閘站工程底板高性能混凝土研究

周 巍

(鎮江市華源建設監理有限公司，江蘇 鎮江 212001)

在大中型水工建筑物的設計、施工及運行的管理過程中，由于受安裝精度和安全運行的要求，均應考慮閘站工程底板高性能[1]。通常情況下，閘前后存在水位變化，會導致閘底板受力不均而產生拉應力，對于低性能混凝土很可能產生開裂等病害，嚴重威脅水閘的安全運行[2]。因此研究閘站工程底板高性能混凝土，是保證閘站工程安全運行的關鍵方法之一。目前國內外學者對高性能混凝土進行了部分研究。張憲南[3]通過室內試驗的方式，探討了纖維、減縮劑和膨脹劑對土石壩面板UHPC混凝土干縮性的影響；劉瑞琳[4]研究了不同鋼纖維含量混凝土的抗沖磨特征，分析了沖磨試驗中鋼纖維混凝土質量損失與沖磨次數、鋼纖維含量的關系；段國偉等[5]以凝灰巖和石灰巖作為研究對象，采用室內試驗方法，對比分析不同水膠比、片狀含量、石粉含量對混凝土抗壓、抗折強度、流動度、坍落度的影響。此外還有部分學者研究了復摻粉煤灰、極細高硅型鐵尾礦、橡膠等材料來制備高性能混凝土[6- 7]。當前，玄武巖纖維作為環保型礦物纖維，其穩定性、耐腐蝕性和耐高溫等性能優良，已在諸多工程領域得到應用，如航空航天材料、塑料生產和建筑行業。因此本文采用玄武巖鋼纖維研究了一種高性能混凝土材料，通過室內試驗分析了不同含量玄武巖纖維對混凝土的抗凍性、抗壓強度以及抗滲性的影響，最終得出了最優設計配合比，研究成果可為相關底板工程提供參考。

1 工程概況

此次橋閘工程位于揚中市新壩鎮向陽村新壩大港與北大江交匯處，與新壩大港南端夾江江口的欄桿橋閘水系貫通，距江口約820m，為單孔通航節制閘，1972年12月開工建設，1973年7月建成。該閘屬小(1)型水閘，閘的結構形式為開敞式，閘室順水流方向長9.0m，閘孔凈寬5.38m。新閘址距長江口750m，閘外通長江，閘內與新壩大港連接，水閘設計排澇流量65m3/s，引水流量50m3/s，泵站排澇流量18m3/s，引水流量9m3/s。閘站合建在一塊底板上，節制閘居中布置，泵站4臺機組位于節制閘兩側，其中雙向水泵臨近節制閘布置，單向水泵靠河岸側布置。底板順水流方向長18.5m，垂直水流方向寬28m。閘墩頂高程為10.50m，是一座具有防洪、排澇等綜合功能的閘站。

2 原材料及試驗設計

本次采用的粉煤灰，密度為2.36g/cm3，比表面積2800cm2/g，屬于F級粉煤灰，通過XRD光譜分析測得其主要的化學成分為SiO2、Al2O3，CaO。試驗所用的玄武巖纖維(BF)購置與江蘇省，圖1為本次試驗用玄武巖纖維材料與拌制現場，表1為硅灰各組分含量。根據前期的配合比設計，此次試驗玄武巖纖維設置4組，分別為2、4、6、8、10kg/m3，砂550kg/m3，石子900kg/m3，硅灰98kg/m3，粗骨料與細骨料的配合比見表2。試驗先在攪拌機中干拌4min，之后將配好的硅酸鈉溶液、氫氧化鈉溶液然后添加到固體中，濕拌5min，同時制備參照組。新拌混凝土顏色較深，外觀光亮，將其裝入100mm×100mm×100mm中振動成型，待觀察無任何凝結跡象，抗壓強度無任何退化后，送入養護箱養護28d。本次工程要求混凝土閘站主體、翼墻、進出水池等部位混凝土強度等級為C30，護坡縱、橫格堙及墊層混凝土強度等級為C20；建筑混凝土抗凍等級均為F50，有防滲要求的混凝土抗滲等級為W6，因此在進行試驗之前所有試驗均要滿足工程要求。

