某海嶼閘改建工程混凝土配合比設計研究

方祖鋒

（中達（福建）建設服務有限公司,福建 泉州 362000）

0 引言

混凝土配合比設計影響要素較多,設計過程中需要考慮工作性能要求、施工性能要求、力學性能及耐久性能等要求。配合比設計過程中除了良好的砂率,膠凝材料體系的種類及搭配也至關重要,膠凝材料選取合理,一定程度上可以降低膠凝材料水化熱,確保混凝土不同齡期的抗壓強度保持不變甚至略有提升。優異的流動性、粘聚性以及保水性,混凝土容易通過復雜密集鋼筋、異形結構,不跑漿、不泌水。高性能混凝土施工過程中容易出現配合比設計不合理導致的混凝土和易性差等質量問題,其本質原因在于原材料選取及配合比設計[1-2]。品質優異的粉煤灰、礦粉以及硅灰,對于改善混凝土和易性能,延緩混凝土水化放熱量,避免結構由于熱量過高出現裂縫等問題,臺州市椒江區海嶼閘改建工程澆筑混凝土基本性能較差導致堵管等質量問題,研究不同影響因素對坍落擴展度、倒筒時間以及力學性能的影響規律,結合模擬實驗,開展高性能混凝土配合比設計的影響因素研究。

1 工程概況

海嶼閘改建工程位于沿海地區,為重建水閘工程。本次海嶼閘提級加固,保留邊墩、護坦、內外海側翼墻,對底板、中墩、啟閉機室、檢修橋、背海側交通橋拆除重建。加高原翼墻。新建臨海側、背海側導流墻,與原翼墻平順連接。新建海嶼閘總凈寬為85 m,孔口尺寸8.5 m×4.0 m,共10 孔,閘室底板頂高程-2.5 m,順水流方向閘室總長為17.5 m。中墩為縫墩,厚度2.0 m,邊墩厚度1.0 m。臨海側閘室起點距離2.0 m處設外港檢修閘門,5.5 m處設工作閘門,7.9 m處設內港檢修閘門。臨海側閘墩、檢修橋及胸墻頂高程為8.8 m,背海側閘墩、檢修橋頂高程為5.0 m。背海側墩頂設交通橋,橋寬8.0 m,厚度為0.5 m,橋面頂高程為5.0 m,采用鋼筋混凝土預制空心板結構。橋左右兩側采用石材欄桿。原排架及啟閉機室拆除重建,啟閉機室采用全封閉設計,門窗采用防腐結構,外露鋼結構采用不銹鋼。兩側翼墻采用鋼筋混凝土加高,寬度0.5 m,混凝土與原翼墻接觸處設錨筋連接,翼墻頂部設石材欄桿。邊墩上下游新建鋼筋混凝土導流墻,導流墻為扭面結構,墻厚約為1.0 m,高度與加高后的原翼墻相同。導流墻和原翼墻接觸面設錨筋連接。臨海側墻長10 m,背海側墻長5 m。

2 混凝土配合比設計

混凝土總粉料用量確定在500 kg/m3～520 kg/m3之間,礦物摻合料取代率如下所示,粉煤灰取代率確定為0～40%之間,硅灰取代率確定為0～4%之間,礦粉取代率確定為0～30%之間,研究不同礦物摻合料取代率對混凝土性能的影響規律,混凝土具體配合比見表1。

表1 混凝土配合比 單位：kg/m3

3 實驗結果分析

3.1 不同因素對高性能混凝土基本性能的影響

研究混凝土工作性能等關鍵指標的變化規律,通過變化規律挑選較優配合比,具體測試結果及混凝土性能見表2。

表2 巖體質量占比統計表

圖1 不同因素對高性能混凝土流動性能的影響

礦物摻合料的加入,起到了促進作用,其中粘聚性、流動性改善作用最為明顯。尤其是粉煤灰的降粘作用、硅灰的提升包裹性作用最為顯著。而礦粉作為磨細產品,破壞顆粒結構,對于混凝土和易性能改善沒有積極作用,相反摻入過多的礦粉,會導致輕微泌水等問題產生。當過多加入硅灰,混凝土需水量提升顯著,粘度增加,不利于混凝土泵送,而過多加入粉煤灰后,由于球形顆粒的減水作用的上限限制,混凝土擴展度基本保持不變。通過實驗對比性能檢測后,當粉煤灰摻量達到30%,硅灰摻量達到2.9%時,混凝土和易性達到最優狀態,混凝土軟度好,泵送過程中與管道的摩擦力小,U型箱高度差為0,表明流動性佳。同時,基于各項性能檢測數據,確定混凝土配合比中總粉料用量為500 kg/m3,后續各項性能測試按照此用量開展。

3.2 不同因素對高性能混凝土抗壓強度的影響

混凝土早期、中后期力學性能的變化規律隨礦物摻合料的摻入而呈現不同的變化,具體抗壓強度測試結果見圖2。

圖2 混凝土不同齡期抗壓強度

礦物摻合料的水化速率各有不同,因此水化產物形成的時間不同,貢獻強度的效率也各不相同,硅灰水化速率最快,因此硅灰和早期強度的形成密不可分,而粉煤灰、礦粉需要和水泥水化產物反應,因此貢獻強度主要集中在中后期。通過性能檢測數據發現,混凝土力學強度達到最佳值的礦物摻合料取代率如下,粉煤灰達到30%,硅灰摻量達到2.9%,礦粉摻量達到20%,此礦物摻合料取代率下混凝土不同齡期的力學強度最優,28 d水化齡期抗壓強度達到60.1 MPa,28 d水化齡期抗壓強度增長率為37.7%,增長幅度明顯,表明體系水化產物填充均勻,混凝土結構密實,空隙率低。

3.3 高性能混凝土模擬實驗研究

通過縮尺模擬實驗,研究混凝土里表溫度變化情況,通過預埋點測試數據,模擬繪制水化過程中不同部位的溫度變化規律,選取水化放熱速率均勻的混凝土配合比。

圖3 混凝土水化反應階段模擬結果

通過基本性能、力學性能優化得到的混凝土配合比,開展水化放熱模擬實驗,基于放熱速率模擬各階段水化反應情況,模擬曲線可較好模擬各階段水化反應進程。體系水化勻速進行,水化放熱平穩,規避內部溫度急劇升高的問題,實體拆模后表觀良好。

4 結論

（1）礦物摻合料的加入,起到了促進作用,其中粘聚性、流動性改善作用最為明顯,混凝土軟,泵送過程中與管道的摩擦力小,U型箱高度差為0,表明流動性佳。

（2）礦粉對于混凝土28 d水化齡期抗壓強度的影響最為明顯,粉煤灰對于混凝土60 d水化齡期抗壓強度的影響最為明顯。

（3）開展模擬實驗,模擬水化進程。模擬曲線可較好的表征水化反應各階段,與實際相符。最終確定礦物摻合料的取代率為粉煤灰摻量30%、硅灰摻量2.9%、礦粉摻量20%。