水利工程加固中微膨脹混凝土的配比應用

鄭冬保

水利工程加固中微膨脹混凝土的配比應用

鄭冬保

一、概述

某大型水庫連拱壩裂縫嚴重，除險加固工程設計采用在垛墻底部回填微膨脹混凝土等措施進行處理，用以加強垛墻的整體性和剛度，提高承載能力和結構安全度，利用其后期膨脹變形來補償混凝土的干縮和溫降收縮變形，以保證新老混凝土之間的結合，防止混凝土產生裂縫，因此進行該工程微膨脹混凝土性能的各項試驗研究便成為了首要工作。以下主要對微膨脹混凝土配合比的選擇過程、各項物理性能試驗研究和實際應用效果進行闡述。

二、微膨脹混凝土性能設計要求

（1）混凝土的強度等級和骨料級配：C30和C15泵送混凝土，二級配。

（2）在氣溫5℃～30℃時，混凝土拌合物攪拌后30min泵送混凝土坍落度為11～12cm。

（3）混凝土28d的自身體積變形達到80×（10-6），混凝土90d的自身體積變形達到150×（10-6）。

三、微膨脹混凝土試驗內容

（1）對擬采用的水泥、粉煤灰、骨料等原材料進行檢驗，并按有關標準進行評價。

（2）根據微膨脹混凝土性能設計要求，確定微膨脹混凝土的推薦配合比。

（3）按設計要求，進行推薦配合比（二級配C30、C15）的混凝土拌合物性能、物理力學性能、干縮變形率、限制膨脹率、自身體積變形和線膨脹系數等試驗，提供滿足設計和施工要求的配合比。

四、原材料

（1）砂：Ⅱ區中砂，細度模數2.7，級配良好，含泥量、泥塊含量及所檢其他性能均符合規范要求。

（2）石子：二級配碎石，級配良好，含泥量、泥塊含量及所檢其他性能均符合規范要求。

（3）水泥：普硅32.5級和42.5級水泥，C30微膨脹混凝土選用42.5級水泥，C15微膨脹混凝土選用32.5級水泥。水泥的密度、細度、強度、安定性、凝結時間、標準稠度用水量均符合規范要求。

（4）粉煤灰：I級粉煤灰，密度、細度、需水量比、燒失量、含水率，三氧化硫、氧化鎂、氧化鉀和氧化鈉含量均符合規范要求。

（5）外加劑：采用了UEA-Ⅲ低堿高效混凝土膨脹劑，氧化鎂含量、總堿量、強度和限制膨脹率均符合標準《混凝土膨脹劑》要求。

五、微膨脹混凝土的配合比設計

1.微膨脹混凝土配制強度的確定

如果所配制混凝土的強度值與混凝土的設計要求強度相等，則其強度保證率只有50%，為使混凝土具有較高的強度保證率，在進行配合比設計時，必須使混凝土的配制強度高于設計要求的強度。依據《水工混凝土施工規范》，預期配制強度參數為：C30混凝土概率度系數t為1.65，強度標準差σ為4.5MPa，強度保證率P為95%，配制強度為37.4MPa。C15混凝土概率度系數t為1.65，強度標準差σ為3.5MPa，強度保證率P為95%，配制強度為20.8MPa。

2.微膨脹混凝土配合比設計試拌成果

根據上述配合比設計原則，在泵送微膨脹混凝土試驗成型之前，進行了以水膠比，單位用水量等為因素水平的試驗，其部分試拌成果見表1。

表1 微膨脹混凝土試拌配合比表

試拌表明：泵送微膨脹混凝土同普通混凝土一樣，其抗壓強度仍遵循“水灰比定則”，即混凝土的抗壓強度由水膠比的大小決定。從表1可看出，混凝土的28d抗壓強度與水膠比的倒數—膠水比成正比。

3.微膨脹混凝土推薦配合比

根據此次試拌情況，考慮混凝土的耐久性等要求，結合其他工程經驗，按《水工混凝土外加劑技術規范》（DL/T5100-1999）、《混凝土外加劑應用技術規范（50119-2003）、《水工混凝土施工規范》（DL/T5144-2001）、《水工混凝土試驗規程》（SD105-82）等現行國家行業標準規定，確定推薦配合比見表2。

表2 微膨脹混凝土推薦配合比表

六、微膨脹混凝土試驗成果

根據所選定的推薦配合比，進行了微膨脹混凝土拌合物性能、不同齡期抗壓強度、軸心抗拉強度、抗拉彈模、極限拉伸值、線膨脹系數、干縮變形率、限制膨脹率和自身體積變形試驗。整個試驗研究過程按照《水工混凝土試驗規程》進行。

1.微膨脹混凝土拌合物性能

混凝土拌合物性能試驗結果見表3。

表3 微膨脹混凝土拌合物性能一覽表

從表3分析可知：兩個推薦配合比混凝土拌合物拌合后30min的坍落度H30分別為12.0cm、11.5cm，滿足設計11～12cm的要求。混凝土拌合物容重大于2400kg/m3，每立方米混凝土膠凝材料總量分別為336.0kg、347.2kg，均滿足有關規范要求。

