某水利樞紐工程中高性能混凝土應用實踐研究

李建敏

(廣東省惠州市大程工程質量檢測中心有限公司，廣東 惠州 506001)

0 引 言

高性能混凝土廣泛應用于高層建筑、海底隧道、大跨度橋梁以及水利樞紐等項目中，性能優異，后期耐久性強。但在水利工程項目應用過程中，由于結構特殊性以及應用環境要求的嚴格性，施工過程中容易出現混凝土和易性差導致的堵管、蜂窩以及溫升導致的裂縫等質量問題，大部分問題與混凝土本身材料選取以及配合比設計相關，也離不開施工工藝的影響，劣質礦物摻合料無法形成良好的水化反應，達不到降溫的目的，容易形成溫度應力，導致開裂。

高性能混凝土在施工過程中要求混凝土具有良好的和易性能，即具備良好的流動性、黏聚性、保水性，針對異性、復雜、密集鋼筋結構，保持良好的通過率，不形成石頭堆積[1]。優化混凝土原材料配合比，探索礦物摻合料取代率，針對工程施工過程中存在的和易性差導致的堵管、溫度應力導致的裂縫等問題，通過測試擴展度、倒筒時間以及水化溫升等關鍵指標，開展高性能混凝土性能研究。

1 工程概況

某水利樞紐工程主要結構為導流堤、擋潮泄洪閘以及左右岸連接壩等，結構中擋潮泄洪閘的總凈寬度為630m，共設置30孔，閘孔凈寬度為21m。按工程尺寸算，該工程混凝土為大體積混凝土，要求混凝土具有良好的和易性和耐久性能。但項目在澆筑過程中，由于結構鋼筋密集復雜，混凝土和易性差，不能全部通過鋼筋，出現石頭堆積的情況，導致拆模后實體表面出現蜂窩問題，嚴重影響結構的安全性。

2 試驗原材料

試驗水泥為P·O42.5級水泥，測試標準稠度需水量28.0%，3d抗壓強度28.6MPa，28d抗壓強度52.8MPa；試驗微珠，細度5.4%，燒失量1.6%，需水量比91%；試驗礦粉比表面積418m2/kg，7d活性指數85%，28d活性指數101%；試驗硅灰需水量比125%，7d活性指數達110%；試驗中粗河砂，細度模數2.5-2.7，含泥量1.9%，碎石5-16mm連續級配，含泥量0.6%；外加劑為聚羧酸高效外加劑，固含量19.4%，減水率22%；水為飲用水。

3 高性能混凝土配合比設計

高性能混凝土要求混凝土具有良好的流動性及自密實性能，間隙不出現堆積等問題，混凝土不分層、不離析、不泌水，通過優化混凝土原材料配合比，優化礦物摻合料替代率，改善混凝土流動性、黏聚性、保水性，施工性能優良。粉料總用量為540kg/m3，微珠取代范圍0%-40%，硅灰取代率4.6%，礦粉取代范圍0-30%，通過調整聚羧酸減水劑不同組分的搭配比例，達到調整混凝土和易性的目的，具體配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比 kg/m3

4 實驗結果分析

4.1 高性能混凝土和易性影響因素研究

針對項目出現的和易性差導致的堵管、溫度應力導致的裂縫質量問題，研究礦物摻合料中微珠、硅灰、礦渣取代率對于混凝土流動度、倒筒時間等和易性關鍵指標的影響，具體測試結果見表2。不同因素對大流態混凝土流動度的影響，見圖1。

表2 混凝土性能測試

圖1 不同因素對大流態混凝土流動度的影響

研究結果表明，隨著礦渣摻量的增加，混凝土擴展度并未有顯著改善，表明礦渣摻入并未對和易性有貢獻。硅灰的加入可以顯著改善混凝土的黏聚性，降低黏度；隨著微珠摻量的增加，混凝土擴展度呈現先增加后基本不變的趨勢，表明微珠超過最佳值，滾珠效應改善不明顯；當微珠摻量為20%時，當硅灰摻量為4.6%時，混凝土整體黏度下降明顯，倒筒時間明顯降低，倒筒時間為3.3s，施工性能良好。

4.2 高性能混凝土抗壓強度影響因素研究

研究微珠、礦粉等礦物摻合料不同取代率對于混凝土不同齡期抗壓強度的影響，具體測試結果見表3，混凝土不同齡期抗壓強度，見圖2。

表3 混凝土抗壓強度

圖2 混凝土不同齡期抗壓強度

研究結果表明，礦物摻合料對于改善混凝土強度的具有顯著作用，性價比較高。硅灰作為活性高的礦物摻合料，主要貢獻早期強度，礦渣和微珠主要貢獻中期強度和后期強度，由于硅灰、微珠、礦粉的水化速率不同，因此體系可以勻速進行水化反應。隨著礦渣摻量增加，混凝土中期強度呈現先增加后基本不變的趨勢；當摻量超過20%時，中齡期強度增長幅度基本保持不變；隨著微珠摻量的不斷增加，混凝土60d抗壓強度呈現先增加后不變的趨勢，當摻量超過20%時，長齡期強度增長幅度基本保持不變。

4.3 高性能混凝土水化放熱研究

開展實體模擬實驗，對混凝土內部水化溫升變化規律進行同步模擬，通過摻入礦物摻合料，延緩水化放熱速率，避免由于局部溫升過高導致的溫度裂縫出現。確定體系水化放熱速率與水化放熱量[2]。

隨著礦渣摻量不斷增加，整體水化放熱速率保持逐漸降低的態勢。當摻量達到30%時，放熱峰也隨之降低，但降低幅度不在明顯。從結果發現，整個體系誘導期放熱速率并未出現顯著變化。從加速期開始，隨著礦渣取代率逐漸升高，礦渣與水泥水化產物發生二次水化反應的時間明顯延緩，體系水化放熱勻速進行，水化放熱量不會出現短期聚集，規避混凝土內部溫升形成溫度應力，避免溫度應力導致的裂縫出現，混凝土拆模效果良好，基本無龜裂。不同礦渣摻量水化放熱測試結果，見圖3。

圖3 不同礦渣摻量水化放熱測試結果

5 結 論

1)混凝土和易性改善方面，微珠和硅灰發揮了顯著效果，隨著微珠摻量的增加，混凝土流動度呈現先增加后基本不變的趨勢，黏度呈現先下降后基本不變的趨勢。由于微珠的滾珠效應達到極限，摻量高并不能顯著改善和易性，同時，由于微珠有效成分和水泥水化產物發生二次反應，因此微珠可貢獻長齡期60d及以上抗壓強度，當微珠摻量20%、硅灰摻量4.6%時，可以確定混凝土最佳流動性、黏聚性、保水性[3-5]。

2)由于礦渣需要堿性環境下激發發生二次反應，因此礦渣的摻入可以貢獻混凝土長齡期抗壓強度。當礦渣摻量達到20%時，混凝土28d抗壓強度達到最優值。

3)開展水化熱模擬實驗，測定微珠、硅灰、礦渣搭配比例對于水化放熱速率的影響，主要降低水化放熱速率，降低體系最大水化放熱量，水化過程平穩勻速進行，避免急劇反應導致的溫升過快，降低溫度應力的不利影響。通過優化原材料比例，最終選擇微珠摻量20%、硅灰摻量4.6%、礦渣摻量20%。