鄭冬保

水利工程加固中微膨脹混凝土的配比應(yīng)用

鄭冬保

一、概述

某大型水庫(kù)連拱壩裂縫嚴(yán)重，除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)采用在垛墻底部回填微膨脹混凝土等措施進(jìn)行處理，用以加強(qiáng)垛墻的整體性和剛度，提高承載能力和結(jié)構(gòu)安全度，利用其后期膨脹變形來(lái)補(bǔ)償混凝土的干縮和溫降收縮變形，以保證新老混凝土之間的結(jié)合，防止混凝土產(chǎn)生裂縫，因此進(jìn)行該工程微膨脹混凝土性能的各項(xiàng)試驗(yàn)研究便成為了首要工作。以下主要對(duì)微膨脹混凝土配合比的選擇過(guò)程、各項(xiàng)物理性能試驗(yàn)研究和實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行闡述。

二、微膨脹混凝土性能設(shè)計(jì)要求

（1）混凝土的強(qiáng)度等級(jí)和骨料級(jí)配：C30和C15泵送混凝土，二級(jí)配。

（2）在氣溫5℃～30℃時(shí)，混凝土拌合物攪拌后30min泵送混凝土坍落度為11～12cm。

（3）混凝土28d的自身體積變形達(dá)到80×（10-6），混凝土90d的自身體積變形達(dá)到150×（10-6）。

三、微膨脹混凝土試驗(yàn)內(nèi)容

（1）對(duì)擬采用的水泥、粉煤灰、骨料等原材料進(jìn)行檢驗(yàn)，并按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

（2）根據(jù)微膨脹混凝土性能設(shè)計(jì)要求，確定微膨脹混凝土的推薦配合比。

（3）按設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行推薦配合比（二級(jí)配C30、C15）的混凝土拌合物性能、物理力學(xué)性能、干縮變形率、限制膨脹率、自身體積變形和線膨脹系數(shù)等試驗(yàn)，提供滿足設(shè)計(jì)和施工要求的配合比。

四、原材料

（1）砂：Ⅱ區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)2.7，級(jí)配良好，含泥量、泥塊含量及所檢其他性能均符合規(guī)范要求。

（2）石子：二級(jí)配碎石，級(jí)配良好，含泥量、泥塊含量及所檢其他性能均符合規(guī)范要求。

（3）水泥：普硅32.5級(jí)和42.5級(jí)水泥，C30微膨脹混凝土選用42.5級(jí)水泥，C15微膨脹混凝土選用32.5級(jí)水泥。水泥的密度、細(xì)度、強(qiáng)度、安定性、凝結(jié)時(shí)間、標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量均符合規(guī)范要求。

（4）粉煤灰：I級(jí)粉煤灰，密度、細(xì)度、需水量比、燒失量、含水率，三氧化硫、氧化鎂、氧化鉀和氧化鈉含量均符合規(guī)范要求。

（5）外加劑：采用了UEA-Ⅲ低堿高效混凝土膨脹劑，氧化鎂含量、總堿量、強(qiáng)度和限制膨脹率均符合標(biāo)準(zhǔn)《混凝土膨脹劑》要求。

五、微膨脹混凝土的配合比設(shè)計(jì)

1.微膨脹混凝土配制強(qiáng)度的確定

如果所配制混凝土的強(qiáng)度值與混凝土的設(shè)計(jì)要求強(qiáng)度相等，則其強(qiáng)度保證率只有50%，為使混凝土具有較高的強(qiáng)度保證率，在進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)，必須使混凝土的配制強(qiáng)度高于設(shè)計(jì)要求的強(qiáng)度。依據(jù)《水工混凝土施工規(guī)范》，預(yù)期配制強(qiáng)度參數(shù)為：C30混凝土概率度系數(shù)t為1.65，強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差σ為4.5MPa，強(qiáng)度保證率P為95%，配制強(qiáng)度為37.4MPa。C15混凝土概率度系數(shù)t為1.65，強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差σ為3.5MPa，強(qiáng)度保證率P為95%，配制強(qiáng)度為20.8MPa。