2.微膨脹混凝土的物理力學性能

兩個推薦配合比不同齡期的微膨脹混凝土抗壓強度、抗拉強度、抗拉彈模、極限拉伸值列于表4。

（1）微膨脹混凝土的抗壓強度、抗拉強度均隨齡期的增長而增加。這主要是因為混凝土中摻粉煤灰后，粉煤灰中的有效成份SiO2、Al2O3與水泥水化產物Ca（OH）2發生作用，生成堿度較低的二次水化物—水化硅酸鈣膠體和水化鋁酸鈣晶體，從而起到增強作用。但這種二次水化作用的效果非常緩慢，需要較長的時間。混凝土的前期強度主要靠水泥水化產物的凝結硬化。隨著齡期的增長，一方面混凝土內的水泥繼續凝結硬化，另一方面是所摻入粉煤灰的二次水化反應逐漸加強，水化產物不斷生成，使水泥石更密實堅硬，從而大幅度提高混凝土的后期強度。一般粉煤灰的質量越好、摻量越大，這種現象就越明顯。

表4 推薦配合比微膨脹混凝土物理力學性能表

（2）微膨脹混凝土的抗拉彈性模量受骨料的種類及彈性模量、水泥石的結晶程度及混凝土的灰骨比，強度等因素影響。它隨著混凝土的強度、齡期的增長而增加。

（3）混凝土的極限拉伸值越大，其抗裂性愈強，它的大小主要受膠凝材料用量、混凝土的抗拉強度、骨料的種類及混凝土養護齡期等因素影響。

3.微膨脹混凝土的干縮變形、限制膨脹率、自身體積變形和線膨脹系數

（1）微膨脹混凝土的干縮變形

混凝土單位用水量的多少，是影響其干縮率的重要因素。當混凝土中的水泥用量不變時，混凝土的干縮率隨水灰比的增大而增加。水泥顆粒愈細，干縮也愈大。在一定范圍內，UEA-Ⅲ低堿高效混凝土膨脹劑用量越高，對混凝土收縮的補償作用越明顯，干縮就越小。編號PZ5試件比PZ8同齡期干縮率大，主要是因為PZ5比PZ8的水泥顆粒細，水灰比大，每立方米混凝土中PZ5比PZ8的單位用水量大。兩個推薦配合比混凝土的干縮變形試驗結果如表5所示。

表5 推薦配合比微膨脹混凝土的干縮率表

（2）微膨脹混凝土的限制膨脹率

為了補償混凝土的收縮，改善混凝土的性能，在混凝土拌合時添加了UEA-Ⅲ低堿高效混凝土膨脹劑，能利用其后期膨脹變形使混凝土在水化過程中產生一定的體積膨脹。在有約束條件下，由于膨脹劑的作用，混凝土能產生一定的自應力。兩個推薦配合比混凝土的限制膨脹率試驗結果列于表6。

表6 推薦配合比微膨脹混凝土的限制膨脹率表

（3）微膨脹混凝土的線膨脹系數

線膨脹系數是表示混凝土溫度每變化1℃，沿其長度方向尺寸的相對變化量。由于水泥石的線膨脹系數在11～20 （10-6/℃）之間，骨料的線膨脹系數在5～13（10-6/℃），因此微膨脹混凝土的線膨脹系數處于兩者之間，它的大小與灰骨比和骨料的性質有關。實測編號PZ5、PZ8試件28d線膨脹系數分別為8.44（10-6/℃）、8.59（10-6/℃）。

（4）微膨脹混凝土的自身體積變形

測定微膨脹混凝土在恒溫絕濕條件下，僅僅由膠凝材料自身水化作用所引起的體積變化，即自身體積變形（不包括混凝土受外荷、溫度、濕度等影響所引起的體積變形）。混凝土的自身體積變形受水泥及膠凝材料的性質、化學成份影響。實測編號PZ5試件28d自身體積變形為243.98（10-6），PZ8試件28d自身體積變形為172.02（10-6）。兩個推薦配合比的微膨脹混凝土28d的線膨脹系數及自身體積變形試驗結果列于表7。

表7 微膨脹混凝土的線膨脹系數和自身體積變形試驗結果表

七、結語

所推薦的兩個配合比微膨脹混凝土的拌和物性能、28d抗壓強度、28d和90d自身體積變形均滿足設計要求。實踐證明，通過周密細致的試驗研究，可以選擇配制出性能優良，既經濟又滿足設計和施工要求的微膨脹混凝土。通過幾個大型水庫加固的實際考驗，微膨脹混凝土在保證新老混凝土結合，防止混凝土裂縫產生方面起到了很好的效果。在實際施工時要嚴格按有關規范要求準確計量各種材料，并根據骨料實際含水情況換算成施工配合比，混凝土的攪拌、運輸、澆筑和養護要嚴格按水工混凝土施工等相關規范進行

（作者單位：安徽省·水利部淮委水利科學研究院 233000）

（專欄編輯：顧 梅）