干硬性混凝土在河道整治工程中的應(yīng)用研究

盛德民

(江西省萬安縣水利局，江西 萬安 343800)

干硬性混凝土作為一種新型建筑材料，在市政工程、公路工程、機場工程等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，由于其具有低水灰比、流動性小、收縮性小、抗凍性好以及早期強度高等特性，在水利工程領(lǐng)域也逐漸在普及應(yīng)用[1-5]。

在天然水域中，經(jīng)常發(fā)生沖刷和淤積現(xiàn)象，不僅容易發(fā)生水害，還對航運、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等產(chǎn)生影響，因此河道整治是水利工程中的重要一環(huán)，包括治導(dǎo)、疏浚和護(hù)岸等工程[6-10]。在護(hù)岸工程施工中，一般要求兼具生態(tài)和工程多方效益，采用干硬性混凝土預(yù)制構(gòu)件不僅能解決河岸沖刷問題，而且還能降低工程造價和縮短施工工期，是一種低能耗、低污染的綠色生態(tài)施工方法，因此在河道護(hù)岸施工中具有廣闊的應(yīng)用前景[11-14]。但目前關(guān)于硬性混凝土預(yù)制構(gòu)件在水力工程中的應(yīng)用還比較鮮見，并未形成一套完整的技術(shù)體系，同時由于水利工程涉及復(fù)雜的水環(huán)境，對干硬性混凝土砌塊性能的要求更高，其強度要求與市政、公路等也存在區(qū)別，必須找到與現(xiàn)場施工相匹配的快速有效的檢測手段。

本文對干硬性混凝土預(yù)制塊的最佳配比、河道護(hù)砌施工工藝以及現(xiàn)場強度檢測手段進(jìn)行了探討分析，以期能為干硬性混凝土在河道整治工程中的應(yīng)用提供借鑒。

1 工程背景

江西省鄱陽湖流域某河道具有重要的引水、排澇和通航功能，但是由于河道兩岸目前為土質(zhì)(壤土、砂土或者砂壤土為主)邊坡，既不能滿足抗沖刷或者防滲的要求，當(dāng)兩岸邊坡沖刷嚴(yán)重或者塌方后淤泥堵塞河道，也不能滿足船舶的安全通行要求，為消除工程的安全隱患，充分發(fā)揮河道的工程效益，有必要對河道進(jìn)行疏浚，同時對河道兩岸岸坡進(jìn)行護(hù)砌施工，從而保證河道兩岸及其影響范圍內(nèi)的農(nóng)田不被侵蝕，為引排水、航運和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供安全穩(wěn)定的條件。在本工程中，綜合考慮地形地質(zhì)、水文以及工程成本等因素，河道兩岸護(hù)砌決定采用干硬性混凝土預(yù)制塊進(jìn)行施工。

2 配合比設(shè)計

2.1 試驗原材料及設(shè)計方案

水泥：水泥選用PO42.5和PO52.5兩種強度等級，主要化學(xué)成分均為氧化鈣、二氧化硅和氧化鋁，PO42.5標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為28.9%，28d抗折和抗壓強度分別為8.2MPa和50MPa，主要用于C35以下強度等級的預(yù)制塊施工，PO52.5標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為28.5%，28d抗折和抗壓強度分別為9MPa和60MPa，主要用于C35以上強度等級的預(yù)制塊施工。骨料：粗骨料粒徑為5～20mm連續(xù)分布，含泥量為0.8%，壓碎值為6.3%，針片狀含量為1%；細(xì)骨料為天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2.5(中砂)，含泥量為0.8%，氯離子含量為0.003%。粉煤灰：Ⅱ級粉煤灰，細(xì)度為20.2%，需水比為102%，平均燒失量為6.3%，SO3含量為2.0%。水：市政自來水。

采用振動+擠壓方式將預(yù)制塊制成邊長為30cm，厚度為15cm的六棱柱，分別探討水灰比、砂率和粉煤灰替代率對干硬性混凝土強度的影響。水灰比設(shè)計0.3、0.35、0.4和0.45四種，砂率設(shè)計30%、35%、40%、45%和50%五種，粉煤灰替代率設(shè)計10%、15%、20%、25%和30%五種。

