曹 力

(新疆卡拉貝利水利樞紐工程建設(shè)管理局，新疆 喀什 844000)

1 概述

卡拉貝利工程處于新疆烏恰縣境內(nèi)，是克孜河上出山口段上的一座控制性水利樞紐工程，以防洪和灌溉為主、兼顧發(fā)電。該工程是Ⅱ等大(2)型的水利樞紐工程，水庫的總庫容2.62億m3，主要建筑有砂礫石混凝土面板壩、2個泄洪排沙放空洞、溢洪道及電站等。

對工程壩址區(qū)的河水、河床內(nèi)的潛水、鉆孔內(nèi)基巖的裂隙水進行了取樣，根據(jù)水質(zhì)分析試驗成果，壩址區(qū)河水、河床內(nèi)潛水及基巖裂隙水中的硫酸根離子含量分別是356.3～499.5mg/L、413.1～614.8mg/L及399.6～999.6mg/L，pH值為71.9～8.64，對混凝土有結(jié)晶類硫酸鹽型的中等—強腐蝕性。

通過普通水泥高性能混凝土研究，以達到對抑制硫酸鹽的侵蝕、骨料的堿活性、設(shè)計等級與施工性等方面的要求，改善混凝土的性能，節(jié)省水泥，從而實現(xiàn)經(jīng)濟合理，進一步為高性能混凝土推廣積累了寶貴的經(jīng)驗。

2 研究目的和設(shè)計思路

2.1 研究目的

利用符合工程實際情況及技術(shù)要求的原材料，在滿足和易性與設(shè)計指標要求的前提下，通過試驗研究，確定了混凝土原材料之間的比例關(guān)系，選取合適的混凝土外加劑，達到改善混凝土性能和節(jié)省水泥，實現(xiàn)經(jīng)濟合理，滿足設(shè)計要求，施工性能良好，保證質(zhì)量最佳的混凝土配合比。通過試驗研究，采用普通硅酸鹽水泥配制的高性能混凝土，滿足對抑制硫酸鹽的侵蝕、骨料的堿活性、設(shè)計等級與施工性的要求。

2.2 設(shè)計思路

高性能混凝土以耐久性作為試驗設(shè)計的主要指標，依據(jù)不同用途的要求，重點保證混凝土的耐久性、工作性、適用性、強度、 體積穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。主要配置的特點是采取低水膠比，選擇優(yōu)質(zhì)原材料，摻加足夠數(shù)量的礦物細摻料及高效外加劑。

本試驗研究參考了中國土木工程學(xué)會標準CCES 01—2004《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計與施工指南》，并結(jié)合工程所處的氣候和地理特點，高性能混凝土配制主要基本原則如下。

(1)水泥采用質(zhì)量穩(wěn)定、低水化熱和含堿量偏低水泥。

(2)骨料采用耐久堅固、合格級配、良好粒形、潔凈的骨料。

(3)采用優(yōu)質(zhì)的粉煤灰、礦渣等礦物摻和料或者復(fù)合礦物摻和料。

(4)采用優(yōu)質(zhì)的高效減水劑，減小混凝土的水膠比，以盡量降低拌和水用量；有抗凍滲要求的混凝土，需要摻加優(yōu)質(zhì)的引氣劑，作為配制耐久混凝土常用手段。

(5)對混凝土的膠凝材料最低與最高用量做出限制，并盡量減少硅酸鹽水泥用量。

3 高性能混凝土配合比研究

3.1 混凝土配合比、拌合物性能及抗壓強度試驗

混凝土配合比、拌合物性能及 3、7、28d 抗壓強度結(jié)果見表2。根據(jù)表2試驗結(jié)果，其中配制C30F200W6泵送時，當AX-1摻量為 1%，混凝土有輕度泌水，故又增加了兩組 AX-1摻量 0.8%的配合比，減少高效減水率摻量后，基本無泌水現(xiàn)象。分析對于不同強度等級、級配與粉煤灰摻量的混凝土抗壓強度試驗結(jié)果，其結(jié)果見表1?；炷僚浜媳仍嚢钑r，膠凝材料中粉煤灰的摻量是以內(nèi)摻法，即按重量的粉煤灰等量替代水泥。從表 1結(jié)果中可以看出，28d 相關(guān)系數(shù)均大于 0.99，表明相關(guān)性較好，規(guī)律性較強。

