U形薄殼裝配式預應力渡槽接縫砂漿配合比設計

倪 明，郝 超,保守林

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610037)

1 工程背景

四川簡陽毗河工程石鐘支渠郭家溝渡槽全長260 m，包含槽身21跨，頂部設置有拉桿，槽身為U形薄殼混凝土結構，槽身凈寬為1.5 m，凈高1.26 m，主槽身厚度0.22 m。渡槽采用預應力裝配式混凝土，混凝土設計強度等級為C40W6F100，封錨混凝土采用C40微膨脹混凝土，裝配式渡槽槽段之間采用砂漿進行連接，砂漿設計強度等級為M10，設計抗滲等級為P8[1-6]，砂漿性能的好壞關系到渡槽構件連接的可靠性和渡槽的輸水效率，因此必須確保砂漿具備較高的力學性能。

2 試驗概況

2.1 原材料

砂漿的主要原材料包括水泥、硅粉、偏高嶺土、砂等。水泥為P·O42.5R型復合硅酸鹽水泥，初凝時間和終凝時間分別為140 min和270 min，3 d 抗折和抗壓強度分別為4.6 MPa和19.7 MPa，28 d 抗折和抗壓強度分別為8.2 MPa和45.6 MPa；硅粉的粒徑為0.10～0.15 μm，主要化學成分為SiO2，占比達到95.8%；偏高嶺土主要成分為SiO2和Al2O3，指數為120%，石灰反應值為1250 mg Ca(OH)2/g，需水量比為110%，比表面積為22 m2/g，平均粒徑為12 μm，G.E白度為80%，燒失量為0.5%；砂為天然中砂，細度模數為2.5，平均含泥量為1.6%，堆積密度為4210 kg/m3。

2.2 試驗方案

采用三因素三水平L9(34)進行砂漿配合比正交試驗。三因素分別為灰砂比A(水泥與砂的用量比值)、硅粉摻量B和偏高嶺土摻量C，砂漿正交試驗因素水平見表1。試驗共分為9組，具體正交試驗配合比方案見表2。

表1 因素水平

表2 砂漿正交試驗配合比方案

2.3 試驗流程方法

(1)按照正交試驗配合比，對所需各類原材料進行稱取，然后放入攪拌機中進行攪拌，攪拌時間為3 min。(2)在砂漿模具四周涂抹一層黃油，然后將攪拌好的砂漿裝入砂漿模具，采用機械振搗5～10 s。(3)當模具中砂漿表面水分稍干后，用刮刀對表面進行抹平。(4)每種砂漿配合比下，將砂漿制成邊長為100 mm的正方體試件和70 mm×80 mm×30 mm的長方體試件。(5)在20±2 ℃的環境中養護24 h，然后取出砂漿試件放入標準養護室(溫度20±2 ℃，濕度90%～95%)繼續養護至對應的齡期。(6)將正方體試件用于進行抗壓強度測試，將長方體試件用于進行抗滲試驗，分別測試不同養護齡期下的強度和抗滲壓力。

3 試驗結果分析

3.1 抗壓強度

試驗得到的不同齡期下砂漿抗壓強度結果見圖1。圖中可知，當灰砂比從1∶3增加至1∶4時，砂漿的抗壓強度均有不同程度的增大，當灰砂比繼續增加至1∶5時，砂漿的抗壓強度將大幅降低，由此可見灰砂比不宜過低也不宜過大，水泥摻量過少會導致砂漿強度迅速降低；隨著硅粉摻量的增大，砂漿在不同齡期下的抗壓強度呈逐漸增大的變化特征，這主要是因為硅粉的粒徑很小，可填充在砂漿孔隙間隙，增加砂漿的密實度，同時水泥水化反應產生的Ca(OH)2與SiO2產生二次反應，生成硬度更大的CSH凝膠，從而提升砂漿強度；偏高嶺土的摻入，也可以在一定程度上改善砂漿的抗壓強度，隨著偏高嶺土摻量增加，砂漿抗壓強度逐漸增大，這是因為偏高嶺土中的SiO2和Al2O3可以與Ca(OH)2進行二次反應生成鈣礬石，鈣礬石具有微膨脹性，可以填充在砂漿的孔隙中，從而改善砂漿的強度特性。在9種正交配合比中，試驗5組的抗壓強度最大，其次為試驗6組，抗壓強度最小的為試驗8組。