2.2 水灰比的影響

試驗得到的不同水膠比下干硬性混凝土的抗壓強度變化特征如圖1所示。從圖1中可以看到：隨著齡期的增加，干硬性混凝土預(yù)制塊的抗壓強度呈逐漸增長的變化趨勢，但是后期強度的增長速度逐漸放緩；相同齡期下，水膠比越大，抗壓強度越小，28d齡期下，0.3、0.35、0.4和0.45水膠比下對應(yīng)的干硬性混凝土強度分別為44MPa、39 MPa、36 MPa和32.5 MPa，因此干硬性混凝土的水膠比不宜太大。

圖1 水膠比對干硬性混凝土強度的影響

2.3 砂率的影響

以水灰比0.3為基礎(chǔ)，試驗得到不同砂率下干硬性混凝土的抗壓強度變化特征如圖2所示。從圖2中可以看出：在相同齡期下，隨著砂率的增加，干硬性混凝土的強度呈先增大后減小的變化特征。當(dāng)砂率為0.35時，干硬性混凝土的強度值最高，這是因為砂率改變會導(dǎo)致混凝土中的漿集比發(fā)生改變，混凝土的和易性就會發(fā)生變化，當(dāng)砂率太低時，混凝土漿體太少，粗骨料之間無法形成有效的膠結(jié)，從而導(dǎo)致強度降低，當(dāng)砂率太高時，由于干硬性混凝土本身水灰比較小，流動性較小，再加之高砂率的影響，導(dǎo)致混凝土在攪拌過程中更加困難，使得試件內(nèi)部分布有很多不均勻的孔隙，從而導(dǎo)致強度降低，因此干硬性混凝土的最佳砂率為0.35。

圖2 砂率對干硬性混凝土強度的影響

2.4 粉煤灰摻量的影響

以水灰比0.3和砂率0.35為基礎(chǔ)，試驗得到不同粉煤灰替代率下干硬性混凝土的抗壓強度變化特征如圖3所示。粉煤灰在混凝土中具有形態(tài)效應(yīng)、填充效應(yīng)和火山灰活性，粉煤灰摻入之后，可減少混凝土單位體積的用水量，同時粉煤灰顆粒填充在混凝土的孔隙間隙中，使混凝土更加密實，粉煤灰的火山灰反應(yīng)會生成凝膠狀物質(zhì)，這些凝膠物質(zhì)填充在水泥石的孔隙結(jié)構(gòu)中，從而使得混凝土水化產(chǎn)物的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加緊致，從而提升混凝土強度。從圖3中可知：隨著粉煤灰替代率的增加，干硬性混凝土的抗壓強度呈先增大后減小的變化特征，相同齡期下，當(dāng)粉煤灰替代率為10%～20%時，干硬性混凝土的強度相差不大，當(dāng)粉煤灰替代率超過20%后，干硬性混凝土的強度有較大的幅度降低，當(dāng)粉煤灰替代率為20%時，干硬性混凝土的強度最高。

圖3 粉煤灰對干硬性混凝土強度的影響

綜上所述：干硬性混凝土預(yù)制塊的最佳配比方案為：水灰比0.3，砂率0.35，粉煤灰替代率20%。

3 現(xiàn)場施工及檢測

3.1 施工工藝流程

利用干硬性混凝土預(yù)制塊對河道兩岸進(jìn)行護(hù)砌施工，首先需要對原始河道坡面進(jìn)行修整，原始河道兩岸邊坡多為自然邊坡，凹凸不平，一來影響護(hù)砌美觀性，二來可能導(dǎo)致水流對凹凸縫隙進(jìn)行沖刷和掏空，從而影響護(hù)砌整體的長期穩(wěn)定性，坡面修整后應(yīng)采用平整度儀對坡面平整度進(jìn)行檢測，一個檢測斷面為15～20m長，每個檢測斷面檢測點數(shù)量不少于5個，凹凸處≤1cm；其次，坡面修整完畢后，應(yīng)采用機械+人工方式進(jìn)行齒槽開挖工作，開挖齒槽的目的是保證干硬性混凝土預(yù)制塊可以更穩(wěn)定地固定在河道邊坡上；然后，進(jìn)行土工布的鋪設(shè)工作，提高護(hù)砌整體的防滲特性，鋪設(shè)過程中應(yīng)注意土工接縫尺寸和質(zhì)量；接著，再進(jìn)行砂石墊層的鋪設(shè)，砂石墊層料應(yīng)分層分段連續(xù)均勻鋪設(shè)，墊層鋪設(shè)應(yīng)自上而下；最后，在墊層鋪設(shè)完成后，應(yīng)立即進(jìn)行預(yù)制塊的鋪設(shè)，施工時應(yīng)自上而下，鋪設(shè)過程中應(yīng)保持預(yù)制塊整體平整，咬合緊密，施工作業(yè)人員應(yīng)站在預(yù)制塊上施工，避免土工布產(chǎn)生破損。干硬性混凝土預(yù)制塊鋪設(shè)施工流程如圖4所示。

