小截面預應力渡槽高性能混凝土配合比優選

張 濤 嚴江華 劉 烜

(1.湖北昊源建設工程有限公司，湖北 宜昌 433002；2.宜昌市東風渠灌區管理局，湖北 宜昌 433002)

目前國內外渡槽結構的設計跨度和荷載逐步加大，更多趨向高性能混凝土應用。美國混凝土協會(ACI)211委員會提出采用摻粉煤灰的一系列不同膠凝材料比例和用量進行試拌,從而得到最佳配合比設計和優化的方法。英國的P.L.J.Domone等提出的方法基于最大密實度理論[1]。國內南水北調工程渡槽等同跨度大截面的渡槽工程在國外研究基礎上主要采取添加纖維素等材料進一步改進高性能(高等級)混凝土的抗裂性能。當前國內研究適用于集小截面、大跨度、高性能、現澆高預應力等綜合因素于一體的箱梁渡槽混凝土配合比設計的案例較少。

普溪河渡槽是湖北東風渠灌區重要骨干建筑物，是全國首例采用DZ40/500造槽機現澆施工的小截面渡槽。槽身設計為每跨40m、凈空尺寸3.1m×2.6m(寬×高)、側墻厚0.3m(側墻局部受波紋管影響，混凝土入倉間隙僅0.04m)，設計流量15m3/s，加大18m3/s。槽身為C50W4F100預應力鋼筋混凝土，每跨設置25束預應力筋，共174股低松弛鋼絞線。單跨槽身混凝土重500t，造槽機自重535t。

普溪河渡槽具有混凝土等級高，槽身斷面尺寸小，風壓高度變化系數Uz高(加之最大高度達61.5m)，入倉進料孔間隙小、端部應力大、造槽機承載變形大等特點，且7d混凝土強度對預應力張拉及造槽機利用槽身承載過跨(此工況槽身承受的動荷載大于通水運行期最大荷載)的工期影響顯著。為避免施工冷縫，減小風振影響，解決小截面、窄間隙混凝土澆筑密實度難題，本文結合普溪河渡槽重建工程實例，研究優選適應小截面渡槽槽身的高性能混凝土配合比。

1 配合比優選原則和方法

基于當前較成熟的高性能混凝土配合比設計理論，通過應用新材料、新工藝等，在保證提高混凝土早期強度、強度保證率等性能的前提下，一是必須選取合適的砂率、級配及緩凝減水外加劑等，使混凝土具有合理的坍落度、和易性和擴散度，以此提升混凝土可泵送性，特別是較低經時坍損和與單跨槽身施工進度相匹配的凝結時間；二是對比不同抗裂外加材料，保證在提升抗裂性能的同時盡量減少對坍落度、和易性和擴散度等性能的負面影響。

2 配合比材料優選

本項目在材料上對比普通硅酸鹽水泥和早強型水泥，并試配不同級配的粗骨料和不同細度的細骨料，對比測試不同溫度、不同緩凝時間、不同混凝土外加劑摻量情況下，混凝土的和易性、擴散度和早期強度及最終強度；同時考慮在不同外界環境影響下，確保混凝土同步凝結，縮短風振影響周期。

2.1 水泥

采用A品牌P·O52.5水泥(以下簡稱A水泥)與B品牌P·O42.5R水泥(以下簡稱B水泥)進行對比，其化學成分對比見表1。

表1 水泥的化學成分對比表

對比表1，兩者化學成分均滿足規范要求，均能滿足施工需要，但考慮到混凝土早期強度要求高，采用海螺水泥更能滿足施工要求。

兩組水泥各選取24組，進行了物理力學性能對比試驗，結果見表2(數值為多組平均值)。

表2 水泥的物理力學性能對比表

對比表2，兩者物理力學性能均滿足規范規程要求。

考慮凝結時間應滿足槽身約12h澆筑時長的要求，以保證其整體性，避免出現裂縫。通過選用C公司和D公司兩家公司的復合型高效減水劑(分別簡稱C減水劑與D減水劑)，現場按2.2%摻量進行了對比試驗，見表3。