2.微膨脹混凝土配合比設(shè)計(jì)試拌成果

根據(jù)上述配合比設(shè)計(jì)原則，在泵送微膨脹混凝土試驗(yàn)成型之前，進(jìn)行了以水膠比，單位用水量等為因素水平的試驗(yàn)，其部分試拌成果見表1。

表1 微膨脹混凝土試拌配合比表

試拌表明：泵送微膨脹混凝土同普通混凝土一樣，其抗壓強(qiáng)度仍遵循“水灰比定則”，即混凝土的抗壓強(qiáng)度由水膠比的大小決定。從表1可看出，混凝土的28d抗壓強(qiáng)度與水膠比的倒數(shù)—膠水比成正比。

3.微膨脹混凝土推薦配合比

根據(jù)此次試拌情況，考慮混凝土的耐久性等要求，結(jié)合其他工程經(jīng)驗(yàn)，按《水工混凝土外加劑技術(shù)規(guī)范》（DL/T5100-1999）、《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范（50119-2003）、《水工混凝土施工規(guī)范》（DL/T5144-2001）、《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（SD105-82）等現(xiàn)行國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，確定推薦配合比見表2。

表2 微膨脹混凝土推薦配合比表

六、微膨脹混凝土試驗(yàn)成果

根據(jù)所選定的推薦配合比，進(jìn)行了微膨脹混凝土拌合物性能、不同齡期抗壓強(qiáng)度、軸心抗拉強(qiáng)度、抗拉彈模、極限拉伸值、線膨脹系數(shù)、干縮變形率、限制膨脹率和自身體積變形試驗(yàn)。整個(gè)試驗(yàn)研究過(guò)程按照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行。

1.微膨脹混凝土拌合物性能

混凝土拌合物性能試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 微膨脹混凝土拌合物性能一覽表

從表3分析可知：兩個(gè)推薦配合比混凝土拌合物拌合后30min的坍落度H30分別為12.0cm、11.5cm，滿足設(shè)計(jì)11～12cm的要求。混凝土拌合物容重大于2400kg/m3，每立方米混凝土膠凝材料總量分別為336.0kg、347.2kg，均滿足有關(guān)規(guī)范要求。

2.微膨脹混凝土的物理力學(xué)性能

兩個(gè)推薦配合比不同齡期的微膨脹混凝土抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗拉彈模、極限拉伸值列于表4。

（1）微膨脹混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度均隨齡期的增長(zhǎng)而增加。這主要是因?yàn)榛炷林袚椒勖夯液?，粉煤灰中的有效成份SiO2、Al2O3與水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2發(fā)生作用，生成堿度較低的二次水化物—水化硅酸鈣膠體和水化鋁酸鈣晶體，從而起到增強(qiáng)作用。但這種二次水化作用的效果非常緩慢，需要較長(zhǎng)的時(shí)間。混凝土的前期強(qiáng)度主要靠水泥水化產(chǎn)物的凝結(jié)硬化。隨著齡期的增長(zhǎng)，一方面混凝土內(nèi)的水泥繼續(xù)凝結(jié)硬化，另一方面是所摻入粉煤灰的二次水化反應(yīng)逐漸加強(qiáng)，水化產(chǎn)物不斷生成，使水泥石更密實(shí)堅(jiān)硬，從而大幅度提高混凝土的后期強(qiáng)度。一般粉煤灰的質(zhì)量越好、摻量越大，這種現(xiàn)象就越明顯。

表4 推薦配合比微膨脹混凝土物理力學(xué)性能表

（2）微膨脹混凝土的抗拉彈性模量受骨料的種類及彈性模量、水泥石的結(jié)晶程度及混凝土的灰骨比，強(qiáng)度等因素影響。它隨著混凝土的強(qiáng)度、齡期的增長(zhǎng)而增加。

（3）混凝土的極限拉伸值越大，其抗裂性愈強(qiáng)，它的大小主要受膠凝材料用量、混凝土的抗拉強(qiáng)度、骨料的種類及混凝土養(yǎng)護(hù)齡期等因素影響。

3.微膨脹混凝土的干縮變形、限制膨脹率、自身體積變形和線膨脹系數(shù)

