礦物摻合料對鄭集河地涵除險加固工程大體積混凝土性能的影響

崔澤思

(新賓滿族自治縣水利事務服務中心，遼寧 撫順 113200)

0 引 言

在水利工程項目中，經常會涉及到大體積混凝土，大體積混凝土容易出現內部升溫過快導致的開裂，影響結構的使用安全性[1-2]。大體積混凝土配合比設計過程中最主要的技術手段就是降低膠凝材料水化熱，在不影響整體抗壓強度的同時盡可能降低水化放熱。改善水化熱最直接的措施就是摻入低熱膠凝材料，即摻入礦物摻合料。大體積混凝土在施工過程中要求混凝土具有良好的和易性能，易于施工，不出現和易性能導致的堵管問題，出泵混凝土流動性能佳，易于填充，振搗后基本無浮漿。同時大體積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[3]。優質礦物摻合料對于改善體系水化放熱量具有重要作用，有效防止混凝土內部溫度上升過快,避免裂縫得出現[4-5]。

1 工程概況

徐州市銅山區鄭集河地涵除險加固工程，位于銅山區沿湖街道辦事處境內。工程主要任務是通過對鄭集河地涵進行拆除重建(西涵洞拆除，在東涵洞處拆除重建)，消除工程安全隱患，滿足順堤河上游區間254km2排水要求，使順堤河排澇能力達到10a一遇，解決兩岸農田灌溉用水和排澇問題；在下級湖水位較低，鄭集河引下級湖水困難的時期，通過鄭集河地涵天窗引不牢河水源至鄭集河，滿足鄭集河引水要求。新建地涵由上游控制段、洞身、鄭集河引水段、下游檢修段及上下游連接段組成，涵洞總長186.3m，與鄭集河堤防呈垂直布置。按照結構尺寸屬大體積混凝土，由于涵洞內布置的鋼筋密集，對于混凝土的流動性能、間隙通過性能、自密實性能提出了嚴格的要求。而在項目施工過程中，混凝土施工性能差，間隙通過性能差，局部甚至出現石頭嚴重堆積的情況；另外，混凝土實體結構部分點位抗壓強度較低，形成結構隱患。

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27.1%，膠砂3d抗壓強度28.0MPa，28d抗壓強度53.1MPa；試驗粉煤灰為I級粉煤灰，細度5.2%，燒失量1.3%，需水量比94；試驗礦粉比表面積426m2/kg，膠砂7d活性指數85%，28d活性指數104%；試驗硅灰需水量比121%，膠砂7d活性指數達119%；試驗中粗河砂，細度模數2.7，含泥量1.8%，碎石5-16mm連續級配，含泥量0.7%；外加劑為聚羧酸高效外加劑，固含量21.1%，減水率20%；水為飲用水。

3 大體積混凝土配合比設計

分析膠凝材料總量及不同礦物摻合料搭配比例對混凝土性能的影響。膠凝材料用量初步確定為500-520kg/m3，粉煤灰取代范圍0-35%，硅灰取代范圍0-5.0%，礦粉取代范圍0-25%，調整聚羧酸減水劑不同組分的搭配比例和用量，調整混凝土和易性，具體配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比 kg/m3

4 實驗結果分析

4.1 不同因素對大體積混凝土基本性能的影響

研究不同不同膠凝材料用量及不同礦物摻合料取代率對于混凝土擴展度、倒筒時間等關鍵指標的影響，具體測試結果見表2。不同因素對大體積混凝土流動性能的影響如圖1所示。

表2 混凝土性能測試

圖1 不同因素對大體積混凝土流動性能的影響

礦物摻合料對于改善混凝土和易性及黏聚性具有積極作用。隨著粉煤灰摻量的不斷增加，混凝土流動性能呈現先增加后基本不變的趨勢，主要由于粉煤灰的滾珠效應，整體降低了顆粒間的摩擦阻力；隨著硅灰摻量的增加，混凝土黏聚性不斷提升，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，但硅灰加入較多后，其高需水比導致混凝土整體黏度較大，不利于施工；礦粉對于混凝土擴展度并未有顯著改善。當膠凝材料用量為520kg/m3，粉煤灰摻量為25%時，當硅灰摻量為2.9%時，較膠凝材料用量為500kg/m3體系混凝土流動性好，黏聚性好，倒筒時間3.4s，整體黏度低，松軟，易于施工。

4.2 不同因素對大體積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

由圖可知，膠凝材料用量為500kg/m3時，混凝土不同齡期抗壓強度與膠凝材料用量為540kg/m3體系并沒有顯著區別。不同礦物摻合料種類及搭配比例對于不同齡期的抗壓強度影響也不相同，硅灰活性較高，水化快，主要提供早期強度，礦粉與粉煤灰需要堿性條件激發，主要提供中期強度和后期強度。當膠凝材料用量為520kg/m3，粉煤灰摻量為25%，硅灰摻量為2.9%，礦粉摻量為15%時，混凝土不同齡期抗壓強度達到最佳值，3d抗壓強度為30.7MPa，7d抗壓強度為46.0MPa，28d抗壓強度為60.6MPa，60d抗壓強度為70.1MPa。

4.3 大體積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。監測優選配合比水化放熱的合理性。實體監測點14d、28d應力監測情況如圖3所示。

(a)各監測點 (b)各監測點

測試結果中14d有3個點高于劈裂抗拉強度，存在一定的開裂風險，但風險相對較低；28d只有3個監測點應力高于劈裂抗拉強度，開裂風險極低，說明優選后的礦物摻合料比例有效降低了水化放熱量，體系內部未出現劇烈放熱導致的局部溫升過高的問題。

5 結 論

1)優質粉煤灰、硅灰可提升混凝土和易性。降低黏度。當粉煤灰摻量25%、硅灰摻量2.9%時，混凝土流動性、黏度及長期強度基本達到最優值。

2)優質礦粉可提升混凝土中期(28d)抗壓強度。當礦粉摻量達到15%時，混凝土28d抗壓強度達到最優值。

3)應力監測試驗結果表明，混凝土28d齡期下，各點應力基本未超過劈裂抗拉強度，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520kg/m3，粉煤灰摻量25%、硅灰摻量2.9%、礦粉摻量15%。