐久性能，可以抑制混凝土發(fā)生堿骨料反應(yīng)，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(yīng)和硫酸鹽侵蝕兩大難題。

（3）混凝土配合比試驗(yàn)和應(yīng)用結(jié)果表明，選用粉煤灰和磨細(xì)礦渣雙摻50%技術(shù)方案所配制的混凝土拌合性能良好，物理力學(xué)性能和耐久性均能滿足設(shè)計(jì)要求。

（4）選用粉煤灰和磨細(xì)礦渣雙摻50%技術(shù)方案經(jīng)濟(jì)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(xì)礦渣等工業(yè)生產(chǎn)廢料代替部分水泥，可以減少環(huán)境污染，符合生態(tài)文明建設(shè)發(fā)展理念。

[1]中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司.大清河下游西河右堤（西河閘段）防洪堤防除險(xiǎn)加固工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R].天津：中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，2011.

[2]李克亮，黃國泓，唐修生.大摻量礦物摻合料混凝土實(shí)驗(yàn)研究[J].混凝土，2011，（9）：71-73，80.

[3]應(yīng)小林.大摻量礦物摻合料混凝土在曹娥江大閘中的應(yīng)用[J].水利建設(shè)與管理，2011，（8）：11-12，75.

[4]王志明，李雙喜.粉煤灰高性能混凝土在二工河水庫中的應(yīng)用研究[J].中國水利，2013，（12）：.20-21，32.

[5]牙琪敏.90 d設(shè)計(jì)齡期特細(xì)砂粉煤灰混凝土在某船閘工程中的應(yīng)用研究[J].水運(yùn)工程，2008，（12）：74-80.

[6]胡兆球.大摻量礦物摻合料水工高性能混凝土在三洋港擋潮閘樞紐中的應(yīng)用[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2011，（1）：60-63.