水庫大壩混凝土膠凝材料研究

高章榮

（贛州市天鷹勘測設計有限公司，江西 贛州 341000）

0 引言

混凝土配合比設計過程中膠凝材料體系的優化設計目的是在一定程度上降低膠凝材料的水化熱，確保膠凝材料體系的強度保持不變甚至略有提升。降低水化熱行之有效的措施是引入低熱膠凝材料取代高熱膠凝材料，為膠凝材料體系優化以及低熱高性能混凝土性能研究提供理論依據。高性能混凝土在施工過程中要求混凝土具有良好的和易性，易于施工，不出現和易性差導致的堵管問題。同時高性能混凝土也要求混凝土不同齡期的抗壓強度滿足設計要求，甚至達到更高的強度值。優質粉煤灰、礦粉可以顯著降低體系水化放熱量，避免混凝土內部劇烈溫升，同時優化膠凝材料比例，針對工程存在的基本性能較差、抗壓強度較低等問題，通過測試流動度、倒筒時間、不同齡期抗壓強度等關鍵指標，開展大壩高性能混凝土技術攻關。

1 工程概況

某大壩為混凝土重力壩，壩頂長度為503.1 m，壩高最高為66.2 m，相應的擋水位為59.6 m，按大壩尺寸算，該工程混凝土為大體積混凝土，由于壩體鋼筋結構密集復雜，異形腔較多，要求為高性能混凝土。而施工過程中混凝土基本性能較差，同時，混凝土實體結構部分點位抗壓強度富裕值低，甚至出現強度不達標等問題。

2 試驗原材料

試驗水泥為P·O 42.5級水泥，測試標準稠度需水量27.4%，膠砂3 d抗壓強度28.6 MPa，28 d抗壓強度52.6 MPa；試驗粉煤灰為I級粉煤灰，細度4.8%，燒失量1.7%，需水量比92%；試驗礦粉比表面積420 m2/kg，膠砂7 d活性指數82%，28 d活性指數99%；試驗硅灰需水量比117%，膠砂7 d活性指數達111%；試驗中粗河砂，細度模數2.8，含泥量1.5%，碎石5～16 mm連續級配，含泥量0.5%；外加劑為聚羧酸高效外加劑，固含量20.5%，減水率21%；水為飲用水。

3 高性能混凝土配合比設計

膠凝材料用量初步確定為540～560 kg/m3，粉煤灰取代范圍0～40%，硅灰取代范圍0～5.6%，礦粉取代范圍0～30%，通過調整聚羧酸減水劑不同組分的搭配比例，達到調整混凝土和易性的目的，同時對比不同膠凝材料用量的影響，優選合理膠凝材料用量，具體配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比

4 實驗結果分析

4.1 不同因素對高性能混凝土基本性能的影響

研究不同膠凝材料用量及不同礦物摻合料取代率對于混凝土流動度、倒筒時間等關鍵指標的影響，具體測試結果見表2。

表2 混凝土性能測試

隨著粉煤灰摻量的不斷增加，混凝土流動性呈現先增加后基本不變的趨勢，主要由于粉煤灰的球形顆粒作用；隨著硅灰摻量的增加，混凝土粘聚性逐漸優異，混凝土擴展度呈現逐漸增加的趨勢，主要由于硅灰的球形顆粒作用；隨著礦粉摻量的增加，混凝土擴展度并未有顯著改善。當膠凝材料用量為560 kg/m3，粉煤灰摻量為20%時，當硅灰摻量為3.6%時，混凝土流動性好，粘聚性好，倒筒時間3.5 s。

圖1 不同因素對高性能混凝土流動性能的影響

4.2 不同因素對高性能混凝土抗壓強度的影響

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，具體測試結果見圖2。

圖2 混凝土不同齡期抗壓強度

由圖2可知，膠凝材料用量為560 kg/m3時，混凝土不同齡期抗壓強度要略高于540 kg/m3用量，不同礦物摻合料對于不同齡期的抗壓強度影響也不相同，硅灰主要提供早期強度，礦粉提供中期強度，粉煤灰提供后期強度。主要由于不同礦物摻合料水化速率不同，錯峰水化，勻速進行。當膠凝材料用量為560 kg/m3，粉煤灰摻量為20%，硅灰摻量為3.6%，礦粉摻量為20%時，混凝土不同齡期抗壓強度達到最佳值，3 d抗壓強度為28.4 MPa，7 d抗壓強度為43.7 MPa，28 d抗壓強度為58.3 MPa，60 d抗壓強度為63.7 MPa。

4.3 高性能混凝土模擬應力監測研究

研究模擬混凝土實體結構中膠凝材料用量及相應搭配比例下不同監測點應力變化情況。試塊開展應力監測，確定設計配合比可行性。

圖3 實體監測點7 d應力監測情況

圖4 實體監測點28 d應力監測情況

從應力監測情況看，7 d絕大多數監測點均低于劈裂抗拉強度，少數點高于劈裂抗拉強度，存在一定的開裂風險，但風險較低；28 d只有3個監測點應力高于劈裂抗拉強度，開裂風險極低，說明該膠凝材料用量下的礦物摻合料比例是合理的。主要由于粉煤灰、礦粉對水泥進行等比例取代，低水化熱取代高水化熱材料，整體反應平穩，熱量不聚集，大幅度降低開裂風險。

5 結論

（1）優質粉煤灰、硅灰的引入，對于改善混凝土流動性、粘聚性、保水性具有重要作用。由于粉煤灰不斷與水泥水化產物發生反應，因此可提供長齡期60 d及以上抗壓強度，當粉煤灰摻量20%、硅灰摻量3.6%時，混凝土流動性、粘度及長期強度基本達到最優值。

（2）礦粉對于改善混凝土中期（28 d）強度具有重要作用。由于在堿性條件下可激發礦粉活性，形成致密的水化產物，增加整體結構密實性，因此，礦粉的引入顯著改善混凝土中期抗壓強度，當礦粉摻量達到20%時，混凝土28 d抗壓強度達到最優值。

（3）通過對混凝土開展應力監測試驗，對不同監測點開展7 d、28 d應力監測。結果表明，28 d各點應力基本處于劈裂抗拉強度以下，表明基本無開裂風險。因此，通過優選后確定總膠凝材料用量及礦物摻合料最佳搭配比例為：膠凝材料用量為560 kg/m3，粉煤灰摻量20%、硅灰摻量3.6%、礦粉摻量20%。