表1 不同強度等級混凝土 28d 抗壓強度與膠水比相關(guān)分析結(jié)果

表2 新疆卡拉貝利水利樞紐工程普通水泥高性能混凝土配合比試驗結(jié)果

(續(xù)表2)

3.2 混凝土抗凍試驗

混凝土抗凍性能試驗按SL 352—2006《水工混凝土試驗規(guī)程》中混凝土抗凍試驗方法進行，檢驗結(jié)果見表3。

表3 混凝土抗凍性試驗結(jié)果 單位：%

本次研究進行的抗凍試驗，其試件選擇水灰(膠)比較大的配合比進行抗凍融試驗，試驗結(jié)果均符合抗凍等級為 F200或 F300設(shè)計的要求，因此推薦的混凝土配合比也均符合抗凍設(shè)計的要求，并且還有較多的富余量。

同時， 我們采用丹麥產(chǎn) RapidAir 氣孔結(jié)構(gòu)分析儀對部分抗凍試件，依據(jù)SL 352—2006中硬化混凝土氣泡參數(shù)試驗(直線導(dǎo)線法)，對硬化混凝土28d齡期進行氣孔結(jié)構(gòu)的測試，結(jié)果見表4。由表4中的結(jié)果可知，各配合比氣孔間距系數(shù)均小于 200μm，滿足CCES 01-2004中在最嚴酷鹽凍條件下對氣泡間距系數(shù)要求，即滿足抗凍耐久性要求，KL-28氣孔照片如圖1所示。

表4 硬化混凝土配合比 28d后氣孔結(jié)構(gòu)測試結(jié)果

圖1 氣孔照片

3.3 混凝土抗?jié)B試驗

按照SL 352—2006中逐級加壓法進行混凝土抗?jié)B等級分別為W6和W4的試驗。通過各抗?jié)B設(shè)計等級不同試件試驗結(jié)果表明，當壓力分別加至規(guī)范規(guī)定壓力時，各種配合比成型后的6個試件均沒有出現(xiàn)滲水現(xiàn)象。經(jīng)對試件劈裂后檢驗，其中W4試件滲水高度為10～50mm，W6試件的滲水高度是15～55mm，充分說明混凝土的抗?jié)B性能較好。即所檢驗試件的混凝土抗?jié)B等級均大于相應(yīng)的設(shè)計等級，符合各種抗?jié)B等級設(shè)計的要求。

4 研究結(jié)果

(1)本項目采用浸泡K法和干濕循環(huán)法分別模擬了混凝土結(jié)構(gòu)的兩種工況，即長期完全浸泡于含硫酸鹽的環(huán)境水中和有時處于含硫酸鹽環(huán)境水中。這兩種試驗論證的結(jié)果均表明：采用普通水泥加粉煤灰的高性能混凝土，是能夠完全達到抑制硫酸鹽侵蝕目標。

(2)綜合浸泡法抗侵蝕的試驗結(jié)果：在不同侵蝕溶液中，本項目試驗的抗蝕系數(shù)均大于0.90，規(guī)范要求28d抗侵蝕系數(shù)大于0.8，充分說明抗硫酸鹽侵蝕能力合格。同時，本次試驗的誤差分析結(jié)果標明，不同試驗齡期抗折強度的試驗誤差σ在試驗變差系數(shù)Cv小于5%時試驗水平達到優(yōu)良；Cv在5%～10%之間，試驗水平達到一般。本次試驗水平均屬于優(yōu)良。本項目提出以普通水泥加粉煤灰的高性能混凝土抑制硫酸鹽侵蝕的方案是可行的。