對比表1～表3，考慮工期對混凝土早期強度要求高，且有適應澆筑時長的凝結時間需求，故選用海螺水泥。

表3 水泥與不同緩凝減水劑試配下凝結時間及強度測試對比表

2.2 細骨料

根據本地細骨料市場供應，選用長江江砂和洞庭湖黃砂(均為天然砂)。考慮黃砂細度模數偏大，擬摻一定量江砂調配細度。現場各取20組檢測，其物理性能指標見表4。

表4 不同砂物理性能指標測試對比表

由表4可知，長江江砂和洞庭湖黃砂各項指標均能滿足規程規范要求，故可為本次試驗所用。經現場篩分后測定洞庭湖黃砂內里小卵石含量達到10%以上，可能對混凝土性能產生較大影響。經檢測，超徑小卵石其堅固性(4.9%)和壓碎指標(11%)均大于現有粗骨料相應指標值(3%和9%)。

2.3 粗骨料

本試驗使用的粗骨料為奧陶系廟坡組灰巖碎石(簡稱碎石)。經檢測，其各項物理性能指標見表5。

表5 碎石物理性能指標測試對比表

由表5可知，顆粒級配5～25mm粒級的碎石各項物理性能指標均滿足規范規程要求，故可為本次試驗所用。因本項目槽身混凝土只能采用泵送入倉，加之側墻等區域只能通過鋼筋保護層入倉間隙(槽身側墻厚300mm，采用雙層雙向鋼筋，加之側墻還穿插多組DN90的金屬波紋管，端部預應力鋼筋加密區鋼筋多而密，最小區域僅30mm)，本項目粗骨料最大粒徑按照鋼筋保護層厚度的3/4控制，只能選取25mm，而非常規粒徑。

2.4 粉煤灰

本次試驗選用的粉煤灰為一級粉煤灰，經檢測符合GB/T 1596—2005一級粉煤灰標準。具體見表6。

表6 粉煤灰檢測指標對比表

2.5 抗裂摻和物

本次試驗考慮添加抗裂纖維，解決受混凝土等級、入倉等條件限制所帶來的混凝土高收縮、高水化熱特性、極易開裂的問題。對比類似項目，可比選的有纖維素纖維和杜拉纖維兩種，兩種纖維均無毒無味，化學穩定性良好，對水質無污染，具體指標對比見表7。

對比表7，纖維素纖維和杜拉纖維均滿足使用要求，特別是纖維素纖維在各項物理指標上均優于杜拉纖維，但隨著兩種纖維摻量的增加，混凝土拌和物的坍落度和擴展度逐漸降低，對比兩種纖維，同摻量時，杜拉纖維(聚丙烯纖維)對混凝土坍落度的影響較大，因纖維素纖維自身具有很好的親水特性，在新拌混凝土中能吸附部分自由水，從而增加了黏度，降低了流動性[2]，進而導致對擴展度的影響更明顯。考慮在入倉極度困難的條件下，坍落度調整方法多，而擴展度調整手段有限，摻杜拉纖維C50高性能混凝土干結率略低于普通混凝土[3]，還可阻止骨料的下沉，提高混凝土的均勻性[4]；另外，摻杜拉纖維混凝土密實度的提高也有利于降低混凝土的干結率[5]。故本工程采用杜拉纖維，而未借鑒南水北調渡槽工程選用纖維素纖維。

表7 纖維物理性能指標測試對比表

2.6 外加劑

本項目可選擇的外加劑有D減水劑及C減水劑，兩種減水劑均同時具有緩凝、引氣功能。本項目40m跨預應力槽身由于采用造槽機泵送一次性現澆成型，正常耗時11h，要求減水劑在保證減水的同時要具有與澆筑時間相匹配的緩凝效果和良好的和易性以及相應的坍落度“經時損失”，以保證混凝土的整體性等品質要求。不同外加劑的物理性能指標見表8。

