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        水利工程加固中微膨脹混凝土的配比應(yīng)用

        2016-11-28 08:55:00鄭冬保
        治淮 2016年10期
        關(guān)鍵詞:膨脹率水化骨料

        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(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)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?;炷涟韬衔锶葜卮笥?400kg/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?;炷恋那捌趶?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)?;炷恋淖陨眢w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)

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