圖4 干硬性混凝土預(yù)制塊鋪設(shè)施工流程

3.2 現(xiàn)場檢測

干硬性混凝土預(yù)制塊在運輸、鋪設(shè)以及長期的使用過程中，結(jié)構(gòu)可能會出現(xiàn)損壞，此時干硬性預(yù)制塊便很難滿足水利工程的長期安全與有效使用。因此，在干硬性混凝土預(yù)制塊鋪設(shè)完成之后以及每運行一段時間，有必要在現(xiàn)場對預(yù)制塊進(jìn)行檢測。本文采用針貫入法以及拉脫法對預(yù)制塊強度進(jìn)行現(xiàn)場檢測，同時與室內(nèi)抗壓試驗結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以看到：采用針貫入法時，貫入深度隨著預(yù)制塊抗壓強度的升高而逐漸降低，采用拉脫法時，拉脫應(yīng)力隨著預(yù)制塊強度的增大而逐漸增大，貫入深度、拉脫應(yīng)力與預(yù)制塊強度之間呈良好的線性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R2分別為0.8126和0.8414，表明兩種方法在干硬性混凝土預(yù)制塊無損檢測中均具有相當(dāng)?shù)暮侠硇浴?/p>

圖5 兩種方法測試結(jié)果與室內(nèi)強度關(guān)系

采用針貫入法時，干硬性混凝土的測試強度與貫入深度之間可用下式計算。

(1)

采用拉脫法時，干硬性混凝土的測試強度與拉脫應(yīng)力之間可用下式計算。

(2)

式中，σ—拉脫應(yīng)力，MPa。

將貫入深度λ代入式(1)，將拉脫應(yīng)力σ代入式(2)，分別得到兩種方法的測試強度與試驗抗壓抗壓強度之間的關(guān)系，如圖6所示。從圖中可以看到：采用針貫入法進(jìn)行測試時，當(dāng)干硬性混凝土強度低于30MPa時，測試強度與實際強度基本一致，擬合度較高，但當(dāng)強度大于30MPa后，測試強度與實際強度相差較大，擬合度并不高；采用拉脫法進(jìn)行測試時，無論混凝土強度是多少，測試強度與實際強度之間均具有較高的一致性，擬合度較高；在所有48組測試試驗中，采用針貫入法的平均誤差為9%，采用拉脫法的平均誤差為11.1%。

圖6 測試強度與室內(nèi)抗壓強度關(guān)系

拉脫法在測試時，受預(yù)制塊試件尺寸、形狀、表面狀態(tài)、加荷速率等因素的影響，容易導(dǎo)致拉脫應(yīng)力失真，且拉脫法測試時很容易對試件產(chǎn)生破壞，而針貫入法測試設(shè)備相對簡單，測試的效率更快，對預(yù)制塊也不會產(chǎn)生過大的破壞。因此綜合測試結(jié)果，當(dāng)干硬性混凝土預(yù)制塊的強度等級低于C30時，建議采用針貫入法進(jìn)行測試[15]，當(dāng)干硬性混凝土預(yù)制塊的強度等級高于C30時，建議采用拉脫法進(jìn)行測試。

4 結(jié)語

通過室內(nèi)配合比試驗和現(xiàn)場檢測試驗，得出如下結(jié)論：

(1)干硬性混凝土預(yù)制塊的最佳配比方案：水灰比0.3，砂率0.35，粉煤灰替代率20%。

(2)干硬性混凝土預(yù)制塊現(xiàn)場施工工藝為：坡面修整→齒槽開挖→土工布鋪設(shè)→墊層鋪設(shè)→預(yù)制塊鋪設(shè)。

(3)針貫入法與拉脫法均能用于干硬性混凝土預(yù)制塊強度檢測，貫入深度、拉脫應(yīng)力與預(yù)制塊強度之間呈良好的線性相關(guān)性，兩種方法測試得到的預(yù)制塊強度與實際強度的平均誤差分別為9%和 11.1%。

(4)當(dāng)干硬性混凝土預(yù)制塊的強度等級低于C30時，建議采用針貫入法，當(dāng)強度等級高于C30時，建議采用拉脫法。