三峡永久船闸二期工程混凝土配合比设计试验

摘要:三峡永久船闸二期工程混凝土工程量大,耐久性要求高,混凝土配合比的经济合理性至关重要。从配合比设计的角度对原材料组合,配合比设计方案选择,混凝土力学性能,耐久性试验等方面进行了分析,对粉煤灰掺量、外加剂双掺、龄期、温度等对混凝土强度耐久性的影响程度进行了总结归纳。同时结合施工实际,对配合比的使用效果进行了简要的总结评价。永久船闸混凝土施工实践表明,优选的混凝土配合比是符合设计要求的,选定的配合比参数是合理的。配合比设计试验过程中对粉煤灰掺量、外加剂掺量、温度控制等的认识是正确的。

关　键　词:永久船闸; 混凝土配合比; 试验工作总结; 三峡工程

中图分类号: TV431 　　　文献标识码: A

1 　概述

　　三峡永久船闸二期工程混凝土工程量大,施工期长,各部位混凝土分区细,耐久性要求高。为保证混凝土工程施工质量,提出既满足设计要求又经济节省的优化混凝土配合比非常必要。永久船闸二期工程混凝土配合比设计自1998 年2 月开始,到1998 年6 月提出施工配合比,至1999 年7 月提出耐久性能试验报告并经施工中优化调整,得到很好的执行,混凝土工程质量得到保证。主要混凝土设计技术指标见表1。

表1 　主要混凝土设计指标

　　注:混凝土均为3 级配。

2 　原材料试验

2. 1 　骨料

　　细骨料为三峡下岸溪斑状花岗岩人工机制砂,细度模数为2. 70 ,石粉含量为11. 5 % ,在配合比设计时考虑其对砂率和用水量的影响,该砂各性能指标满足规范要求,可用于船闸混凝土施工。粗骨料采用古树岭料场闪云斜长花岗岩人工碎石,按颗粒分为3 级:小石5～20 mm;中石20～40 mm;大石40～80 mm。其物理性能指标满足规范和技术要求。但各级粒径均稍偏大,在施工配合比中加以调整。各级配中石子比例的优选试验结果为:2 级配,中石∶小石= 1∶1 ;3 级配,大石∶中石∶小石= 2∶1∶1。优选试验成果见表2。

表2 　粗骨料级配优选试验成果

2. 2 　水泥

　　本工程混凝土采用葛洲坝水泥厂、湖南石门特种水泥厂和华新水泥厂生产的525 号中热硅酸盐水泥。经检测,3 种水泥的物理力学性能指标,均满足规范要求且性能指标接近。3 厂家水泥检验结果见表3。

2. 3 　粉煤灰

　　选用平圩、珞璜、南京华能3 家电厂生产的Ⅰ级粉煤灰。经检验,3 种粉煤灰均达到Ⅰ级粉煤灰标准。检验结果见表4。

2. 4 　外加剂

　　本工程混凝土中掺用高效减水剂和引气剂,以降低混凝土单位用水量和提高混凝土的耐久性。经业主试验优选,减水剂采用浙江龙游外加剂厂生产的ZB - 1A ,引气剂采用石家庄外加剂厂生产的DH9 。

表3 　水泥物理力学性能

　　为了解外加剂对混凝土性能的影响及选择合适掺量,采用在同一配合比中进行了DH9 不同掺量的试验,试验成果见表5。

表5 　DH9 掺量对混凝土性能影响

　　掺入引气剂DH9 的混凝土,和易性得到改善,泌水率减小,坍落度损失也减缓,凝结时间则基本不变,含气量达4. 0 %以上,说明适量掺入DH9 对改善混凝土性能是有利的。但随着DH9 掺量的增大,含气量却增加缓慢。因此,DH9 引气剂的掺量以0. 6P10 000～0. 8P10 000 为宜。

3 　配合比设计试验

3. 1 　方案选择

　　永久船闸混凝土按部位分区较细,各部位混凝土既要低标号又要满足高耐久性要求。为解决这一矛盾,选择合适的粉煤灰及引气剂的掺量尤为重要。试验方案组合见表6。

表6 　配合比设计方案组合

3. 2 　试验配合比

　　根据上述方案所进行的配合比初步试验结果,表明掺DH90. 6P10 000 , 含气量能满足要求。掺ZB - 1A0. 5 % , DH90. 6P10 000 ,减水效果良好。混凝土凝结时间随粉煤灰掺量增大略有延长,这对夏季施工有利。在低温季节,应控制减水剂掺量并考虑粉煤灰的影响。粉煤灰的掺入,改善了混凝土的和易性。

