麻田堤防大壩鋼筋混凝土配合比設計與試驗分析

張勝克

(江西省水利水電開發有限公司，南昌 330046)

1 工程概況

萍鄉武功山麻田堤防建設項目建設內容主要有東江河、麻田河及石溪河河道疏浚，3條河道護岸堤防建設以及3條河道新建攔河陂壩13座，改造修復陂壩9座，新建景觀壩1座，單個陂壩圍堰平均高度5.0m，平均長度60m。本工程混凝土生產系統布置HZS180拌和站一座，膠凝材料儲罐、外加劑車間、供風、供水、供電及其它附屬設施等，主要為擋墻、陂壩施工提供所需常態混凝土。

在設計階段，工程所在地市勘測設計院承擔起大壩混凝土配合比設計及性能試驗任務，主要結合設計要求并根據材料特性，著重提升混凝土材料抗裂、耐久等工程特性。考慮到工程所在地缺乏優質粉煤灰資源，但電爐磷渣資源相對富足，故對磷渣代替粉煤灰作為混凝土摻合料的可行性進行了試驗分析。

2 原材料性能試驗

2.1 水泥物理指標及水化熱試驗

本工程使用的是強度等級42.5的低堿普通硅酸鹽水泥，細度0.5%，比表面積348m2/kg，密度3.06g/cm3，標準稠度下用水量28%，穩定性良好，初凝和終凝時間分別為164min和227min，3d、28d抗壓強度和抗折強度分別為30.4MPa、52.2MPa和6.1MPa、8.4MPa，均滿足《通用硅酸鹽水泥》(GB175-2007)相關要求。所用強度等級42.5的低堿硅酸鹽水泥3d、7d水化熱分別為219kJ/kg和269kJ/kg。

2.2 粉煤灰性能試驗

本工程所用Ⅱ級粉煤灰細度12.8%，實際含水量0.4%，需水量比為103%，三氧化硫含量1.3%，燒失量7.6%，符合《水工混凝土摻用粉煤灰技術規范》(DL/T5055-2007)相關要求。隨粉煤灰摻量的增大，膠砂強度隨之減小[1]，粉煤灰摻量與膠砂抗壓強度關系曲線，見圖1，28-90d強度最大可增長1.65倍。

圖1 粉煤灰摻量與膠砂抗壓強度關系曲線

2.3 集料及外加劑性能試驗

所用砂料中石粉含量20.1%，細度模數2.81，吸水率1.84%，堆積密度1600kg/m3，表觀密度2610kg/m3。集料物理力學性能，見表1。

表1 集料物理力學性能

減水劑使用SBTJM-Ⅱ型減水劑，其摻量為0.65%，減水率18.6%，含氣量2%，泌水率34.9%，初凝和終凝時間分別為166min和204min，3d、7d、28d抗壓強度比分別為160%、159%和126%。引氣劑則使用GYQ-Ⅰ型，設計摻量0.01%，減水率7.9%，含氣量5.2%，泌水率46%，初凝和終凝時間分別在14min和31min以上，3d、7d、28d抗壓強度比分別為94%、108%、98%。

3 混凝土配合比設計與試驗

3.1 混凝土配合比參數

混凝土是硅酸鹽水泥和骨料的混合物，通過摻加適量水，使硅酸鹽水泥水化為微觀不透明晶格結構，并充分結合和包裹骨料，形成整體性較強的結構，混凝土配合比設計主要遵循“填充包裹理論”[2]，即采用水泥漿填充骨料間的孔隙并裹覆在骨料表面，預留出一定富余，以使鋼筋和混凝土層間黏結性能進一步提升。在進行麻田堤防大壩混凝土配合比設計時，主要涉及骨料級配、外摻劑摻量、用水量、砂率、水膠比、磷渣及粉煤灰摻量、輕燒MgO摻量等參數的確定。

3.1.1 骨料級配

根據集料組合密度試驗結果，二級配混凝土中石和小石各占55%和45%時，混凝土澆筑壓實密度可達最大值1770kg/m3，孔隙率34.8%。壩體三級配混凝土中大石、中石和小石各占50%、20%和30%時混凝土澆筑壓實密度可達其最大值1940kg/m3，孔隙率28.5%；而大石、中石和小石各占35%、35%和30%時混凝土澆筑壓實密度次之，取1920kg/m3。大石含量越多，則混凝土離析發生的可能性越大，為避免集料離析，二級配混凝土中石和小石占比應分別為55%和45%，而壩體三級配混凝土中大石、中石和小石占比應分別為35%、35%和30%。

3.1.2 外加劑摻量

麻田堤防大壩鋼筋混凝土外加劑主要包括減水劑和引氣劑等。按照廠家所推薦的0.6%的摻量摻加減水劑時，減水率均在18%以上，且效果相差不大，為此，減水劑摻量應按0.6%確定。結合混凝土含氣量性能試驗，隨粉煤灰摻量的增大，為獲得相同含氣量而需要摻加的引氣劑量必須隨之增加：粉煤灰摻量為50-60%，碾壓混凝土設計含氣量為3.5-4.0%，引氣劑摻量應按0.08-0.12%確定。