表8 不同外加劑的物理性能指標對比表

結合表8中的結果，考慮各種不利因素，每跨槽身澆筑時長約為12h左右，最終選用可調控凝結時間更長的雨虹減水劑。

3 配合比試驗與成果分析

3.1 試驗設計

根據設計和施工要求的C50W4F100混凝土特性要求以及試驗目的，共設置了15組試驗。試驗目的及對照組設置情況如下。一是測試不同水灰比時凝結時間及坍落度經時損失值等，如1-1、1-2與1-3及1-4、1-5組對比，3-1、3-2與3-3、3-5及3-4組對比；二是測試調整砂率及細骨料細度對強度、坍落度、和易性及擴散度等影響，如3-1與3-2，3-4與3-5，2-1～2-5等；三是測試增加膠凝材料、減小粗骨料，優化細骨料細度模數，如3-1與3-3等，1-1～1-5等；四是測試細骨料中超徑粒料對混凝土強度影響，如1-1～1-5(含超徑礫料組)與2-1～2-5。不同配合比材料用量見表9。

表9 不同配合比材料用量對比表 單位：kg

3.2 成果分析

3.2.1 凝結時間及坍損分析

由于槽身試驗倉整體現澆時間長達11h，為了保證混凝土質量，對配合比的凝結時間和坍落度經時損失值都有相應的要求。通過現場反復試配，采集了大量的試驗數據，得出了不同配合比在不同溫度下初凝、終凝時間及坍落度經時損失值。由于本項目施工工期較長，經歷低溫、常溫、高溫等溫度條件，故試驗采取對應不同溫度條件來測定相應的初凝、終凝時間及坍落度經時損失值(因底板澆筑時長為4h左右，故只測定4h的坍落度經時損失值)，詳見表10。

由表10可知，不同的減水劑摻量及不同的外界環境溫度對混凝土凝結時間及坍落度經時損失值影響較大。主要如下：

表10 不同溫度下不同配合比初凝、終凝時間及坍落度經時損失值

a.在減水劑摻量相同條件之下，外界環境溫度越高，凝結時間越短，坍落度經時損失值越大；外界環境溫度越低，凝結時間越長，經時損失值越小；在外界環境溫度相近條件下，減水劑摻量越大，凝結時間越長，經時損失值越小。

b.環境溫度一致時，細骨料(含粉煤灰)摻量越大坍落度經時損失值越小；對比1-1、2-5、3-3及2-4、3-1，可知同摻量膠凝材料、環境溫度一致，減少粗骨料摻量，增大砂率的同時控制最優細骨料細度模數時，可有效減少經時損失值。

c.同溫度下，適當增加膠凝材料用量，減少粗骨料量，增大細骨料細度模數，可有效減少坍落度經時損失值(28℃左右溫度，增加30kg水泥，減少粗骨料75kg，砂率不變，將細度模數由2.3調到2.6左右，可將4h坍落度經時損失值減少35mm)。

d.根據范特霍夫規則，溫度每升高10℃，化學反應的速率將增大2～4倍(30℃以上溫度已不再是影響混凝土初凝的主導因素)，按線性插值計算，邊界條件不變，溫度每升高1℃(環境溫度小于30℃時)，適用小截面、窄間隙高性能的混凝土4h坍落度經時損失值約為3～5mm。

3.2.2 混凝土強度分析

不同配合比在不同齡期的抗壓強度見表11。

表11 不同配合比在不同齡期的抗壓強度對比表 單位：MPa

由表11可知，不同配合比在不同齡期條件下抗壓強度具有較大差別，配合比3-1～3-4優于其他。具體如下：

a.對比配合比1-1、2-5、3-3及2-4、3-1，可知同摻量膠凝材料、環境溫度一致，減少粗骨料摻量，增大砂率的同時控制合理細骨料細度模數時，可有效提高混凝土初期強度(7d)。

b.分析配合比2-4、3-1，保持水灰比不變，外加劑不變，將砂率由38%調整至40%，同時將砂細度模數由2.3調至2.6，養護條件一致，可將7d及28d強度提高20%左右。

c.對比1、2、3號各組配合比，可見細骨料細度模數對高性能混凝土強度影響極大，同時細骨料中超徑部分(砂中粒徑≥5mm)的小石堅固性對高性能混凝土28d強度影響較大，經檢測本項目使用的部分洞庭湖黃砂中超徑粒料堅固性達5%，接近規范允許最大限值。

