大掺量矿物掺合料混凝土在大清河下游西河右堤（西河闸段）防洪堤防除险加固工程中的应用研究

2014-03-23刘智超许树芳刘晓佳杨建房

海河水利 2014年1期

关键词：磨细西河矿渣

刘智超，许树芳，刘晓佳，杨建房，张钰

（1.海河水利委员会海河下游管理局，天津 300061；2.水利部海河水利委员会，天津 300250）

1 前言

由于氯盐及硫酸盐侵蚀、干湿交替等原因，一些水工建筑物出现了混凝土开裂、钢筋严重锈蚀等现象，甚至未达到设计使用年限就发生了破坏。为延长工程使用寿命、充分发挥其经济社会效益，需要综合考虑进行混凝土耐久性设计。

大掺量矿物掺合料混凝土是指混凝土胶凝材料中含有较大比例的粉煤灰、磨细矿渣等矿物掺合料，采用较低水胶比和特殊施工措施的混凝土。它以耐久性作为设计的主要技术指标，具有良好的和易性（工作性）、强度、适用性、经济性及抗腐蚀性。

粉煤灰、磨细矿渣等都是廉价的工业废料，具有大量的活性成分，合理应用于混凝土中能部分代替水泥，节省工程造价，并能显著改善混凝土性能。

2 工程概况

西河闸枢纽由西河节制闸和西河船闸组成，位于天津市杨柳青镇北东淀下口，上距大清河与子牙河汇流处12 km，下距子北汇流口15 km，是大清河系洪水进入海河干流的最后一道屏障。

西河船闸上闸首由于地面沉降，闸门顶现状高程5.294 m，挡水高程严重不足；节制闸右岸翼墙与船闸左岸之间有1 640 m长缺口，堤顶（墙顶）超高较东淀控制运用水位6.44 m以上超高不足1.0 m，成为天津城市防洪圈西部防线上的缺口。为此，在大清河下游西河右堤（西河闸段）防洪堤防除险加固工程中安排对西河船闸上闸首、上源头防浪墙进行拆除重建。

船闸基础采用钢筋混凝土灌注桩，桩径0.8 m，桩长25 m，共105 根；上闸首采用整体式结构，顺水流方向长20 m、垂直水流方向31 m，底板厚2 m；原闸室第一节加厚并恢复排水孔。修筑半重力式钢筋混凝土墙，为倒T 形结构，墙顶高程7.7 m，墙高1.82～2.10 m，厚0.4 m，基础宽1.7 m，下设10 cm 厚素混凝土垫层。

勘察中取地下水进行水质分析，地下水为HCO3-Ca·Mg 型水，对普通水泥具硫酸盐型强腐蚀性，对抗硫酸盐水泥无腐蚀性。化验结果，见表1。

表1 地下水腐蚀性评价

根据地下水腐蚀性评价结果，必须采取措施提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力。根据本工程混凝土设计要求，混凝土配制强度及工作性能要求见表2。

3 大掺量矿物掺合料混凝土室内配制试验

（1）为了抑制碱骨料反应和抗硫酸盐腐蚀，考虑采用粉煤灰和磨细矿渣双掺的大掺量矿物掺合料混凝土施工技术。具体为，粉煤灰掺20%和磨细矿渣掺30%，替代胶凝材料中50%的水泥。

经试验，该水泥14 和28 d 膨胀率大大降低，能有效抑制混凝土发生碱骨料反应；抗硫酸盐侵蚀系数大于1.0，比抗硫酸盐水泥的抗蚀系数还要高，体现了更好的抗硫酸盐侵蚀能力，结果见表3。

表3 粉煤灰20%、磨细矿渣30%双掺快速测试硫酸盐侵蚀试验结果

表4 混凝土实验室配合比

表5 新拌混凝土工作性能

（2）根据有关规范要求，对不同部位、不同标号、不同施工要求混凝土，通过配合比试配，依次确定了水胶比、单位用水量、最优砂率和外加剂掺量。经试拌，确定了混凝土配合比，见表4；新拌混凝土工作性能，见表5。结果显示，各个配合比新拌混凝土和易性好，坍落度损失小，具有良好的工作性能，含气量符合设计要求。

4 工程应用

该工程采用大掺量矿物掺合料混凝土共计约1.03万m3，其中防浪墙、闸底板、闸墩、翼墙及上下游连接段等混凝土设计强度等级为C20，抗冻等级为F150，抗渗等级为W4；闸门槽二期混凝土设计强度等级为C25，抗冻等级为F150，抗渗等级为W6。

4.1 混凝土原材料

水泥：P·O42.5 水泥，3 d 抗压强度不小于17.0 MPa，28 d 抗压强度不小于42.5 MPa，安定性合格。

粉煤灰：II级粉煤灰，含水量不大于1%，细度不大于25%，烧失量不大于3%，需水量比不大于105%。

磨细矿渣：S95 级矿渣，含水量不大于1.0%，比表面积不小于400㎡/kg，SO3不大于0.06%，烧失量不大于3.0%，7、28 d 活性指数分别不小于75%和95%。

