水利工程加固中微膨胀混凝土的配比应用

郑冬保

水利工程加固中微膨胀混凝土的配比应用

郑冬保

一、概述

某大型水库连拱坝裂缝严重，除险加固工程设计采用在垛墙底部回填微膨胀混凝土等措施进行处理，用以加强垛墙的整体性和刚度，提高承载能力和结构安全度，利用其后期膨胀变形来补偿混凝土的干缩和温降收缩变形，以保证新老混凝土之间的结合，防止混凝土产生裂缝，因此进行该工程微膨胀混凝土性能的各项试验研究便成为了首要工作。以下主要对微膨胀混凝土配合比的选择过程、各项物理性能试验研究和实际应用效果进行阐述。

二、微膨胀混凝土性能设计要求

（1）混凝土的强度等级和骨料级配：C30和C15泵送混凝土，二级配。

（2）在气温5℃～30℃时，混凝土拌合物搅拌后30min泵送混凝土坍落度为11～12cm。

（3）混凝土28d的自身体积变形达到80×（10-6），混凝土90d的自身体积变形达到150×（10-6）。

三、微膨胀混凝土试验内容

（1）对拟采用的水泥、粉煤灰、骨料等原材料进行检验，并按有关标准进行评价。

（2）根据微膨胀混凝土性能设计要求，确定微膨胀混凝土的推荐配合比。

（3）按设计要求，进行推荐配合比（二级配C30、C15）的混凝土拌合物性能、物理力学性能、干缩变形率、限制膨胀率、自身体积变形和线膨胀系数等试验，提供满足设计和施工要求的配合比。

四、原材料

（1）砂：Ⅱ区中砂，细度模数2.7，级配良好，含泥量、泥块含量及所检其他性能均符合规范要求。

（2）石子：二级配碎石，级配良好，含泥量、泥块含量及所检其他性能均符合规范要求。

（3）水泥：普硅32.5级和42.5级水泥，C30微膨胀混凝土选用42.5级水泥，C15微膨胀混凝土选用32.5级水泥。水泥的密度、细度、强度、安定性、凝结时间、标准稠度用水量均符合规范要求。

（4）粉煤灰：I级粉煤灰，密度、细度、需水量比、烧失量、含水率，三氧化硫、氧化镁、氧化钾和氧化钠含量均符合规范要求。

（5）外加剂：采用了UEA-Ⅲ低碱高效混凝土膨胀剂，氧化镁含量、总碱量、强度和限制膨胀率均符合标准《混凝土膨胀剂》要求。

五、微膨胀混凝土的配合比设计

1.微膨胀混凝土配制强度的确定

如果所配制混凝土的强度值与混凝土的设计要求强度相等，则其强度保证率只有50%，为使混凝土具有较高的强度保证率，在进行配合比设计时，必须使混凝土的配制强度高于设计要求的强度。依据《水工混凝土施工规范》，预期配制强度参数为：C30混凝土概率度系数t为1.65，强度标准差σ为4.5MPa，强度保证率P为95%，配制强度为37.4MPa。C15混凝土概率度系数t为1.65，强度标准差σ为3.5MPa，强度保证率P为95%，配制强度为20.8MPa。

2.微膨胀混凝土配合比设计试拌成果

根据上述配合比设计原则，在泵送微膨胀混凝土试验成型之前，进行了以水胶比，单位用水量等为因素水平的试验，其部分试拌成果见表1。

表1 微膨胀混凝土试拌配合比表

试拌表明：泵送微膨胀混凝土同普通混凝土一样，其抗压强度仍遵循“水灰比定则”，即混凝土的抗压强度由水胶比的大小决定。从表1可看出，混凝土的28d抗压强度与水胶比的倒数—胶水比成正比。

3.微膨胀混凝土推荐配合比

根据此次试拌情况，考虑混凝土的耐久性等要求，结合其他工程经验，按《水工混凝土外加剂技术规范》（DL/T5100-1999）、《混凝土外加剂应用技术规范（50119-2003）、《水工混凝土施工规范》（DL/T5144-2001）、《水工混凝土试验规程》（SD105-82）等现行国家行业标准规定，确定推荐配合比见表2。

表2 微膨胀混凝土推荐配合比表

六、微膨胀混凝土试验成果

根据所选定的推荐配合比，进行了微膨胀混凝土拌合物性能、不同龄期抗压强度、轴心抗拉强度、抗拉弹模、极限拉伸值、线膨胀系数、干缩变形率、限制膨胀率和自身体积变形试验。整个试验研究过程按照《水工混凝土试验规程》进行。

1.微膨胀混凝土拌合物性能

混凝土拌合物性能试验结果见表3。

表3 微膨胀混凝土拌合物性能一览表

从表3分析可知：两个推荐配合比混凝土拌合物拌合后30min的坍落度H30分别为12.0cm、11.5cm，满足设计11～12cm的要求。混凝土拌合物容重大于2400kg/m3，每立方米混凝土胶凝材料总量分别为336.0kg、347.2kg，均满足有关规范要求。

