小型灌排渠道U型槽混凝土性能試驗研究

龔 英，高江林，戴國強

(江西省水利科學研究院 江西省水工安全工程技術研究中心，南昌 330029)

隨著小農水重點縣建設的推進，渠槽預制構件的 使用范圍和數量逐漸加大，尤其是U型槽預制構件[1-5]。在預制構件蓬勃發展的新形勢下，預制構件外觀質量問題需重新審視，預制構件使用性能也有待進一步提高。有必要采取技術手段，使預制構件產品“外美內實”，成就預制構件產品的高品質。

U型槽構件屬干硬性混凝土范疇。混凝土配合比是影響干硬性混凝土性能的重要因素之一[6-8]。其中針對護坡或路面工程干硬性混凝土配合比[9-14]研究有：用水量若選擇不當，將導致生產的預制構件不能滿足外觀要求；水膠比直接影響干硬性混凝土的工作性，與預制構件混凝土外觀質量密切相關；干硬性混凝土立方體抗壓強度隨水膠比增大而降低，符合普通混凝土的一般規律；砂率對干硬性混凝土工作性、強度及耐久性均有影響，存在某一最佳砂率；在合理選擇原材料的同時摻加適量的礦物摻合料進行干硬性混凝土配制，有利于提高干硬性混凝土的力學性能和耐久性能。

然而，不同的工程應用會對干硬性混凝土性能提出不同的要求。目前針對農田水利工程U型槽混凝土配合比的研究較少。利用江西省某預制構件廠提供的試驗材料及生產設備，現場配制干硬性混凝土并成型U型槽構件，試驗設計不同的干硬性混凝土配合比，分析干硬性混凝土工作性、強度與U型槽外觀、外壓荷載的相關性，研究了混凝土配合比參數對干硬性混凝土工作性及強度的影響規律。在此研究基礎上，提出基于拌和物性能控制的干硬性混凝土配合比設計理念，達到改善U型槽構件外觀質量、提高外壓荷載的目的。

1 材料與方法

1.1 原材料

水泥采用江西省弋陽海螺水泥有限責任公司生產的復合硅酸鹽水泥P.C32.5；粉煤灰采用江西省景德鎮發電廠生產的II級粉煤灰；天然河砂，細度模數為2.3，屬中砂；天然卵石，粒徑為5～20 mm；試驗用水為當地飲用水。

1.2 試驗設計

參照SL352-2006《水工混凝土試驗規程》中的附錄A水工混凝土配合比設計方法，進行干硬性混凝土配合比設計。試驗考察了4個配合比參數，選擇用水量170～190 kg/m3、砂率40%～50%、水膠比0.30～0.60、粉煤灰摻量0%、10%、20%。35組干硬性混凝土配合見表1，以骨料處于飽和面干狀態下為基準。

表1 干硬性混凝土配合比Tab.1 Stiff concrete mixture ratio

1.3 試驗方法

試驗制作了不同配合比的U型槽預制構件。U型槽的規格為U300×480×35(U型槽的下圓弧內壁直徑300 mm，槽深480 mm，槽壁厚35 mm)。經定期灑水，自然條件養護28 d，參照江西省地方標準DB36/T646-2011《小型農田水利灌排渠預制混凝土構件制作與檢測技術規程》(以下簡稱《規程》)相關試驗方法，測試了U型槽的外觀、外壓破壞荷載及抗滲性。

在制作U型槽構件的同時測試了干硬性混凝土VC值和混凝土立方體抗壓強度。采用維勃稠度測試儀測試混凝土VC值；參照SL352-2006《水工混凝土試驗規程》中碾壓混凝土強度試件的成型方式(即配重塊加壓振動)，成型150 mm×150 mm×150 mm的立方體強度試件。混凝土立方體抗壓強度試件與U型槽預制構件采取同條件下的自然養護，養護齡期28 d。

2 結果與分析

2.1 預制構件性能與混凝土拌和物性能的相關性分析

混凝土配合比設計的目的是合理控制混凝土拌和物性能(如工作性、強度等)，以滿足混凝土施工工藝及混凝土結構所需的使用性能要求。因此，有必要通過分析預制構件使用性能與混凝土拌和物性能的相關性，確定混凝土拌和物工作性和強度的合理取值，滿足預制構件的生產工藝及其使用性能要求。

試驗表明，混凝土拌和物工作性與U型槽構件外觀質量有一定的相關性：混凝土VC值大于7 s或小于5 s，其干硬性混凝土拌和物太干或太濕，使得U型槽混凝土孔洞較多、表面粗糙或外觀變形、尺寸不規范；混凝土VC值宜控制在5～7 s，混凝土拌和物滿足“捏緊成團、落地分散、振動擠壓后出漿”的生產工藝要求，且制作的U型槽外觀質量較好。

選擇以配合比編號B和C的U型槽構件為分析對象，U型槽混凝土立方體抗壓強度與外壓荷載的相關關系見圖1。混凝土立方體抗壓強度與U型槽外壓荷載呈正線性相關，相關系數R2超過0.8。可見，增大混凝土立方體抗壓強度，是提高構件外壓荷載的有效技術手段。

圖1 U型槽混凝土立方體抗壓強度與外壓荷載的相關關系Fig.1 Relationship between compressive strength and external pressure of U-shaped stiff concrete

考慮構件表面若存在蜂窩麻面、孔洞、裂縫等缺陷，可能會影響構件外壓荷載試驗值。試驗通過外觀檢測篩選出10組外觀質量較好的U型槽構件，其外壓荷載及混凝土立方體抗壓強度見表2。由表2可知，當干硬性混凝土立方體抗壓強度超過25 MPa時，其U型槽外壓荷載均在5.0 kN/m以上，明顯超過《規程》的規定值3.0 kN/m。