4 　混凝土的力学性能

4. 1 　混凝土力学性能指标

　　按照试验配合比成型混凝土试件,测得各龄期的混凝土力学性能指标。其抗压强度、劈拉强度由150 mm ×150 mm ×150mm立方体试件测得。

　　掺入适量粉煤灰和外加剂后,混凝土强度仍与水胶比线性相关,各龄期的混凝土强度与水胶比关系见表7。

表7 　混凝土强度与胶水比关系

　　试验配合比混凝土抗压强度R28 = 19. 0～39. 9 MPa , R90 =27. 6～48. 9 MPa ,满足设计对各部位混凝土强度的不同要求。混凝土28 d 龄期的劈拉强度为1. 61～2. 92 MPa ,拉压比在3 级配混凝土中为0. 073～0. 088 ,平均为0. 081 ,2 级配混凝土拉压比平均为0. 074 ,90 d 龄期劈拉强度为2. 4～4. 06 MPa ,拉压比平均为0. 076。

4. 2 　外加剂对混凝土强度的影响

　　在相同水胶比、坍落度条件下,单掺0. 5 %ZB - 1A ,混凝土28 d 强度降低10. 8 % , 90 d 降低14. 8 % , 加掺引气剂DH90. 6P10 000 ,28 d 降强31. 3 % ,90 d 降强33 %。随着外加剂掺量的增加,混凝土降强速率加快。因此,引气剂掺量宜控制在(0. 6～0. 8)P10 000。

4. 3 　粉煤灰掺量对混凝土强度的影响

　　混凝土中加入粉煤灰,能改善和易性,密实混凝土,降低水化热,但会降低混凝土早期强度,如掺量过大,对后期强度也有影响。当掺量小于15 %时,对混凝土强度无多大影响,掺量为15 %～40 %时,对90 d 龄期以前的强度影响较大,对90 d 以上龄期混凝土强度的影响则相差不多。但当掺量达45 %以上时,90d 强度也相对有所降低。因此,对以90 d 龄期强度为设计依据的低标号高耐久性混凝土,加入适量粉煤灰既能满足设计要求,又能取得一定的经济效益。

4. 4 　混凝土强度与龄期的关系

　　混凝土强度随龄期有规律地增长,增长率与粉煤灰掺量有关。掺粉煤灰后,混凝土早期强度增长较慢,后期强度则增长较快,90 d 强度是28 d 强度的1. 36～1. 65 倍,而不掺粉煤灰的混凝土,其90 d 强度是28 d 强度的1. 19 倍。

4. 5 　温度对混凝土强度的影响

　　为了解拌和室温对混凝土强度的影响程度,进行了不同水胶比、不同粉煤灰掺量和不同级配的对比试验。试件在24 h 脱模后放入养护室标准养护。试验结果表明,温度对混凝土早期强度有一定影响,对后期强度则影响不大。如7 d 的低高温强度比值为0. 70～0. 93 ,28 d 则为0. 85～0. 98。另外温度对低水胶比混凝土强度影响稍大,对不同粉煤灰掺量的混凝土影响不明显。温度对混凝土凝结时间影响很大,在不同季节,应相应控制ZB - 1A 的掺量,调整凝结时间。

4. 6 　混凝土的静弹模量与泊松比

　　试验测得各配合比混凝土28 d 的弹模为2. 02 ×104 ～3. 19×104 MPa ,90 d 弹模为2. 60 ×104～3. 66 ×104 MPa。混凝土弹模与强度正相关。混凝土强度愈高,其抵抗变形的能力越强。粉煤灰与引气剂掺量对弹模的影响,体现在它们对混凝土强度的影响中。混凝土28 d 的泊松比在0. 15～0. 23 之间, 平均为0. 18 ,90 d 泊松比在0. 17～0. 22 之间,平均0. 19 ,与已有经验数据相吻合。

4. 7 　混凝土的极限拉伸值

　　试验测得混凝土28 d 拉伸值为0. 76 ×10 - 4 ～1. 02 ×10 - 4 ,90 d 为0. 82 ×10 - 4 ～1. 45 ×10 - 4 ,能满足设计对不同部位混凝土的要求。混凝土拉伸值与极拉强度随龄期增长,与抗压强度正相关,但相关性稍差。这是因为混凝土极拉试验值易受骨料粒径、级配、装料不均、偏心等因素影响,一般是骨料粒径小的比大的拉伸值要大。