细骨料：天然河砂，细度模数3.0，含泥量2.4%。

粗骨料：碎石，最大粒径40 mm。

外加剂：HLC型外加剂。

4.2 混凝土施工配合比

施工前，根据室内试验参考配合比在施工现场进行多次试配，确定施工配合比，见表6。

表6 混凝土施工配合比

4.3 混凝土检测情况

（1）混凝土抗压强度检测。为保证现场留置混凝土试件代表性，在拌合站和浇筑现场取样制作标准试件，经标准养护至设计龄期后委托试验检测机构进行抗压强度试验。混凝土28 d龄期抗压试验结果，见表7。

表7 混凝土试块抗压强度检测

依照《水利水电工程施工质量检验与评定规程》（SL176－2007）要求，混凝土试块抗压强度检测结果合格。

（2）混凝土抗渗性检测。依据有关规范，采用逐级加压法（水压逐级加压到0.6 MPa），对上述C20F150W4、C25F150W6两个标号混凝土试块进行了抗渗试验，在试验结束时，试块均未发生渗水现象，依据《水工混凝土试验规程》（SL352—2006），其抗渗等级均能满足设计要求。

（3）混凝土抗冻性检测。混凝土的冻害主要是由于混凝土细孔中水分受到冻结，伴随着这种相变，产生膨胀压力；剩余的水分迁移到附近的空隙和毛细管中，水在运动过程中会产生液体压力。在这两种压力作用下，混凝土遭到破坏。

根据有关规范，对上述C20F150W4、C25F150W6两个标号混凝土进行了抗冻试验。试验结果，见表8。

表8 混凝土抗冻试验结果

两个配合比混凝土抗冻性经过150次冻融循环后，其相对动弹性模量均大于75%且重量损失率小于5%，抗冻等级均达到F150。依据《水工混凝土试验规程》（SL352-2006），其抗冻性满足混凝土设计要求。

5 经济技术效益分析

5.1 经济效益分析

经调研，天津市场胶凝材料的价格大致为：普通硅酸盐水泥410元/t，抗硫酸盐水泥680元/t，Ⅱ级粉煤灰160 元/t，磨细矿渣230 元/t。据此推算，以C20F150W4 为例，1 m3大掺量矿物掺合料混凝土（按1 m3混凝土胶凝材料344 kg水泥用量172 kg、粉煤灰用量69 kg、磨细矿渣用量103 kg 计算）可降低成本128.67 元，比设计的抗硫酸盐水泥混凝土配合比价格降低约55%；比设计的混凝土防浪墙混凝土成本降低39.24元，价格降低约27.8%。船闸上闸首改建工程使用C20F150W4 抗硫酸盐混凝土总方量约为7 010 m3，防浪墙使用C20F150W4 混凝土2 886 m3，经估算，仅该项即可节约工程投资102 余万元。同时，采用大掺量矿物掺合料混凝土技术可以大大延长工程使用寿命，减少工程维修养护费用。

5.2 技术效益分析

大掺量矿物掺合料混凝土使用了优质的外加剂和矿物掺合料，充分发挥矿物掺合料的形态效应、火山灰效应、微集料效应，增加了浆体的密实性，提高了混凝土的和易性、工作性等。通过降低水胶比和掺加矿物掺合料，减少了混凝土的孔隙率，改善了孔隙结构，提高了混凝土的密实性，大大降低了硫酸盐离子和氯离子侵入混凝土内部的数量，同时大大降低了孔溶液中碱离子浓度，有效抑制了碱骨料反应。

本工程混凝土配合比采用的粉煤灰和磨细矿渣双掺50%（20%粉煤灰+30%磨细矿渣）技术方案，不仅有效抑制了混凝土碱骨料反应，同时大大提高了混凝土抗硫酸盐腐蚀能力，其抗硫酸盐侵蚀系数比设计规定的抗硫酸盐的抗蚀系数还要高。

采用该方案配比混凝土，经过抗压、抗渗及抗冻等试验，均能够满足设计要求。

5.3 社会效益分析

我国是世界第一水泥生产大国，2008年水泥产量达到13.88 亿t。水泥生产从矿山原料开采、破碎、预热分解、烧制及水泥粉磨等过程中，不仅破坏了地表原有植被，加剧了水土流失，同时耗费了大量能源。粉煤灰是热电厂的副产品，磨细矿渣是炼铁生产的副产品，这些工业生产废料如果直接排放环境，必然会带来很大的环境压力。将其应用于混凝土中，变废为宝，完全符合生态文明建设理念，能够明显减少水泥消耗，进而减少因生产水泥而带来的粉尘污染和大气污染，具有显著的社会效益。