2.微膨胀混凝土的物理力学性能

两个推荐配合比不同龄期的微膨胀混凝土抗压强度、抗拉强度、抗拉弹模、极限拉伸值列于表4。

（1）微膨胀混凝土的抗压强度、抗拉强度均随龄期的增长而增加。这主要是因为混凝土中掺粉煤灰后，粉煤灰中的有效成份SiO2、Al2O3与水泥水化产物Ca（OH）2发生作用，生成碱度较低的二次水化物—水化硅酸钙胶体和水化铝酸钙晶体，从而起到增强作用。但这种二次水化作用的效果非常缓慢，需要较长的时间。混凝土的前期强度主要靠水泥水化产物的凝结硬化。随着龄期的增长，一方面混凝土内的水泥继续凝结硬化，另一方面是所掺入粉煤灰的二次水化反应逐渐加强，水化产物不断生成，使水泥石更密实坚硬，从而大幅度提高混凝土的后期强度。一般粉煤灰的质量越好、掺量越大，这种现象就越明显。

表4 推荐配合比微膨胀混凝土物理力学性能表

（2）微膨胀混凝土的抗拉弹性模量受骨料的种类及弹性模量、水泥石的结晶程度及混凝土的灰骨比，强度等因素影响。它随着混凝土的强度、龄期的增长而增加。

（3）混凝土的极限拉伸值越大，其抗裂性愈强，它的大小主要受胶凝材料用量、混凝土的抗拉强度、骨料的种类及混凝土养护龄期等因素影响。

3.微膨胀混凝土的干缩变形、限制膨胀率、自身体积变形和线膨胀系数

（1）微膨胀混凝土的干缩变形

混凝土单位用水量的多少，是影响其干缩率的重要因素。当混凝土中的水泥用量不变时，混凝土的干缩率随水灰比的增大而增加。水泥颗粒愈细，干缩也愈大。在一定范围内，UEA-Ⅲ低碱高效混凝土膨胀剂用量越高，对混凝土收缩的补偿作用越明显，干缩就越小。编号PZ5试件比PZ8同龄期干缩率大，主要是因为PZ5比PZ8的水泥颗粒细，水灰比大，每立方米混凝土中PZ5比PZ8的单位用水量大。两个推荐配合比混凝土的干缩变形试验结果如表5所示。

表5 推荐配合比微膨胀混凝土的干缩率表

（2）微膨胀混凝土的限制膨胀率

为了补偿混凝土的收缩，改善混凝土的性能，在混凝土拌合时添加了UEA-Ⅲ低碱高效混凝土膨胀剂，能利用其后期膨胀变形使混凝土在水化过程中产生一定的体积膨胀。在有约束条件下，由于膨胀剂的作用，混凝土能产生一定的自应力。两个推荐配合比混凝土的限制膨胀率试验结果列于表6。

表6 推荐配合比微膨胀混凝土的限制膨胀率表

（3）微膨胀混凝土的线膨胀系数

线膨胀系数是表示混凝土温度每变化1℃，沿其长度方向尺寸的相对变化量。由于水泥石的线膨胀系数在11～20 （10-6/℃）之间，骨料的线膨胀系数在5～13（10-6/℃），因此微膨胀混凝土的线膨胀系数处于两者之间，它的大小与灰骨比和骨料的性质有关。实测编号PZ5、PZ8试件28d线膨胀系数分别为8.44（10-6/℃）、8.59（10-6/℃）。

（4）微膨胀混凝土的自身体积变形

测定微膨胀混凝土在恒温绝湿条件下，仅仅由胶凝材料自身水化作用所引起的体积变化，即自身体积变形（不包括混凝土受外荷、温度、湿度等影响所引起的体积变形）。混凝土的自身体积变形受水泥及胶凝材料的性质、化学成份影响。实测编号PZ5试件28d自身体积变形为243.98（10-6），PZ8试件28d自身体积变形为172.02（10-6）。两个推荐配合比的微膨胀混凝土28d的线膨胀系数及自身体积变形试验结果列于表7。

表7 微膨胀混凝土的线膨胀系数和自身体积变形试验结果表

七、结语

所推荐的两个配合比微膨胀混凝土的拌和物性能、28d抗压强度、28d和90d自身体积变形均满足设计要求。实践证明，通过周密细致的试验研究，可以选择配制出性能优良，既经济又满足设计和施工要求的微膨胀混凝土。通过几个大型水库加固的实际考验，微膨胀混凝土在保证新老混凝土结合，防止混凝土裂缝产生方面起到了很好的效果。在实际施工时要严格按有关规范要求准确计量各种材料，并根据骨料实际含水情况换算成施工配合比，混凝土的搅拌、运输、浇筑和养护要严格按水工混凝土施工等相关规范进行

（作者单位：安徽省·水利部淮委水利科学研究院 233000）

（专栏编辑：顾 梅）