卡拉貝利工程高性能混凝土的研究與應(yīng)用

曹 力

(新疆卡拉貝利水利樞紐工程建設(shè)管理局，新疆 喀什 844000)

1 概述

卡拉貝利工程處于新疆烏恰縣境內(nèi)，是克孜河上出山口段上的一座控制性水利樞紐工程，以防洪和灌溉為主、兼顧發(fā)電。該工程是Ⅱ等大(2)型的水利樞紐工程，水庫(kù)的總庫(kù)容2.62億m3，主要建筑有砂礫石混凝土面板壩、2個(gè)泄洪排沙放空洞、溢洪道及電站等。

對(duì)工程壩址區(qū)的河水、河床內(nèi)的潛水、鉆孔內(nèi)基巖的裂隙水進(jìn)行了取樣，根據(jù)水質(zhì)分析試驗(yàn)成果，壩址區(qū)河水、河床內(nèi)潛水及基巖裂隙水中的硫酸根離子含量分別是356.3～499.5mg/L、413.1～614.8mg/L及399.6～999.6mg/L，pH值為71.9～8.64，對(duì)混凝土有結(jié)晶類(lèi)硫酸鹽型的中等—強(qiáng)腐蝕性。

通過(guò)普通水泥高性能混凝土研究，以達(dá)到對(duì)抑制硫酸鹽的侵蝕、骨料的堿活性、設(shè)計(jì)等級(jí)與施工性等方面的要求，改善混凝土的性能，節(jié)省水泥，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)合理，進(jìn)一步為高性能混凝土推廣積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

2 研究目的和設(shè)計(jì)思路

2.1 研究目的

利用符合工程實(shí)際情況及技術(shù)要求的原材料，在滿足和易性與設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的前提下，通過(guò)試驗(yàn)研究，確定了混凝土原材料之間的比例關(guān)系，選取合適的混凝土外加劑，達(dá)到改善混凝土性能和節(jié)省水泥，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)合理，滿足設(shè)計(jì)要求，施工性能良好，保證質(zhì)量最佳的混凝土配合比。通過(guò)試驗(yàn)研究，采用普通硅酸鹽水泥配制的高性能混凝土，滿足對(duì)抑制硫酸鹽的侵蝕、骨料的堿活性、設(shè)計(jì)等級(jí)與施工性的要求。

2.2 設(shè)計(jì)思路

高性能混凝土以耐久性作為試驗(yàn)設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)，依據(jù)不同用途的要求，重點(diǎn)保證混凝土的耐久性、工作性、適用性、強(qiáng)度、 體積穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。主要配置的特點(diǎn)是采取低水膠比，選擇優(yōu)質(zhì)原材料，摻加足夠數(shù)量的礦物細(xì)摻料及高效外加劑。

本試驗(yàn)研究參考了中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)CCES 01—2004《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南》，并結(jié)合工程所處的氣候和地理特點(diǎn)，高性能混凝土配制主要基本原則如下。

(1)水泥采用質(zhì)量穩(wěn)定、低水化熱和含堿量偏低水泥。

(2)骨料采用耐久堅(jiān)固、合格級(jí)配、良好粒形、潔凈的骨料。

(3)采用優(yōu)質(zhì)的粉煤灰、礦渣等礦物摻和料或者復(fù)合礦物摻和料。

(4)采用優(yōu)質(zhì)的高效減水劑，減小混凝土的水膠比，以盡量降低拌和水用量；有抗凍滲要求的混凝土，需要摻加優(yōu)質(zhì)的引氣劑，作為配制耐久混凝土常用手段。

(5)對(duì)混凝土的膠凝材料最低與最高用量做出限制，并盡量減少硅酸鹽水泥用量。

3 高性能混凝土配合比研究

3.1 混凝土配合比、拌合物性能及抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

混凝土配合比、拌合物性能及 3、7、28d 抗壓強(qiáng)度結(jié)果見(jiàn)表2。根據(jù)表2試驗(yàn)結(jié)果，其中配制C30F200W6泵送時(shí)，當(dāng)AX-1摻量為 1%，混凝土有輕度泌水，故又增加了兩組 AX-1摻量 0.8%的配合比，減少高效減水率摻量后，基本無(wú)泌水現(xiàn)象。分析對(duì)于不同強(qiáng)度等級(jí)、級(jí)配與粉煤灰摻量的混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，其結(jié)果見(jiàn)表1。混凝土配合比試拌時(shí)，膠凝材料中粉煤灰的摻量是以內(nèi)摻法，即按重量的粉煤灰等量替代水泥。從表 1結(jié)果中可以看出，28d 相關(guān)系數(shù)均大于 0.99，表明相關(guān)性較好，規(guī)律性較強(qiáng)。

