锚具槽填充用微膨胀自密实混凝土试验研究

高曙光，王少江,2，李秀琳,2

(1.北京中水科海利工程技术有限公司，北京 100038; 2.中国水利水电科学研究院 材料研究所，北京 100038)

1 概 述

无黏结预应力技术已广泛应用于我国各类水利水电工程，但在长距离有压输水隧洞中的应用还较少，其结构耐久性仍然是工程设计人员关注的重要问题之一。锚具槽作为锚固端，既是预应力结构的重要组成部分，也是锚头最后的保护层，实现其密实填充是保障预应力锚索长期耐久和正常工作的前提条件。目前，锚具槽常用普通混凝土填充，由于材料固有特性和锚具槽内锚索密集、充填间隙小等原因，国内已有工程出现锚具槽混凝土振捣不密实或开裂脱空，外部介质从开裂脱空部位进入槽内可对锚头和预应力筋造成腐蚀，造成预应力降低，影响结构安全。为解决锚具槽密封性问题，本研究针对某引水工程有压隧洞工程需求，通过开发具有微膨胀特性的自密实混凝土用于锚具槽回填，同时利用混凝土的自流平特性密实填充，利用微膨胀特性改变混凝土硬化过程中的收缩特性，以期大幅度提高锚具槽整体密封性，解决无黏结预应力结构的安全耐久问题。

2 试验原材料

本研究采用抚顺中热水泥，其品质性能检测结果见表1和表2。粉煤灰采用宣威Ⅰ级粉煤灰，其品质性能检测结果见表3和表4。膨胀剂选用天津豹鸣公司和唐山北极熊特种水泥公司的膨胀剂，化学成分检测结果见表5和表6。减水剂和引气剂采用江苏博特新材料公司的JM-PCA高性能减水剂和JM-2000引气剂，检测结果见表7。

表1 抚顺中热水泥的品质检测结果

表2 抚顺中热水泥的化学成分检测结果 /%

表3 宣威粉煤灰的品质检测结果 /%

表4 宣威粉煤灰的化学成分检测结果 /%

表5 膨胀剂的化学成分检测结果 /%

表6 膨胀剂的品质检测结果

表7 减水剂检测结果

砂石骨料采用工程用河砂和灰岩小石，以及人工砂和花岗岩小石，试验前将小石过筛成5～15 mm粒径，河砂和人工砂过5 mm筛。河砂和人工砂细度模数均大于3.0，属于粗砂。砂石骨料的品质检测结果见表8。

表8 砂石骨料的品质检测结果

3 混凝土配合比优选试验

本项目C40混凝土的配制强度为48.2 MPa。为了便于浇筑和填充密实，T500时间控制为8～10 s，坍落扩展度控制为550～650 mm，膨胀率控制为0～0.01%(水中28d)。耐久性按照F100抗冻要求，含气量控制为2.5%～3.5%。

经对17组配合比进行试验，水胶比为0.36～0.44，胶材总量466～583 kg/m3，粉煤灰掺量20%～30%，减水剂掺量0.8%～2.0%，引气剂掺量0.004 0%～0.045 0%，砂率54.0%～57.3%，17组配合比的T500时间、坍落扩展度、拌和物含气量均能满足要求。V漏斗通过时间为23～38 s，容重为2 267～2 311 kg/m3。通过试验可知，粉煤灰掺量达到25%以上时抗压强度降低较大，因此选用25%的粉煤灰掺量，同时选用低于0.52的水胶比即可满足强度要求。据此初选0.40水胶比、25%粉煤灰掺量进行膨胀剂掺量和品种、骨料组合的优选试验，其抗压强度见图1。

图1 膨胀剂用量对抗压强度的影响分析

由抗压强度试验结果可知，膨胀剂用量对混凝土抗压强度影响不大，因此可以根据混凝土限制膨胀率选择膨胀剂的合适掺量，不对抗压强度相对高低进行比较。限制膨胀率试验结果见图2，由图2可知其与膨胀剂用量基本是线性关系。限制膨胀率的不收缩最低用量，对豹鸣膨胀剂为22 kg/m3，对北极熊膨胀剂为15 kg/m3；用量达到30 kg/m3左右时，两种膨胀剂的限制膨胀率接近。

图2 两种膨胀剂的用量与限制膨胀率的关系分析

在此基础上，进一步考察掺膨胀剂后的最佳水胶比和粉煤灰掺量变化情况。采用豹鸣膨胀剂，固定膨胀剂用量为20 kg/m3，结果表明粉煤灰掺量达到25% 以上时抗压强度降低较大，因此选用25%的粉煤灰掺量。这时为保证配制强度48.2 MPa，经对28 d龄期膨胀混凝土抗压强度试验，选用低于0.42水胶比才可满足强度要求，比前述素混凝土的水胶比0.52低了不少。经综合考虑，选用水胶比为0.40比较合适。

4 微膨胀自密实混凝土性能试验

在以上优选试验的基础上，选用北极熊膨胀剂和人工砂、花岗岩小石进行性能试验。试验水胶比0.40，粉煤灰掺量25%，膨胀剂用量30 kg/m3，性能试验结果见图3-图5。限制膨胀率是在一直泡水的条件下进行试验，自生体积变形试件在成型后立即密封，二者均在标准温度下养护。

微膨胀自密实混凝土的限制膨胀率曲线见图3。北极熊膨胀剂在7 d左右完全反应，限制膨胀率达到最大为89×10-6，其后由于水泥的继续水化的化学减缩作用，混凝土限制膨胀率略降低，20 d后基本保持稳定。

图3 微膨胀自密实混凝土的限制膨胀率曲线

微膨胀自密实混凝土自生体积变形曲线见图4。到50 d测长龄期时，混凝土的自生体积变形已基本稳定，最终自变值为正的65×10-6左右，表明与外界无水份交换的情况下混凝土为膨胀型。

图4 自生体积变形曲线

微膨胀自密实混凝土干缩变形曲线见图5。90 d干缩为570×10-6，比一般混凝土大，这和胶凝材料用量较多和掺膨胀剂有关。因此，对掺膨胀剂混凝土一定要加强保湿养护。当然，干缩的试验条件比实际要严酷，标准养护2 d后拆模放入20±2℃、相对湿度60%±5%的环境中进行试验。现场施工时，混凝土不可能浇筑2 d后就开始干燥失水收缩。

图5 干缩曲线

5 结 语

通过室内试验，微膨胀自密实混凝土配合比的最优水胶比为0.40，粉煤灰最大掺量25%，膨胀剂最少用量30 kg/m3。拌和物性能：T500时间8～10 s，坍落扩展度550～650 mm，含气量2.5%～3.5%。应加强微膨胀自密实混凝土的保湿养护，并尽可能延长保湿养护的时间，以利于膨胀剂性能的发挥，提高锚固可靠度。工地现场试验表明，采用上述基础配合比能够配制出具有微膨胀特性的自密实混凝土，膨胀性主要发生在水化初期，实体锚具槽填充效果好，混凝土浇筑方便，硬化后外观质量良好。

致谢

本文得到新疆2019-2021年院士工作站合作研究项目新疆水专项(2020.C-004)的支持。