圖1 抗壓強度試驗結果

3.2 抗滲壓力

不同配合比下砂漿28 d齡期下的抗滲試驗結果見圖2。圖中可知，水灰比對于砂漿抗滲能力的影響較大，隨著水灰比的增大，砂漿的抗滲壓力不斷減小；隨著硅粉和偏高嶺土摻量的增加，砂漿的抗滲壓力逐漸增大，主要因為兩者對于砂漿孔隙結構的填充作用，使得砂漿內部更加密實，因而抗滲能力增強。在9種正交配合比中，試驗3組的抗壓強度最大，其次為試驗2組，抗壓強度最小的為試驗8組。

圖2 抗滲性試驗結果

3.3 極差與方差分析

對不同齡期抗壓強度和抗滲壓力進行極差分析，結果見表3。從表中可知，對于3 d抗壓強度的影響，灰砂比>硅粉摻量>偏高嶺土，最優水平為A2B3C3，對于7 d抗壓強度的影響，灰砂比>硅粉摻量>偏高嶺土，最優水平為A2B3C2，對于28 d抗壓強度的影響，灰砂比>硅粉摻量>偏高嶺土，最優水平為A2B3C3，對于抗滲能力的影響，灰砂比>偏高嶺土>硅粉摻量，最優水平為A1B3C2。從整體上來講，硅粉摻量為9%時，砂漿的強度和抗滲性最佳，而灰砂比和偏高嶺土對砂漿強度和抗滲性的影響比較復雜，還需要做進一步分析。

表3 極差分析結果 MPa

對不同齡期抗壓強度和抗滲壓力進行方差分析，結果見圖3。 圖中可知，對于28 d抗壓強度，灰砂比的F值為21.28，其值介于F0.05和F0.01之間，表明灰砂比對28 d抗壓強度的影響顯著，硅粉摻量和偏嶺高土的F值均小于F0.1，表明對抗壓強度的影響非常微小；對于抗滲壓力，灰砂比的F值達到了173.69，遠大于F0.01，表明其對砂漿抗滲能力的影響極顯著，偏高嶺土的F值介于F0.05和F0.01之間，表明對砂漿抗滲能力的影響為比較顯著，而硅粉摻量對砂漿抗滲能力的影響特別小，因此結合極差分析結果，當偏嶺高土取值為3%時，為最佳摻量。方差分析結果表明：對于28 d抗壓強度的影響，灰砂比>硅粉摻量>偏高嶺土，對于抗滲壓力的影響，灰砂比>偏高嶺土>硅粉摻量，這與極差分析結果一致。

圖3 方差分析結果

3.4 最優配合比確定及驗證

從試驗結果及極差、方差分析結果可知：灰砂比增大有利于砂漿的抗壓強度，但不利于砂漿的抗滲能力，因此需要對灰砂比進行綜合平衡分析。由于在渡槽裝配施工過程中，會對接縫處采取防滲塑膜壓底+焦油塑料膠泥填縫+瀝青砂漿封面的綜合防滲處理方式，因而砂漿對于強度的需求更大，故灰砂比應選擇1∶4最為合適，即A2B3C2為砂漿的最佳配合比方案。

對A2B3C2配合比方案下的砂漿進行性能試驗驗證，結果見表4。從表中可知：在最優配合比方案下，砂漿的28 d抗壓強度達到26.21 MPa，達到了M25的強度水平，遠大于M10的設計要求，抗滲壓力達到P10水平，也達到了設計抗滲等級P8的要求，表明在A2B3C2配合比方案下，砂漿具有高強、高抗滲的特性，對于渡槽構件連接具有重要意義。

表4 最優配合比方案下性能參數 MPa

4 結 論

(1)隨著灰砂比的增大，砂漿的強度呈先增大后減小的變化特征，抗滲壓力呈逐漸減小的變化特征，硅粉和偏高嶺土對砂漿強度和抗滲能力均有一定的改善作用。

(2)對于砂漿不同齡期抗壓強度的影響，均是灰砂比>硅粉摻量>偏高嶺土，對于砂漿抗滲能力的影響，則為灰砂比>偏高嶺土>硅粉摻量；灰砂比對抗壓強度為比較顯著影響，對抗滲壓力為極顯著影響，硅粉摻量對抗壓強度和抗滲壓力均為微弱影響，偏嶺高土對抗壓強度為微弱影響，對抗滲壓力為比較顯著影響。

(3)砂漿的最佳配合比方案為A2B3C2(灰砂比1∶4，硅粉摻量9%，偏嶺高土摻量3%)，在此配合比方案下，砂漿強度等級可達M25，抗滲等級可達P10。