3.1.3 砂率及用水量

在用水量、粉煤灰摻量及水膠比既定的情況下，根據試驗得到澆筑振動至表面泛漿所需時間與砂率的關系曲線，曲線最低點所對應的砂率即為該大壩混凝土最優砂率值[3]，根據澆筑振動至表面泛漿所需時間試驗，并可得出最佳用水量。二級配混凝土和壩體三級配混凝土最優砂率分別為37-38%和33-34%，用水量分別為95kg/m3和85kg/m3，若摻加磷渣代替粉煤灰，則用水量應在此基礎上增加4-5kg/m3。

3.1.4 水膠比及磷渣、粉煤灰摻量

碾壓混泥土水膠比以及磷渣、粉煤灰等摻量是影響其極限拉伸值、強度及結構耐久性的主要參數，水膠比分別取0.50、0.55，粉煤灰及磷渣摻量分別為30%、40%、50%和60%，根據試驗，選用碾壓混凝土力學變形性能及耐久性最佳的摻量及水膠比。

3.1.5 輕燒MgO摻量

在充分考慮混凝土體積穩定性的基礎上確定輕燒MgO摻量。按照國標規定，水泥內MgO摻量應控制在5%以內，但在壓蒸穩定性檢驗合格的基礎上其摻量可放寬至6%。而混凝土中水泥用量較少，無法采用國標規定，只能根據MgO重量在膠凝材料量中的占比進行控制，麻田堤防大壩混泥土按照外摻膠凝材料用量的3%確定輕燒MgO摻量。

3.2 混凝土配合比設計性能試驗

在確定出本堤防工程大壩混凝土配合比參數的基礎上，進行包括混凝土強度、極限拉伸值以及膨脹劑、粉煤灰、磷渣對混凝土性能影響等在內的混凝土配合比設計性能試驗。根據試驗結果，粉煤灰摻量增大會使碾壓混凝土抗壓強度降低，且在其摻量不超出60%時，碾壓混凝土抗壓強度的降幅始終比粉煤灰摻量百分數低；NF-M2膨脹劑的摻加會對混凝土極限拉伸值和強度產生較大影響，而混凝土抗壓強度僅降低9-25%；在相同的摻量下，摻磷渣的混凝土極限拉伸值和抗壓強度比摻粉煤灰的混凝土略高，在復摻磷渣和粉煤灰后，混凝土極限拉伸值、強度進一步提高，抗裂性提升，但干縮值及水化熱變動不明顯。綜上而言，混凝土抗壓強度并非配合比設計控制性參數，而極限拉升值、自生體積變形及抗壓彈性模量才是混凝土配合比設計的控制參數。粉煤灰摻量40-60%，水膠比0.55，90d齡期混凝土抗壓強度可達26.5-33.0MPa，28d齡期混凝土極限拉伸值達72×10-4-80×10-4，抗壓彈性模量可達30GPa，完全符合麻田堤防新建攔河陂壩混凝土設計要求。

3.3 混凝土配合比選用

根據以上對麻田堤防新建攔河陂壩混凝土配合比基本性能試驗的分析，并綜合考慮抗裂、抗滲等施工性能和層面結合，大壩內部混凝土膠凝材料用量應≥150kg/m3，并將水膠比降至0.50，增大粉煤灰和磷渣摻量，為簡化操作，只摻加65%的磷渣或粉煤灰。河道上游防滲層混凝土防滲要求較高，為此，水膠比按0.50確定，為避免粉煤灰摻量過小會導致混凝土抗壓彈性模量超出設計以及粉煤灰摻量過大會使混凝土極限拉伸值、抗滲性、強度等無法達到設計要求，粉煤灰摻量應按45%確定。麻田堤防新建攔河陂壩混凝土推薦配合比，見表2。

表2 麻田堤防新建攔河陂壩混凝土推薦配合比

根據試驗結果，所推薦的混凝土配合比性能均能符合設計要求，且混凝土凝結時間長、絕熱溫升低，便于加強施工溫度控制、層面結合以及避免產生裂縫。在文章所推薦的設計配合比中額外摻加3%的輕燒MgO可使混凝土材料體積膨脹變形達到20×10-6-50×10-6，以便發揮其微膨脹性，抵抗和補償混凝土溫縮變形。

4 結 論

綜上所述，麻田堤防大壩混凝土原材料符合施工要求，在混凝土混合料制備過程中必須確保計量準確，施工配合比中每方混合料用水量應以砂、石飽和面干燥為基準，并根據工程實際進行含水率調整；根據氣候環境變化調整混凝土含氣量檢測頻次，當實際含氣量超出3.0-5.5%的范圍時必須按照每1%含氣量調整±0.1×104引氣劑摻量。水工大壩混凝土配合比的確定必須經過嚴格的試驗程序，且必須在相關規范對混凝土耐久性、強度、和易性、滲透性等要求的基礎上，進行各種原材料用量及摻量的確定。