某水利枢纽工程中高性能混凝土应用实践研究

李建敏

(广东省惠州市大程工程质量检测中心有限公司，广东 惠州 506001)

0 引 言

高性能混凝土广泛应用于高层建筑、海底隧道、大跨度桥梁以及水利枢纽等项目中，性能优异，后期耐久性强。但在水利工程项目应用过程中，由于结构特殊性以及应用环境要求的严格性，施工过程中容易出现混凝土和易性差导致的堵管、蜂窝以及温升导致的裂缝等质量问题，大部分问题与混凝土本身材料选取以及配合比设计相关，也离不开施工工艺的影响，劣质矿物掺合料无法形成良好的水化反应，达不到降温的目的，容易形成温度应力，导致开裂。

高性能混凝土在施工过程中要求混凝土具有良好的和易性能，即具备良好的流动性、黏聚性、保水性，针对异性、复杂、密集钢筋结构，保持良好的通过率，不形成石头堆积[1]。优化混凝土原材料配合比，探索矿物掺合料取代率，针对工程施工过程中存在的和易性差导致的堵管、温度应力导致的裂缝等问题，通过测试扩展度、倒筒时间以及水化温升等关键指标，开展高性能混凝土性能研究。

1 工程概况

某水利枢纽工程主要结构为导流堤、挡潮泄洪闸以及左右岸连接坝等，结构中挡潮泄洪闸的总净宽度为630m，共设置30孔，闸孔净宽度为21m。按工程尺寸算，该工程混凝土为大体积混凝土，要求混凝土具有良好的和易性和耐久性能。但项目在浇筑过程中，由于结构钢筋密集复杂，混凝土和易性差，不能全部通过钢筋，出现石头堆积的情况，导致拆模后实体表面出现蜂窝问题，严重影响结构的安全性。

2 试验原材料

试验水泥为P·O42.5级水泥，测试标准稠度需水量28.0%，3d抗压强度28.6MPa，28d抗压强度52.8MPa；试验微珠，细度5.4%，烧失量1.6%，需水量比91%；试验矿粉比表面积418m2/kg，7d活性指数85%，28d活性指数101%；试验硅灰需水量比125%，7d活性指数达110%；试验中粗河砂，细度模数2.5-2.7，含泥量1.9%，碎石5-16mm连续级配，含泥量0.6%；外加剂为聚羧酸高效外加剂，固含量19.4%，减水率22%；水为饮用水。

3 高性能混凝土配合比设计

高性能混凝土要求混凝土具有良好的流动性及自密实性能，间隙不出现堆积等问题，混凝土不分层、不离析、不泌水，通过优化混凝土原材料配合比，优化矿物掺合料替代率，改善混凝土流动性、黏聚性、保水性，施工性能优良。粉料总用量为540kg/m3，微珠取代范围0%-40%，硅灰取代率4.6%，矿粉取代范围0-30%，通过调整聚羧酸减水剂不同组分的搭配比例，达到调整混凝土和易性的目的，具体配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比 kg/m3

4 实验结果分析

4.1 高性能混凝土和易性影响因素研究

针对项目出现的和易性差导致的堵管、温度应力导致的裂缝质量问题，研究矿物掺合料中微珠、硅灰、矿渣取代率对于混凝土流动度、倒筒时间等和易性关键指标的影响，具体测试结果见表2。不同因素对大流态混凝土流动度的影响，见图1。

表2 混凝土性能测试

图1 不同因素对大流态混凝土流动度的影响

研究结果表明，随着矿渣掺量的增加，混凝土扩展度并未有显著改善，表明矿渣掺入并未对和易性有贡献。硅灰的加入可以显著改善混凝土的黏聚性，降低黏度；随着微珠掺量的增加，混凝土扩展度呈现先增加后基本不变的趋势，表明微珠超过最佳值，滚珠效应改善不明显；当微珠掺量为20%时，当硅灰掺量为4.6%时，混凝土整体黏度下降明显，倒筒时间明显降低，倒筒时间为3.3s，施工性能良好。

4.2 高性能混凝土抗压强度影响因素研究

研究微珠、矿粉等矿物掺合料不同取代率对于混凝土不同龄期抗压强度的影响，具体测试结果见表3，混凝土不同龄期抗压强度，见图2。

表3 混凝土抗压强度

图2 混凝土不同龄期抗压强度

研究结果表明，矿物掺合料对于改善混凝土强度的具有显著作用，性价比较高。硅灰作为活性高的矿物掺合料，主要贡献早期强度，矿渣和微珠主要贡献中期强度和后期强度，由于硅灰、微珠、矿粉的水化速率不同，因此体系可以匀速进行水化反应。随着矿渣掺量增加，混凝土中期强度呈现先增加后基本不变的趋势；当掺量超过20%时，中龄期强度增长幅度基本保持不变；随着微珠掺量的不断增加，混凝土60d抗压强度呈现先增加后不变的趋势，当掺量超过20%时，长龄期强度增长幅度基本保持不变。

4.3 高性能混凝土水化放热研究

开展实体模拟实验，对混凝土内部水化温升变化规律进行同步模拟，通过掺入矿物掺合料，延缓水化放热速率，避免由于局部温升过高导致的温度裂缝出现。确定体系水化放热速率与水化放热量[2]。

随着矿渣掺量不断增加，整体水化放热速率保持逐渐降低的态势。当掺量达到30%时，放热峰也随之降低，但降低幅度不在明显。从结果发现，整个体系诱导期放热速率并未出现显著变化。从加速期开始，随着矿渣取代率逐渐升高，矿渣与水泥水化产物发生二次水化反应的时间明显延缓，体系水化放热匀速进行，水化放热量不会出现短期聚集，规避混凝土内部温升形成温度应力，避免温度应力导致的裂缝出现，混凝土拆模效果良好，基本无龟裂。不同矿渣掺量水化放热测试结果，见图3。

图3 不同矿渣掺量水化放热测试结果

5 结 论

1)混凝土和易性改善方面，微珠和硅灰发挥了显著效果，随着微珠掺量的增加，混凝土流动度呈现先增加后基本不变的趋势，黏度呈现先下降后基本不变的趋势。由于微珠的滚珠效应达到极限，掺量高并不能显著改善和易性，同时，由于微珠有效成分和水泥水化产物发生二次反应，因此微珠可贡献长龄期60d及以上抗压强度，当微珠掺量20%、硅灰掺量4.6%时，可以确定混凝土最佳流动性、黏聚性、保水性[3-5]。

2)由于矿渣需要碱性环境下激发发生二次反应，因此矿渣的掺入可以贡献混凝土长龄期抗压强度。当矿渣掺量达到20%时，混凝土28d抗压强度达到最优值。

3)开展水化热模拟实验，测定微珠、硅灰、矿渣搭配比例对于水化放热速率的影响，主要降低水化放热速率，降低体系最大水化放热量，水化过程平稳匀速进行，避免急剧反应导致的温升过快，降低温度应力的不利影响。通过优化原材料比例，最终选择微珠掺量20%、硅灰掺量4.6%、矿渣掺量20%。