表1 不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土 28d 抗壓強(qiáng)度與膠水比相關(guān)分析結(jié)果

表2 新疆卡拉貝利水利樞紐工程普通水泥高性能混凝土配合比試驗(yàn)結(jié)果

(續(xù)表2)

3.2 混凝土抗凍試驗(yàn)

混凝土抗凍性能試驗(yàn)按SL 352—2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中混凝土抗凍試驗(yàn)方法進(jìn)行，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 混凝土抗凍性試驗(yàn)結(jié)果 單位：%

本次研究進(jìn)行的抗凍試驗(yàn)，其試件選擇水灰(膠)比較大的配合比進(jìn)行抗凍融試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均符合抗凍等級(jí)為 F200或 F300設(shè)計(jì)的要求，因此推薦的混凝土配合比也均符合抗凍設(shè)計(jì)的要求，并且還有較多的富余量。

同時(shí)， 我們采用丹麥產(chǎn) RapidAir 氣孔結(jié)構(gòu)分析儀對(duì)部分抗凍試件，依據(jù)SL 352—2006中硬化混凝土氣泡參數(shù)試驗(yàn)(直線導(dǎo)線法)，對(duì)硬化混凝土28d齡期進(jìn)行氣孔結(jié)構(gòu)的測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表4。由表4中的結(jié)果可知，各配合比氣孔間距系數(shù)均小于 200μm，滿足CCES 01-2004中在最嚴(yán)酷鹽凍條件下對(duì)氣泡間距系數(shù)要求，即滿足抗凍耐久性要求，KL-28氣孔照片如圖1所示。

表4 硬化混凝土配合比 28d后氣孔結(jié)構(gòu)測(cè)試結(jié)果

圖1 氣孔照片

3.3 混凝土抗?jié)B試驗(yàn)

按照SL 352—2006中逐級(jí)加壓法進(jìn)行混凝土抗?jié)B等級(jí)分別為W6和W4的試驗(yàn)。通過(guò)各抗?jié)B設(shè)計(jì)等級(jí)不同試件試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)壓力分別加至規(guī)范規(guī)定壓力時(shí)，各種配合比成型后的6個(gè)試件均沒(méi)有出現(xiàn)滲水現(xiàn)象。經(jīng)對(duì)試件劈裂后檢驗(yàn)，其中W4試件滲水高度為10～50mm，W6試件的滲水高度是15～55mm，充分說(shuō)明混凝土的抗?jié)B性能較好。即所檢驗(yàn)試件的混凝土抗?jié)B等級(jí)均大于相應(yīng)的設(shè)計(jì)等級(jí)，符合各種抗?jié)B等級(jí)設(shè)計(jì)的要求。

4 研究結(jié)果

(1)本項(xiàng)目采用浸泡K法和干濕循環(huán)法分別模擬了混凝土結(jié)構(gòu)的兩種工況，即長(zhǎng)期完全浸泡于含硫酸鹽的環(huán)境水中和有時(shí)處于含硫酸鹽環(huán)境水中。這兩種試驗(yàn)論證的結(jié)果均表明：采用普通水泥加粉煤灰的高性能混凝土，是能夠完全達(dá)到抑制硫酸鹽侵蝕目標(biāo)。

(2)綜合浸泡法抗侵蝕的試驗(yàn)結(jié)果：在不同侵蝕溶液中，本項(xiàng)目試驗(yàn)的抗蝕系數(shù)均大于0.90，規(guī)范要求28d抗侵蝕系數(shù)大于0.8，充分說(shuō)明抗硫酸鹽侵蝕能力合格。同時(shí)，本次試驗(yàn)的誤差分析結(jié)果標(biāo)明，不同試驗(yàn)齡期抗折強(qiáng)度的試驗(yàn)誤差σ在試驗(yàn)變差系數(shù)Cv小于5%時(shí)試驗(yàn)水平達(dá)到優(yōu)良；Cv在5%～10%之間，試驗(yàn)水平達(dá)到一般。本次試驗(yàn)水平均屬于優(yōu)良。本項(xiàng)目提出以普通水泥加粉煤灰的高性能混凝土抑制硫酸鹽侵蝕的方案是可行的。

