錨具槽填充用微膨脹自密實混凝土試驗研究

高曙光，王少江,2，李秀琳,2

(1.北京中水科海利工程技術有限公司，北京 100038; 2.中國水利水電科學研究院 材料研究所，北京 100038)

1 概 述

無黏結預應力技術已廣泛應用于我國各類水利水電工程，但在長距離有壓輸水隧洞中的應用還較少，其結構耐久性仍然是工程設計人員關注的重要問題之一。錨具槽作為錨固端，既是預應力結構的重要組成部分，也是錨頭最后的保護層，實現其密實填充是保障預應力錨索長期耐久和正常工作的前提條件。目前，錨具槽常用普通混凝土填充，由于材料固有特性和錨具槽內錨索密集、充填間隙小等原因，國內已有工程出現錨具槽混凝土振搗不密實或開裂脫空，外部介質從開裂脫空部位進入槽內可對錨頭和預應力筋造成腐蝕，造成預應力降低，影響結構安全。為解決錨具槽密封性問題，本研究針對某引水工程有壓隧洞工程需求，通過開發具有微膨脹特性的自密實混凝土用于錨具槽回填，同時利用混凝土的自流平特性密實填充，利用微膨脹特性改變混凝土硬化過程中的收縮特性，以期大幅度提高錨具槽整體密封性，解決無黏結預應力結構的安全耐久問題。

2 試驗原材料

本研究采用撫順中熱水泥，其品質性能檢測結果見表1和表2。粉煤灰采用宣威Ⅰ級粉煤灰，其品質性能檢測結果見表3和表4。膨脹劑選用天津豹鳴公司和唐山北極熊特種水泥公司的膨脹劑，化學成分檢測結果見表5和表6。減水劑和引氣劑采用江蘇博特新材料公司的JM-PCA高性能減水劑和JM-2000引氣劑，檢測結果見表7。

表1 撫順中熱水泥的品質檢測結果

表2 撫順中熱水泥的化學成分檢測結果 /%

表3 宣威粉煤灰的品質檢測結果 /%

表4 宣威粉煤灰的化學成分檢測結果 /%

表5 膨脹劑的化學成分檢測結果 /%

表6 膨脹劑的品質檢測結果

表7 減水劑檢測結果

砂石骨料采用工程用河砂和灰巖小石，以及人工砂和花崗巖小石，試驗前將小石過篩成5～15 mm粒徑，河砂和人工砂過5 mm篩。河砂和人工砂細度模數均大于3.0，屬于粗砂。砂石骨料的品質檢測結果見表8。

表8 砂石骨料的品質檢測結果

3 混凝土配合比優選試驗

本項目C40混凝土的配制強度為48.2 MPa。為了便于澆筑和填充密實，T500時間控制為8～10 s，坍落擴展度控制為550～650 mm，膨脹率控制為0～0.01%(水中28d)。耐久性按照F100抗凍要求，含氣量控制為2.5%～3.5%。

經對17組配合比進行試驗，水膠比為0.36～0.44，膠材總量466～583 kg/m3，粉煤灰摻量20%～30%，減水劑摻量0.8%～2.0%，引氣劑摻量0.004 0%～0.045 0%，砂率54.0%～57.3%，17組配合比的T500時間、坍落擴展度、拌和物含氣量均能滿足要求。V漏斗通過時間為23～38 s，容重為2 267～2 311 kg/m3。通過試驗可知，粉煤灰摻量達到25%以上時抗壓強度降低較大，因此選用25%的粉煤灰摻量，同時選用低于0.52的水膠比即可滿足強度要求。據此初選0.40水膠比、25%粉煤灰摻量進行膨脹劑摻量和品種、骨料組合的優選試驗，其抗壓強度見圖1。

圖1 膨脹劑用量對抗壓強度的影響分析

由抗壓強度試驗結果可知，膨脹劑用量對混凝土抗壓強度影響不大，因此可以根據混凝土限制膨脹率選擇膨脹劑的合適摻量，不對抗壓強度相對高低進行比較。限制膨脹率試驗結果見圖2，由圖2可知其與膨脹劑用量基本是線性關系。限制膨脹率的不收縮最低用量，對豹鳴膨脹劑為22 kg/m3，對北極熊膨脹劑為15 kg/m3；用量達到30 kg/m3左右時，兩種膨脹劑的限制膨脹率接近。

圖2 兩種膨脹劑的用量與限制膨脹率的關系分析

在此基礎上，進一步考察摻膨脹劑后的最佳水膠比和粉煤灰摻量變化情況。采用豹鳴膨脹劑，固定膨脹劑用量為20 kg/m3，結果表明粉煤灰摻量達到25% 以上時抗壓強度降低較大，因此選用25%的粉煤灰摻量。這時為保證配制強度48.2 MPa，經對28 d齡期膨脹混凝土抗壓強度試驗，選用低于0.42水膠比才可滿足強度要求，比前述素混凝土的水膠比0.52低了不少。經綜合考慮，選用水膠比為0.40比較合適。

4 微膨脹自密實混凝土性能試驗

在以上優選試驗的基礎上，選用北極熊膨脹劑和人工砂、花崗巖小石進行性能試驗。試驗水膠比0.40，粉煤灰摻量25%，膨脹劑用量30 kg/m3，性能試驗結果見圖3-圖5。限制膨脹率是在一直泡水的條件下進行試驗，自生體積變形試件在成型后立即密封，二者均在標準溫度下養護。

微膨脹自密實混凝土的限制膨脹率曲線見圖3。北極熊膨脹劑在7 d左右完全反應，限制膨脹率達到最大為89×10-6，其后由于水泥的繼續水化的化學減縮作用，混凝土限制膨脹率略降低，20 d后基本保持穩定。

圖3 微膨脹自密實混凝土的限制膨脹率曲線

微膨脹自密實混凝土自生體積變形曲線見圖4。到50 d測長齡期時，混凝土的自生體積變形已基本穩定，最終自變值為正的65×10-6左右，表明與外界無水份交換的情況下混凝土為膨脹型。

圖4 自生體積變形曲線

微膨脹自密實混凝土干縮變形曲線見圖5。90 d干縮為570×10-6，比一般混凝土大，這和膠凝材料用量較多和摻膨脹劑有關。因此，對摻膨脹劑混凝土一定要加強保濕養護。當然，干縮的試驗條件比實際要嚴酷，標準養護2 d后拆模放入20±2℃、相對濕度60%±5%的環境中進行試驗。現場施工時，混凝土不可能澆筑2 d后就開始干燥失水收縮。

圖5 干縮曲線

5 結 語

通過室內試驗，微膨脹自密實混凝土配合比的最優水膠比為0.40，粉煤灰最大摻量25%，膨脹劑最少用量30 kg/m3。拌和物性能：T500時間8～10 s，坍落擴展度550～650 mm，含氣量2.5%～3.5%。應加強微膨脹自密實混凝土的保濕養護，并盡可能延長保濕養護的時間，以利于膨脹劑性能的發揮，提高錨固可靠度。工地現場試驗表明，采用上述基礎配合比能夠配制出具有微膨脹特性的自密實混凝土，膨脹性主要發生在水化初期，實體錨具槽填充效果好，混凝土澆筑方便，硬化后外觀質量良好。

致謝

本文得到新疆2019-2021年院士工作站合作研究項目新疆水專項(2020.C-004)的支持。