圖1 聚酰胺類樹脂材料和混凝土漿液

表1 硅灰各組分含量 單位：%

表2 透水混凝土各組分配合比設計(單位重量) 單位：kg/m3

3 混凝土抗凍性能

依照標準，混凝土的抗凍等級F為相對動彈性模量下降至不低于60%時的最大凍融循環次數，圖2給出了普通混凝土和加入玄武巖纖維混凝土的抗凍性能變化情況。由圖2可知，隨著凍融循環次數的增加，5種混凝土的相對彈性模量均呈現出降低的趨勢，但當BF=2、4、6kg/m3時，混凝土相對彈性降低速度明顯緩慢與普通混凝土，相對彈性模量均大于普通混凝土。當凍融循環次數為300次時，普通混凝土相對彈性模量為61%，而BF=2、4、6kg/m3時，相對彈性模量分別降低至72%、76%、82%，抗凍等級遠高于普通混凝土。這是由于普通混凝土中水遇冷結冰會發生體積膨脹，引起混凝土內部結構的破壞，混凝土毛細孔隙中水的冰點隨著孔徑的減小而降低，且當溫度降低到0℃以下時，促使水變成為冰，因受毛細孔壁約束形成膨脹壓力，從而在孔周圍的微觀結構中產生拉應力導致當混凝土受凍時，損傷混凝土的內部微觀結構。而加玄武巖纖維后，混凝土抗凍性能增加是由于其減少了由混凝土內應力所產生的裂縫，特別是混凝土在塑性階段干燥脫水所產生的裂縫，且降低了參與抵抗凍融時的膨脹壓力與滲透壓力，減少裂縫的擴展，從而提高了混凝土的抗凍融能力。但值得一提的是，當BF=8kg/m3時，玄武巖混凝土的抗凍性能出現明顯下降，當凍融循環次數為100次時，抗凍性能逐漸低于普通混凝土，當凍融循環次數為300時，相對彈性模量僅為50%。

圖2 混凝土抗凍性能對比

4 混凝土抗壓強度

圖3給出了普通混凝土和加入玄武巖纖維混凝土的抗壓強度變化情況。由圖3可知，玄武巖纖維混凝土的抗壓優勢明顯，未加入玄武巖纖維時，混凝土抗壓強度為34MPa，而當BF=2kg/m3，混凝土抗壓強度增加5MPa；當BF=4kg/m3，混凝土抗壓強度相比普通混凝土增加7MPa；當BF=6kg/m3，混凝土抗壓強度增加11MPa，而當BF=8kg/m3，混凝土抗壓強度直接增長至49MPa。這是由于在混凝土的制備過程中內部原來就存在缺陷，加入玄武巖纖維后，纖維與基體間黏結緊密，形成的復合混凝土會減小缺陷的程度，對于裂縫發生和發展的約束作用，降低內部裂縫端部的應力集中系數，因此玄武巖纖維混凝土的強度高于普通混凝土。

圖3 混凝土抗壓強度對比

5 混凝土抗滲性

圖4給出了普通混凝土和加入玄武巖纖維混凝土的抗滲性變化情況。由圖4可知，玄武巖纖維含量的增加有助于提升混凝土的抗滲性，但存在臨界值。對于普通混凝土，其能抵抗最大靜水壓力而不發生滲漏的值為0.62MPa，而當加入2kg/m3的玄武巖纖維時，抗滲強度增加至0.65MPa；加入4kg/m3的玄武巖纖維時，抗滲強度增加至0.68MPa；當玄武巖纖維含量為6kg/m3時，混凝土抗滲性達到最大，為0.71MPa。當BF=8kg/m3時，混凝土抗滲強度出現降低，僅為0.66MPa。從試驗結果分析可知，一方面玄武巖纖維能夠提升混凝土抗滲性，是由于纖維與水泥集料有極強的結合力，很容易與混凝土材料混合。此外，纖維細度大，當微裂縫在細裂縫發展的過程中，不同向的細纖維具有明顯阻擋作用，消耗了混凝土內部應力產生的作用，阻止了細裂縫進一步發展。因此，玄武巖纖維可以有效地抑制混凝土早期干縮微裂的產生和發展，極大地減少了混凝土收縮裂縫，尤其是有效地抑制了連通裂縫的產生，有效提高了混凝土抗滲能力。但同時也可以看到，在設計纖維含量時不能過高，因為過高的纖維含量會導致混凝土與纖維之間不能充分混合，反而會形成纖維團聚體，導致混凝土產生滲流通道，因此在實際工程中，應當重視纖維含量的配比設計。

圖4 混凝土的抗滲性變化

6 結語

本文采用玄武巖纖維研究了一種高性能混凝土材料，通過室內試驗分析了不同含量玄武巖纖維對混凝土的抗凍性、抗壓強度以及抗滲性的影響。結果表明，當凍融循環次數為300次時，玄武巖纖維含量為6kg/m3時混凝土抗凍等級遠高于普通混凝土，但超過8kg/m3會降低混凝土抗凍性。而對于混凝土抗壓強度，當玄武巖纖維含量為8kg/m3，混凝土抗壓強度直接增長至49MPa，比普通混凝土提高15MPa。此外，含量為6kg/m3時的玄武巖纖維混凝土抗滲等級最高。因此最終根據以上實驗結果得出，水泥298kg/m3，水133.4kg/m3，粗骨料1052.4kg/m3，細骨料82.5kg/m3，玄武巖纖維6kg/m3這一配比為最佳配比。