（1）微膨脹混凝土的干縮變形

混凝土單位用水量的多少，是影響其干縮率的重要因素。當(dāng)混凝土中的水泥用量不變時(shí)，混凝土的干縮率隨水灰比的增大而增加。水泥顆粒愈細(xì)，干縮也愈大。在一定范圍內(nèi)，UEA-Ⅲ低堿高效混凝土膨脹劑用量越高，對(duì)混凝土收縮的補(bǔ)償作用越明顯，干縮就越小。編號(hào)PZ5試件比PZ8同齡期干縮率大，主要是因?yàn)镻Z5比PZ8的水泥顆粒細(xì)，水灰比大，每立方米混凝土中PZ5比PZ8的單位用水量大。兩個(gè)推薦配合比混凝土的干縮變形試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 推薦配合比微膨脹混凝土的干縮率表

（2）微膨脹混凝土的限制膨脹率

為了補(bǔ)償混凝土的收縮，改善混凝土的性能，在混凝土拌合時(shí)添加了UEA-Ⅲ低堿高效混凝土膨脹劑，能利用其后期膨脹變形使混凝土在水化過(guò)程中產(chǎn)生一定的體積膨脹。在有約束條件下，由于膨脹劑的作用，混凝土能產(chǎn)生一定的自應(yīng)力。兩個(gè)推薦配合比混凝土的限制膨脹率試驗(yàn)結(jié)果列于表6。

表6 推薦配合比微膨脹混凝土的限制膨脹率表

（3）微膨脹混凝土的線膨脹系數(shù)

線膨脹系數(shù)是表示混凝土溫度每變化1℃，沿其長(zhǎng)度方向尺寸的相對(duì)變化量。由于水泥石的線膨脹系數(shù)在11～20 （10-6/℃）之間，骨料的線膨脹系數(shù)在5～13（10-6/℃），因此微膨脹混凝土的線膨脹系數(shù)處于兩者之間，它的大小與灰骨比和骨料的性質(zhì)有關(guān)。實(shí)測(cè)編號(hào)PZ5、PZ8試件28d線膨脹系數(shù)分別為8.44（10-6/℃）、8.59（10-6/℃）。

（4）微膨脹混凝土的自身體積變形

測(cè)定微膨脹混凝土在恒溫絕濕條件下，僅僅由膠凝材料自身水化作用所引起的體積變化，即自身體積變形（不包括混凝土受外荷、溫度、濕度等影響所引起的體積變形）。混凝土的自身體積變形受水泥及膠凝材料的性質(zhì)、化學(xué)成份影響。實(shí)測(cè)編號(hào)PZ5試件28d自身體積變形為243.98（10-6），PZ8試件28d自身體積變形為172.02（10-6）。兩個(gè)推薦配合比的微膨脹混凝土28d的線膨脹系數(shù)及自身體積變形試驗(yàn)結(jié)果列于表7。

表7 微膨脹混凝土的線膨脹系數(shù)和自身體積變形試驗(yàn)結(jié)果表

七、結(jié)語(yǔ)

所推薦的兩個(gè)配合比微膨脹混凝土的拌和物性能、28d抗壓強(qiáng)度、28d和90d自身體積變形均滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)踐證明，通過(guò)周密細(xì)致的試驗(yàn)研究，可以選擇配制出性能優(yōu)良，既經(jīng)濟(jì)又滿足設(shè)計(jì)和施工要求的微膨脹混凝土。通過(guò)幾個(gè)大型水庫(kù)加固的實(shí)際考驗(yàn)，微膨脹混凝土在保證新老混凝土結(jié)合，防止混凝土裂縫產(chǎn)生方面起到了很好的效果。在實(shí)際施工時(shí)要嚴(yán)格按有關(guān)規(guī)范要求準(zhǔn)確計(jì)量各種材料，并根據(jù)骨料實(shí)際含水情況換算成施工配合比，混凝土的攪拌、運(yùn)輸、澆筑和養(yǎng)護(hù)要嚴(yán)格按水工混凝土施工等相關(guān)規(guī)范進(jìn)行

（作者單位：安徽省·水利部淮委水利科學(xué)研究院 233000）

（專欄編輯：顧 梅）