2.2 混凝土拌和物性能

在上述明確混凝土拌和物工作性及強度指標控制值的基礎上，需進一步研究混凝土配合比參數對干硬性混凝土工作性及強度的影響規律，為構件混凝土配合比優化設計提供參考依據。

表2 外觀質量較好的U型槽混凝土立方體抗壓強度和外壓荷載試驗結果Tab.2 Compressive strength and external pressure of U-shaped precast concrete with good appearance

2.2.1 混凝土工作性

水膠比對干硬性混凝土拌和物工作性的影響規律見圖2。隨著水膠比的增大，干硬性混凝土VC值逐漸減小；且混凝土VC值的降低趨勢中存在某一拐點，試驗推薦的拐點是水膠比0.40：當水膠比小于0.40時，通過增大水膠比，可明顯減小干硬性混凝土VC值，顯著改善干硬性混凝土拌和物工作性；當水膠比大于0.40時，增大水膠比對干硬性混凝土VC值的降低幅度較小，對干硬性混凝土拌和物工作性的改善效果較不明顯。

圖2 水膠比對干硬性混凝土工作性的影響規律Fig.2 Influence of water binder ratio on dry concrete workability

用水量和砂率對拌和物工作性的影響如圖3所示，增加用水量或降低砂率，干硬性混凝土VC值隨之減小。干硬性混凝土VC值降低幅度由小到大的依次順序為：增加用水量10 kg/m3、降低砂率10%、降低砂率10%同時增加用水量10 kg/m3。這說明，降低砂率、增加用水量對減小干硬性混凝土VC值具有疊加作用。因此，在保持水膠比不變的情況下，通過降低砂率或增加用水量，可減小干硬性混凝土VC值，達到改善干硬性混凝土工作性的效果。

圖3 用水量、砂率對干硬性混凝土工作性的影響規律Fig.3 Influence of water consumption and sand ratio on dry concrete workability

粉煤灰摻量對干硬性混凝土工作性的影響規律見圖4。與未摻粉煤灰的相比，摻入10%粉煤灰，有效減小VC值，改善干硬性混凝土的工作性；當粉煤灰摻量增至20%，膠凝材料粉體顆粒增加較多，明顯增大VC值，干硬性混凝土拌和物工作性變差，如在低水膠比0.30、粉煤灰摻量20%的情況下，干硬性混凝土拌和物過干，導致無法成型U型槽、該組混凝土VC值測試無效。因此，摻入適量粉煤灰可改善干硬性混凝土拌和物工作性，且試驗推薦粉煤灰摻量不宜超10%。

圖4 粉煤灰摻量對干硬性混凝土工作性的影響規律Fig.4 Influence of fly-ash dosage on dry concrete workability

2.2.2 混凝土強度

水膠比、用水量對干硬性混凝土立方體抗壓強度的影響規律見圖5。隨著水膠比的增大，干硬性混凝土立方體抗壓強度逐漸降低；增大用水量，干硬性混凝土立方體抗壓強度略微降低。在用水量一定情況下，砂率對干硬性混凝土立方體抗壓強度的影響不大，見圖6。總之，對干硬性混凝土立方體抗壓強度的影響程度由大至小的依次順序為：水膠比、用水量、砂率。

圖5 水膠比、用水量對干硬性混凝土立方體抗壓強度的影響規律Fig.5 Influence of water binder ratio or water consumption on hard concrete compressive strength

圖6 砂率對干硬性混凝土立方體抗壓強度的影響規律Fig.6 Influence of sand ratio on hard concrete compressive strength

由此可知，在干硬性混凝土拌和物的生產配制過程中，不可隨意改變水膠比，否則會對強度產生不利影響；在保證混凝土強度的前提下，保持水膠比不變，可優先考慮降低砂率，在改善干硬性混凝土工作性的同時盡量減少對混凝土強度的不利影響。

粉煤灰摻量對干硬性混凝土立方體抗壓強度的影響規律見表3。摻入10%粉煤灰，干硬性混凝土立方體抗壓強度降低了25%～38%；摻入20%粉煤灰時，干硬性混凝土立方體抗壓強度降低了至少50%。雖然摻入粉煤灰可改善干硬性混凝土工作性，但摻入粉煤灰會降低干硬性混凝土強度，且摻量越高對混凝土強度的降低幅度越大。因此，考慮是否摻入粉煤灰或粉煤灰摻多少等問題時，需綜合考慮對干硬性混凝土工作性和強度的影響。

表3 粉煤灰摻量對干硬性混凝土立方體抗壓強度的影響Tab.3 Influence of fly ash dosage on hard concrete compressive strength

3 結 語

根據構件的生產工藝及其使用性能的要求，提出拌和物工作性及強度指標的控制值，再據此控制值進行干硬性混凝土配合比設計，以改善構件產品質量。采取基于拌和物性能控制的配合比設計方案，既從根本解決預制構件外觀質量缺陷問題，又能有效提高構件使用性能。試驗推薦混凝土VC值控制在5～7 s、使得混凝土拌和物可滿足“捏緊成團、落地分散、振動擠壓后出漿”的生產工藝要求；混凝土強度超25 MPa，明顯增強U型槽構件抵抗外壓荷載的能力。

試驗研究了用水量、水膠比、砂率、粉煤灰摻量對干硬性混凝土工作性及強度的影響規律，可為構件混凝土配合比設計提供一定的理論參考依據。

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