(3) 在混凝土中通過摻加30%左右，甚至更多Ⅱ級以上粉煤灰，能夠明顯改善混凝土水泥石的孔結(jié)構(gòu)，提高混凝土的抗?jié)B性能，即使水膠比0.45，抗侵蝕系數(shù)均大于規(guī)范要求的0.8。同時，參考抗折強度指標進行3個因素的正交極差分析，粉煤灰的摻量因素，隨著齡期延長，其影響程序愈來愈大。經(jīng)過微觀對水泥石進行了電子掃描顯微鏡(SEM)和能譜分析，得出摻加一定量粉煤灰，可大大改善水泥石孔結(jié)構(gòu)，改善水泥石的水化反應(yīng)，減少了侵蝕產(chǎn)物產(chǎn)生，從而提高了抗硫酸鹽侵蝕的性能。

(4) 本項目提高的普通水泥加粉煤灰的高性能混凝土方案，經(jīng)過大量的試驗研究論證結(jié)果表明，其抑制硫酸鹽侵蝕的能力是符合要求的，且大于抗硫酸鹽水泥混凝土，基本與抗硫酸鹽水泥加粉煤灰混凝土性能相當，且在經(jīng)濟上有比較大的優(yōu)勢。

5 試驗結(jié)果分析

混凝土配合比試驗過程中，首先應(yīng)考慮混凝土拌合物和易性、坍落度及粘聚性等指標是否滿足技術(shù)指標的要求，在此基礎(chǔ)上測定含氣量是否符合技術(shù)要求。待上述技術(shù)指標均符合技術(shù)要求后，再成型混凝土抗壓強度試件，對面板趾板則需成型其它力學(xué)性能試件，否則需要重新調(diào)整用水量或砂率、以及外加劑的摻量。初步選取滿足設(shè)計強度等級要求的最合理混凝土配合比，在成型的抗凍、抗?jié)B和抗裂試件中進行試驗。根據(jù)試驗結(jié)果分析，最后選擇滿足設(shè)計要求、技術(shù)可靠且經(jīng)濟合理的混凝土配合比。

本工程地處寒冷地區(qū)，混凝土抗凍要求較高。針對以上對混凝土耐久性的要求，采取高性能混凝土的理念，進行配合比的優(yōu)化，在混凝土配合比優(yōu)化試驗過程中，主要優(yōu)化選擇的有如下幾個方面：

(1)水膠比的優(yōu)選

本混凝土配合比試驗研究主要以試驗結(jié)果為依據(jù)，同時根據(jù)相應(yīng)的規(guī)范、規(guī)程對最大水膠比的要求來優(yōu)選水膠比。本試驗中推薦有耐久性要求混凝土配合比的水膠比均較小。對于設(shè)計強度等級較低，且具有較高耐久性要求，本試驗則選擇相對規(guī)范要求的水膠比偏大，但通過試驗驗證均能符合設(shè)計要求。

(2)粉煤灰摻量的優(yōu)選

摻粉煤灰能有效改善混凝土的工作性能及混凝土的孔結(jié)構(gòu)，使孔徑得以細化和勻化，提高了混凝土密實度，而且提高了混凝土的抗?jié)B、抗凍、抗侵蝕和抑制骨料:堿活性等主要耐久性指標，并且減少混凝土的泌水與離析現(xiàn)象，同時減少了溫度應(yīng)力，進而抑制溫差產(chǎn)生的裂縫等。

(3)外加劑的效應(yīng)

對外加劑性能影響最大的是水泥，不同品種的外加劑對水泥的分散、減水與增強效益不同，水泥適應(yīng)性好的外加劑，可以顯著改善混凝土的毛細孔結(jié)構(gòu)，進而提高混凝土密實度，提高混凝土的力學(xué)強度與抗?jié)B等耐久性，并改善新拌混凝土的和易性，增大流動度，減少泌水和離析現(xiàn)象，根據(jù)混凝土力學(xué)性能與耐久性的試驗結(jié)果，選取了技術(shù)可靠且經(jīng)濟合理的外加劑摻量。