(3) 在混凝土中通過(guò)摻加30%左右，甚至更多Ⅱ級(jí)以上粉煤灰，能夠明顯改善混凝土水泥石的孔結(jié)構(gòu)，提高混凝土的抗?jié)B性能，即使水膠比0.45，抗侵蝕系數(shù)均大于規(guī)范要求的0.8。同時(shí)，參考抗折強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行3個(gè)因素的正交極差分析，粉煤灰的摻量因素，隨著齡期延長(zhǎng)，其影響程序愈來(lái)愈大。經(jīng)過(guò)微觀對(duì)水泥石進(jìn)行了電子掃描顯微鏡(SEM)和能譜分析，得出摻加一定量粉煤灰，可大大改善水泥石孔結(jié)構(gòu)，改善水泥石的水化反應(yīng)，減少了侵蝕產(chǎn)物產(chǎn)生，從而提高了抗硫酸鹽侵蝕的性能。

(4) 本項(xiàng)目提高的普通水泥加粉煤灰的高性能混凝土方案，經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)研究論證結(jié)果表明，其抑制硫酸鹽侵蝕的能力是符合要求的，且大于抗硫酸鹽水泥混凝土，基本與抗硫酸鹽水泥加粉煤灰混凝土性能相當(dāng)，且在經(jīng)濟(jì)上有比較大的優(yōu)勢(shì)。

5 試驗(yàn)結(jié)果分析

混凝土配合比試驗(yàn)過(guò)程中，首先應(yīng)考慮混凝土拌合物和易性、坍落度及粘聚性等指標(biāo)是否滿足技術(shù)指標(biāo)的要求，在此基礎(chǔ)上測(cè)定含氣量是否符合技術(shù)要求。待上述技術(shù)指標(biāo)均符合技術(shù)要求后，再成型混凝土抗壓強(qiáng)度試件，對(duì)面板趾板則需成型其它力學(xué)性能試件，否則需要重新調(diào)整用水量或砂率、以及外加劑的摻量。初步選取滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)要求的最合理混凝土配合比，在成型的抗凍、抗?jié)B和抗裂試件中進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析，最后選擇滿足設(shè)計(jì)要求、技術(shù)可靠且經(jīng)濟(jì)合理的混凝土配合比。

本工程地處寒冷地區(qū)，混凝土抗凍要求較高。針對(duì)以上對(duì)混凝土耐久性的要求，采取高性能混凝土的理念，進(jìn)行配合比的優(yōu)化，在混凝土配合比優(yōu)化試驗(yàn)過(guò)程中，主要優(yōu)化選擇的有如下幾個(gè)方面：

(1)水膠比的優(yōu)選

本混凝土配合比試驗(yàn)研究主要以試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，同時(shí)根據(jù)相應(yīng)的規(guī)范、規(guī)程對(duì)最大水膠比的要求來(lái)優(yōu)選水膠比。本試驗(yàn)中推薦有耐久性要求混凝土配合比的水膠比均較小。對(duì)于設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)較低，且具有較高耐久性要求，本試驗(yàn)則選擇相對(duì)規(guī)范要求的水膠比偏大，但通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證均能符合設(shè)計(jì)要求。

(2)粉煤灰摻量的優(yōu)選

摻粉煤灰能有效改善混凝土的工作性能及混凝土的孔結(jié)構(gòu)，使孔徑得以細(xì)化和勻化，提高了混凝土密實(shí)度，而且提高了混凝土的抗?jié)B、抗凍、抗侵蝕和抑制骨料:堿活性等主要耐久性指標(biāo)，并且減少混凝土的泌水與離析現(xiàn)象，同時(shí)減少了溫度應(yīng)力，進(jìn)而抑制溫差產(chǎn)生的裂縫等。

(3)外加劑的效應(yīng)

對(duì)外加劑性能影響最大的是水泥，不同品種的外加劑對(duì)水泥的分散、減水與增強(qiáng)效益不同，水泥適應(yīng)性好的外加劑，可以顯著改善混凝土的毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高混凝土密實(shí)度，提高混凝土的力學(xué)強(qiáng)度與抗?jié)B等耐久性，并改善新拌混凝土的和易性，增大流動(dòng)度，減少泌水和離析現(xiàn)象，根據(jù)混凝土力學(xué)性能與耐久性的試驗(yàn)結(jié)果，選取了技術(shù)可靠且經(jīng)濟(jì)合理的外加劑摻量。