5 　混凝土的耐久性

5. 1 　混凝土的抗渗性能

　　混凝土抗渗试验采用逐级加压法,试验结果表明,在掺入粉煤灰和外加剂后,混凝土的内部结构得到调整,改善了混凝土和易性,混凝土更加密实;混凝土的抗渗能力大为改善,使低强度

等级的混凝土也能达到较高的抗渗标号。混凝土抗渗标号满足设计要求。

5. 2 　混凝土的抗冻性能

　　混凝土抗冻试验采用快冻法并考虑了大水胶比(0. 55) 情况下不同粉煤灰掺量的影响。试验结果表明:经250 次冻融循环,试件的相对动弹模为83 %～ 90. 4 % ,重量损失为1. 66 %～2. 34 %,抗冻标号均大于D250。相对动弹模最小的为不掺粉煤灰者,其重量损失也较大,为2. 26 % ,仅次于掺粉煤灰45 %者。由此可见,掺入粉煤灰对混凝土的抗冻性能无不利影响,相反,掺入粉煤灰能改善混凝土的微观结构,提高密实性,进而从整体上改善混凝土的耐久性。当然,水胶比对混凝土抗冻性能仍是重要控制因素,低水胶比(0. 45) 比高水胶比(0. 55) 的混凝土抗冻性能明显要好。

　　引气剂的掺入是混凝土抗冻性能提高的重要因素,掺入0. 6P10 000～0. 7P10 000 的DH9 引气剂后,混凝土抗冻标号均满足设计要求。但在施工中应严格控制引气剂掺量范围,掺量不宜过大,否则会引起混凝土的低强和质量不均匀。

6 　施工配合比参数选择及施工配合比的提出

6. 1 　混凝土配置强度确定

　　根据设计要求的混凝土施工质量技术指标,计算出各设计强度等级混凝土的施工配置强度。

6. 2 　水胶比选择

　　根据配置强度,代入混凝土强度曲线方程,初步得出水胶比参数,再考虑粉煤灰、外加剂及各部位对混凝土性能的不同要求综合确定。

6. 3 　用水量选择

　　试验配合比的坍落度在4～6 cm 之间,而施工配合比的坍落度则要求7～10 cm ,考虑大坍落度对砂率的调整,一般以坍落度±1 cm ,用水量±2. 5 kg ,砂率±1 % ,用水量±(2～3) kg 来估算,最后试拌确定。

6. 4 　砂率选择

　　坍落度增大,用水量相应增大,为保持混凝土的凝聚性和大体积流动性,减少粗骨料分离,需相应增加砂率以保证混凝土中砂浆的饱满粘稠。根据试验,一般以坍落度±1. 5 cm ,砂率±1 %为宜。

6. 5 　引气剂掺量

　　引气剂掺量在0. 6P10 000～0. 8P10 000 时,均能满足混凝土耐久性要求,应取小掺量。

6. 6 　粉煤灰掺量

　　粉煤灰对混凝土抗冻、抗渗没有多大影响,但较大掺量使混凝土早期强度降低。故高强度等级混凝土掺20 %以下,以改善和易性,低强度等级混凝土掺30 %～40 %。

6. 7 　不同品种水泥、粉煤灰对比试验

　　试验表明:3 种水泥和3 种粉煤灰对混凝土性能影响相差甚微,在施工配合比中可采用相同的配合比参数,稍加调整,相互替代使用。

6. 8 　施工配合比

根据试验配合比成果,综合考虑各种因素,经试配调整,提出混凝土施工配合比见表8。

表8 　混凝土施工配合比( 部分)

7 　施工实际验证及结论

　　永久船闸自1998 年12 月主体混凝土开始浇筑到2003 年6月通航,所有混凝土强度保证率均在90 %以上,部分强度等级混凝土保证率达到99. 99 % ,离差系数在0. 10～0. 16 之间,均方差在4. 07～5. 96 MPa 之间,抗冻、抗渗试验结果全部满足设计要求。

　　永久船闸混凝土施工实践表明,优选的混凝土配合比是符合设计要求的,选定的配合比参数是合理的。配合比设计试验过程中对粉煤灰掺量、外加剂掺量、温度控制等的认识是科学的。