一是高效減水劑。水泥水化所需用水量基本相當于水泥質(zhì)量的1/4，即理想的水膠比是0.25。但使用該用水量拌制的混凝土如同一盤散沙，無法施工。為滿足施工需要，只有增加水量以增大混凝土的流動度。由于混凝土用水量過大，水泥水化剩余的水較多，蒸發(fā)以后，混凝土內(nèi)部形成了較多孔隙，導(dǎo)致混凝土干縮大和裂縫多，強度與耐久性降低，混凝土質(zhì)量變劣。要解決這個問題，只有采用摻減水劑的辦法。它能在相同流動度的情況下減水8%～15%，最高可達30%以上。減水劑是一種表面活性劑，能溶解于水溶液中，并在液面定向排列，從而降低界面能。這種物質(zhì)的表面活性能使其具有濕潤、乳化、分散、起泡、潤滑作用，能夠大幅度地降低混凝土用水量。經(jīng)試驗檢測，由于本試驗所用緩凝減水劑坍落度損失較快，因此，我們建議施工前應(yīng)由廠家調(diào)整其中的緩凝成份，以避免坍落度損失過快。

二是引氣劑。引氣劑是一種表面活性劑，能降低溶液表面張力，引入大量互不貫通的微細氣泡，有引氣、分散、潤濕作用。氣泡直徑在25～250μm之間，能夠均勻地分布在混凝土中，切斷毛細管之間的通道，從而提高了混凝土抗?jié)B性；緩和了自由水因受凍結(jié)產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力，并且能夠提高混凝土抗凍性和改善新拌混凝土和易性，依據(jù)SL 191—2008《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》4.4.7規(guī)定：“抗凍混凝土必須摻引氣劑”；SL 211—2006《水工混凝土抗冰凍設(shè)計規(guī)范》4.1.4規(guī)定“抗凍混凝土必須使用有引氣作用的外加劑”的要求。混凝土中摻入引氣減水劑，由于含氣量增大，導(dǎo)致混凝土強度降低。但可利用減水劑的增強作用，可彌補因含氣量增大所降低的強度損失。通過試配混凝土配合比，根據(jù)抗凍設(shè)計等級及規(guī)范對不同級配混凝土含氣量的要求，選取合適引氣劑的摻量。根據(jù)試驗結(jié)果表明，推薦混凝土配合比的力學(xué)性能、抗凍及抗?jié)B等耐久性都滿足設(shè)計的要求。

6 結(jié)論

(1)不同強度等級、不同級配和不同粉煤灰摻量的高性能混凝土的28d相關(guān)系數(shù)均大于0.99，抗壓性能高且相關(guān)性較好，規(guī)律性較強。

(2)高性能混凝土硬化混凝土28d齡期的氣孔結(jié)構(gòu)測試，各配合比氣孔間距系數(shù)均小于200μm，符合抗凍耐久性要求。

(3)通過劈裂后的檢驗，W4試件滲水高度為10～50mm，W6試件滲水高度為15～55mm，具有較好的抗?jié)B性能。

(4)通過浸泡K法和干濕循環(huán)法分別模擬了混凝土結(jié)構(gòu)的兩種工況，高性能混凝土完全可以達到抑制硫酸鹽侵蝕的目標。

(5)高性能混凝土在溢洪道泄槽段擋墻溢0+110—溢0+138范圍進行應(yīng)用，施工過程中高性能混凝土混凝土拌合物具有較高流動性，在成型的過程中不分層和不離析，同時具有較高體積穩(wěn)定性。說明高性能混凝土具有良好的工作性，抑制硫酸鹽侵蝕能力大于抗硫酸鹽水泥混凝土，與抗硫酸鹽水泥加粉煤灰混凝土性能基本相當，且在經(jīng)濟上有比較大的優(yōu)勢。為同類工程的運用提供了一定參考價值。