一是高效減水劑。水泥水化所需用水量基本相當(dāng)于水泥質(zhì)量的1/4，即理想的水膠比是0.25。但使用該用水量拌制的混凝土如同一盤(pán)散沙，無(wú)法施工。為滿足施工需要，只有增加水量以增大混凝土的流動(dòng)度。由于混凝土用水量過(guò)大，水泥水化剩余的水較多，蒸發(fā)以后，混凝土內(nèi)部形成了較多孔隙，導(dǎo)致混凝土干縮大和裂縫多，強(qiáng)度與耐久性降低，混凝土質(zhì)量變劣。要解決這個(gè)問(wèn)題，只有采用摻減水劑的辦法。它能在相同流動(dòng)度的情況下減水8%～15%，最高可達(dá)30%以上。減水劑是一種表面活性劑，能溶解于水溶液中，并在液面定向排列，從而降低界面能。這種物質(zhì)的表面活性能使其具有濕潤(rùn)、乳化、分散、起泡、潤(rùn)滑作用，能夠大幅度地降低混凝土用水量。經(jīng)試驗(yàn)檢測(cè)，由于本試驗(yàn)所用緩凝減水劑坍落度損失較快，因此，我們建議施工前應(yīng)由廠家調(diào)整其中的緩凝成份，以避免坍落度損失過(guò)快。

二是引氣劑。引氣劑是一種表面活性劑，能降低溶液表面張力，引入大量互不貫通的微細(xì)氣泡，有引氣、分散、潤(rùn)濕作用。氣泡直徑在25～250μm之間，能夠均勻地分布在混凝土中，切斷毛細(xì)管之間的通道，從而提高了混凝土抗?jié)B性；緩和了自由水因受凍結(jié)產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力，并且能夠提高混凝土抗凍性和改善新拌混凝土和易性，依據(jù)SL 191—2008《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》4.4.7規(guī)定：“抗凍混凝土必須摻引氣劑”；SL 211—2006《水工混凝土抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》4.1.4規(guī)定“抗凍混凝土必須使用有引氣作用的外加劑”的要求?；炷林袚饺胍龤鉁p水劑，由于含氣量增大，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度降低。但可利用減水劑的增強(qiáng)作用，可彌補(bǔ)因含氣量增大所降低的強(qiáng)度損失。通過(guò)試配混凝土配合比，根據(jù)抗凍設(shè)計(jì)等級(jí)及規(guī)范對(duì)不同級(jí)配混凝土含氣量的要求，選取合適引氣劑的摻量。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果表明，推薦混凝土配合比的力學(xué)性能、抗凍及抗?jié)B等耐久性都滿足設(shè)計(jì)的要求。

6 結(jié)論

(1)不同強(qiáng)度等級(jí)、不同級(jí)配和不同粉煤灰摻量的高性能混凝土的28d相關(guān)系數(shù)均大于0.99，抗壓性能高且相關(guān)性較好，規(guī)律性較強(qiáng)。

(2)高性能混凝土硬化混凝土28d齡期的氣孔結(jié)構(gòu)測(cè)試，各配合比氣孔間距系數(shù)均小于200μm，符合抗凍耐久性要求。

(3)通過(guò)劈裂后的檢驗(yàn)，W4試件滲水高度為10～50mm，W6試件滲水高度為15～55mm，具有較好的抗?jié)B性能。

(4)通過(guò)浸泡K法和干濕循環(huán)法分別模擬了混凝土結(jié)構(gòu)的兩種工況，高性能混凝土完全可以達(dá)到抑制硫酸鹽侵蝕的目標(biāo)。

(5)高性能混凝土在溢洪道泄槽段擋墻溢0+110—溢0+138范圍進(jìn)行應(yīng)用，施工過(guò)程中高性能混凝土混凝土拌合物具有較高流動(dòng)性，在成型的過(guò)程中不分層和不離析，同時(shí)具有較高體積穩(wěn)定性。說(shuō)明高性能混凝土具有良好的工作性，抑制硫酸鹽侵蝕能力大于抗硫酸鹽水泥混凝土，與抗硫酸鹽水泥加粉煤灰混凝土性能基本相當(dāng)，且在經(jīng)濟(jì)上有比較大的優(yōu)勢(shì)。為同類(lèi)工程的運(yùn)用提供了一定參考價(jià)值。