水庫工程中高強自密實混凝土的關鍵制備技術研究

張寒冰，張 陸

（水發機電集團有限公司，山東 濟南250000）

0 引言

水利項目中對于混凝土性能要求極高，混凝土常出現的危害包括混凝土有害裂縫，經常遭受水體沖磨等。混凝土工作性、力學性以及水化溫升達不到設計要求時，將會導致貫穿裂縫形成，出現結構安全隱患［1-2］。在跋山水庫施工中，為了提高混凝土密實度，在混凝土施工前期通過試驗，在混凝土中引入超細礦物摻合料，提升不同時期水化產物總量，增加混凝土密實度，延緩水化溫升，減少溫升帶來的有害裂縫，提升結構整體安全性能［3-4］。

1 工程概況

跋山水庫位于淮河流域沂河干流中上游，是一座以防洪為主，兼顧灌溉、發電、養殖等功能的大（2）型水庫。水庫控制流域面積1782 km2，現狀總庫容5.28億m3。放水洞位于大壩東端，洞長187.10 m，為鋼筋砼圓形隧洞，洞身直徑3.5 m，最大泄量116 m3/s。洞進口處高程155.50 m，上游閘門為3.5 m×4.0 m，平面輪鋼閘門，下游設出口閘及電站，電站總裝機5640 kW。

2 試驗原材料

試驗水泥為P·O42.5級水泥，測試標準稠度需水量26.9%，3 d抗壓強度28.4 MPa，28 d抗壓強度51.9 MPa；試驗粉煤灰為I級粉煤灰，細度6.9%，燒失量2.5%，需水量比91%；試驗礦粉為S95級礦粉，比表面積不低于400 m2/kg，實測值412 m2/kg，28 d活性指數達101%；試驗硅灰7d活性指數達92%，需水量比121%；試驗中粗河砂，細度模數2.7，碎石級配良好，5 mm～25 mm連續級配；外加劑為聚羧酸高效外加劑，固含量23%，減水率28%；水為自來水。

3 高強自密實混凝土配合比

配合比設計依據項目的設計要求、配合比設計規范，粉料用量范圍為單方475 kg～503 kg，礦物摻合料取代范圍38%～56%，水膠比0.33～0.35，具體配合比見表1。

表1 混凝土配合比設計 單位：kg/m3

基礎試驗按照上述配合比進行，通過調整聚羧酸減水劑母液及小料用量，達到調整混凝土和易性的目的，確保混凝土在試驗過程中不出現泌水、泌漿以及包裹性較差等和易性問題，對新拌混凝土坍落度和擴展度進行測試，并各留置四組試塊，測試不同齡期（7 d、28 d、60 d以及90 d）抗壓強度。

4 結果與討論

4.1 高強自密實混凝土膠凝材料體系性能

4.1.1 凈漿流動度

研究礦物摻合料中粉煤灰取代率對于水泥凈漿流動度的影響，具體測試結果見表2、圖1。

表2 水泥凈漿流動度測試結果 單位：mm

圖1 水泥凈漿流動度測試結果

基于水泥凈漿流動度實驗結果，粉煤灰摻量越高，初始水泥凈漿流動度越大，主要由于粉煤灰為球形顆粒，其自身的滾珠效應會顯著降低體系粘度，提升流動性。當粉煤灰取代率達到總粉料體系的31%時，水泥凈漿流動度也達到最大值，為285 mm。

4.1.2 水泥膠砂強度

研究礦物摻合料中礦粉不同取代率對于水泥膠砂強度的影響，具體測試結果見表3、圖2。

表3 水泥膠砂強度測試結果

圖2 水泥膠砂強度測試結果

基于水泥膠砂強度實驗結果，礦粉摻量越高，3 d水泥膠砂強度偏低，但28 d水泥膠砂強度越高，主要由于礦粉水化時間集中于中后期，為體系提供中后期強度。當礦粉取代率達到總粉料體系的28%時，水泥膠砂強度也達到最大值，為72.1 MPa。

4.2 高強自密實混凝土工作性能

研究礦物摻合料中不同取代率對于混凝土坍落度及擴展度的影響，具體測試結果見表4。

表4 混凝土流動度測試結果 單位：mm

混凝土和易性主要通過調整聚羧酸減水劑母液以及小料用量比例，初始坍落度空載230 mm～240 mm之間，初始擴展度控制在265 mm～600 mm之間，達到較優性能，并進行系列配合比試驗。通過對水泥膠砂強度、混凝土和易性以及混凝土不同齡期抗壓強度的測試，從基礎配合比中優化三組配合比開展水化溫升試驗，三組配合比分別為：SP1001、SP1008、SP1016。

4.3 高強自密實混凝土力學性能

研究礦物摻合料中不同取代率對于混凝土不同齡期抗壓強度的影響，具體測試結果見表5。

表5 混凝土不同齡期抗壓強度測試結果 單位：MPa

圖3 混凝土不同齡期抗壓強度測試結果

由混凝土抗壓強度試驗數據知，混凝土7 d抗壓強度增長率范圍為34%～73%，混凝土28 d抗壓強度增長率范圍為18%～54%，混凝土60 d抗壓強度增長率范圍為0%～18%，混凝土90 d抗壓強度增長率范圍為1%～8%。由于硅灰水化時間為早期，粉煤灰水化時間為后期，礦粉水化時間為中后期，7 d、28 d強度增長較為快速，后期強度主要由粉煤灰提供，因此，60 d、90 d強度增長幅度較小。

4.4 高強自密實混凝土水化熱性能

混凝土水化熱直接影響到混凝土整體穩定性，因此，作為水利項目大體積混凝土，配合比設計應重點考慮水化溫升帶來的影響，關鍵技術在于礦物摻合料的使用，礦物摻合料的摻入可顯著延緩水化放熱速率，推遲放熱峰的出現時間，有效緩解體系內部溫度上升過快的問題，試驗研究礦物摻合料中粉煤灰與礦粉對混凝土水化熱的影響規律。在強度符合基本要求的條件下，從基礎配合比中優化三組配合比開展水化溫升試驗，三組配合比編號分別為：SP1001、SP1008、SP1016。對三組配合比體系進行水化溫升試驗。具體測試結果見表6。

表6 水化熱測試結果

由測試結果知，三組配合比中SP1001的3 d水化熱值最高，為209 kJ/kg，SP1016的3 d水化熱值最低，為128 kJ/kg；SP1001的7 d水化熱值最高，為298 kJ/kg，SP1008的7 d水化熱值最低，為222 kJ/kg。早期水化熱值得大小主要通過水泥用量決定，水泥所占比例越低，水化熱值越低。三組編號水化熱排序如下：SP1001＞SP1008＞SP1016（3 d），SP1001＞SP1016＞SP1008（7 d），SP1016較SP10087 d水化熱值偏高，主要由于SP1016中膠凝材料總用量略高于SP1008。

基于抗壓強度測試結果，SP1008的28 d、60 d抗壓強度分別為64.9 MPa、68.8 MPa，符合配合比設計要求。基于水泥膠砂強度、混凝土和易性、混凝土不同齡期抗壓強度以及水化溫升測試結果，最優配合比確定為SP1008。

5 結語

（1）混凝土長期抗壓強度增長幅度緩慢，增長幅度約0～18%，主要原因為粉煤灰摻量，粉煤灰摻量較少，無法有效提供強度增長支持。

（2）高強大體積混凝土考慮到水化熱對于體積穩定性的影響，在強度符合要求的前提下，應盡可能選取水化熱的膠凝材料體系。