通過對比不同溫度下不同配合比，各混凝土試塊初凝、終凝時間，4h坍落度經時損失值，3d、7d、28d后的混凝土抗壓強度，最終得到符合現場施工條件，能滿足實際施工要求的為配合比為3∶1。其具體施工配合比為：水泥∶粉煤灰∶長江江砂∶洞庭湖黃砂∶碎石∶減水劑∶水∶纖維素=470∶60∶140∶560∶1030∶12.72∶170∶0.9。經過工程實際實施檢驗，該組配合比各項指標良好，在施工期間考慮不同溫度影響，僅對凝結時間進行了適應溫度條件下的適時調整。具體各跨槽身混凝土實際指標見表12。

表12 11號～22號槽身混凝土數據

受造槽機模板保溫層以及箱梁結構型式影響，在槽身混凝土逐步澆筑過程中，由于水化反應，內模系統中溫度逐步升高，根據監測統計，澆筑期間內模中部溫升曲線呈拋物線形，溫升峰值平均15℃。受水泥水化反應影響，不同階段膠凝材料凝結增長速率不同。初凝前混凝土的強度發展主要以鈣礬石的增長為主，大致呈線性增長趨勢；在初凝至終凝的階段主要受C3S的水化控制，混凝土強度的發展以C-S-H膠凝的增長為主，且其增長量隨溫度是以指數形式發展的[6]。溫度越高，混凝土的初凝和終凝時間差越小[7]，內部平均溫升超過15℃后，將極大縮短混凝土的初凝和終凝時間差，對頂板混凝土凝結影響尤為明顯。

經檢驗采用3-1配合比，混凝土各項性能指標均滿足要求，其和易性、泵送性、坍落度、擴散度等在實際施工過程中被證明為性能優良，能夠較好指導施工。

4 結 論

a.薄壁結構的高性能預應力混凝土配合比設計中，保持水灰比不變，外加劑不變，在適當調增砂率增大細度模數時(不超過2.6)，養護條件一致時，可顯著提升初期(7d)及28d強度。同時天然細骨料中超徑粒料的含量以及其物理特性不應被忽視，其堅固性、壓碎指標等物理性能直接影響著高性能混凝土的強度，特別是對高性能混凝土28d強度影響較大，應加強原材料進場監測、篩分，剔除。

b.為提高高性能混凝土抗裂性能，應充分結合工程特性選用抗裂外加劑，特別是入倉困難的小截面預應力渡槽，槽身高性能混凝土不可盲目采用親水性的纖維素纖維。

c.為有效解決中小型工程由混凝土生產效率低、混凝土入倉困難等影響因素所帶來影響混凝土性能的問題，在同等條件下，適當增加膠凝材料用量，減少粗骨料用量，增大細骨料細度模數，可有效減少混凝土坍落度經時損失值，保證混凝土強度。

d.在設計入倉困難、澆筑時間長且還需考慮適應混凝土支撐結構逐步撓度變形的小截面、大跨度預應力箱形渡槽高性能混凝土配合比時，應綜合考慮澆筑時長、箱梁體內部密閉環境溫度受下部已澆筑混凝土水化溫升導致變化的影響，為此對同一跨箱形槽身不同部位混凝土緩凝時間均應不小于整跨澆筑時長。

經過優選，本配合比設計較成功，有效解決了一系列難題，并順利實現澆筑后8d槽身即承載超設計正常荷載的造槽機過跨。工程已于2017年底建成通水，質量優良，并榮獲中國水利工程優質(大禹)獎，槽身混凝土施工工法及質量控制獲得中國水利工程新型工法和QC成果獎。