李記明 宋文浚 呂平 武原生

（山西省水利水電科學(xué)研究院 山西太原 030002）

0 引言

為進(jìn)一步加強(qiáng)農(nóng)田水利標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，全面提升我省農(nóng)田水利工程建設(shè)水平和管護(hù)水平，提高灌溉水的利用率，實(shí)現(xiàn)水資源的高效利用。山西省水利水電科學(xué)研究院承擔(dān)了山西省水利廳科研課題《預(yù)制混凝土U型槽槽配合比試驗(yàn)以及工藝性試驗(yàn)研究》，蒸養(yǎng)混凝土配合比試驗(yàn)研究為該課題的核心內(nèi)容。該課題試點(diǎn)地區(qū)為山西省運(yùn)城市北趙引黃灌溉區(qū)域；蒸養(yǎng)混凝土配合比試驗(yàn)研究所采用的原材料取自北趙引黃灌區(qū)。項(xiàng)目要求的預(yù)制混凝土U型槽混凝土配合比試驗(yàn)的設(shè)計(jì)指標(biāo)為C25、F100、W6。

1 試驗(yàn)方案

結(jié)合北趙灌區(qū)項(xiàng)目的情況，進(jìn)行室內(nèi)預(yù)制混凝土配合比試驗(yàn)研究。首先對(duì)相關(guān)原材料進(jìn)行檢測(cè)優(yōu)選，包括水泥、粉煤灰、粗細(xì)骨料、外加劑等。根據(jù)北趙灌區(qū)工程中試廠建設(shè)現(xiàn)階段情況和預(yù)制混凝土U型槽的生產(chǎn)工藝需要，考慮添加混凝土高效減水劑、早強(qiáng)劑等外加劑做多組次配合比的試驗(yàn)優(yōu)選，進(jìn)行室內(nèi)自密實(shí)混凝土的配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究。并對(duì)預(yù)制U型槽生產(chǎn)工藝中混凝土的蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)的靜養(yǎng)時(shí)間、升溫速率、恒溫溫度及時(shí)間、降溫速率等參數(shù)進(jìn)行室內(nèi)模擬試驗(yàn)優(yōu)選。通過(guò)模擬試驗(yàn)檢測(cè)預(yù)制混凝土U型槽成型過(guò)程中的脫模強(qiáng)度，以及試件的3d、7d、14d、28d抗壓強(qiáng)度，對(duì)蒸養(yǎng)混凝土試件的抗凍、抗?jié)B性能進(jìn)行試驗(yàn)。最終優(yōu)選能滿足預(yù)制U型槽設(shè)計(jì)要求、同時(shí)經(jīng)濟(jì)合理的混凝土配合比參數(shù)。

2 原材料的選用

2.1 水泥

預(yù)制混凝土U型槽試點(diǎn)地區(qū)為北趙灌區(qū)，故選用山西鋁廠生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥P.042.5。水泥物理力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果詳見(jiàn)表1。各項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果表明，符合標(biāo)準(zhǔn)GB175-2007的要求，滿足試驗(yàn)研究的使用要求。

表1 水泥物理力學(xué)性能

2.2 骨料

2.2.1 細(xì)骨料

依據(jù)《水工混凝土施工規(guī)范》DL/T5144-2001要求，細(xì)骨料宜選用細(xì)度模數(shù)2.2～3.0（天然砂）的中砂。北趙灌區(qū)區(qū)域細(xì)骨料資源匱乏，雖經(jīng)多方努力仍未找到合適的中砂。對(duì)從北趙灌區(qū)、河津船渦砂場(chǎng)和龍門(mén)砂場(chǎng)等處取的幾個(gè)砂樣分別進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，砂樣顆粒級(jí)配屬細(xì)砂或特細(xì)砂。細(xì)砂或特細(xì)砂應(yīng)用于水工建筑配合比合適的話也可以獲得滿意的效果[1]。同時(shí)用兩種細(xì)骨料做試驗(yàn)是由于當(dāng)?shù)丶?xì)砂資源不足，當(dāng)細(xì)砂不能滿足生產(chǎn)需求時(shí)，希望用特細(xì)砂替代細(xì)砂使用。河津船渦砂場(chǎng)的天然砂砂樣經(jīng)檢測(cè)各項(xiàng)性能指標(biāo)包括堿活性都合格，選做試驗(yàn)用的細(xì)骨料。細(xì)骨料理化性能試驗(yàn)結(jié)果詳見(jiàn)表2。

表2 細(xì)骨料理化性能

2.2.2 粗骨料

粗骨料選用5～10 mm、5～20 mm的人工碎石，經(jīng)優(yōu)選檢測(cè)龍門(mén)第十一石料廠碎石的堿活性及其他各項(xiàng)理化性能指標(biāo)都合格，可以滿足試驗(yàn)要求。

2.3 粉煤灰

河津電廠生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰和Ⅱ級(jí)粉煤灰作為試驗(yàn)的原材料。Ⅱ級(jí)粉煤灰除細(xì)度指標(biāo)在Ⅱ級(jí)粉煤灰范圍，其他指標(biāo)含水率、燒失量、需水量比等都能達(dá)到Ⅰ級(jí)粉煤灰性能指標(biāo)要求。

2.4 混凝土外加劑

北趙灌區(qū)預(yù)制混凝土U型槽混凝土配合比試驗(yàn)研究中的外加劑選用萘系早強(qiáng)高效減水劑。廠家為山西晉華水力磨蝕技術(shù)研究部，經(jīng)檢測(cè)各項(xiàng)指標(biāo)符合GB8076—2008要求。

3 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

3.1 混凝土配合比試驗(yàn)參數(shù)變化范圍

北趙灌區(qū)預(yù)制鋼筋混凝土U型槽的設(shè)計(jì)要求為C25，F(xiàn)100，W6。初步確定預(yù)制鋼筋混凝土U型槽的配合比的基本參數(shù)和變化范圍如下：

⑴水膠比：變化的幅度范圍為0.35～0.45；

⑵膠凝材料的用量≥320 kg/m3[2]；

⑶粉煤灰摻量：變化的幅度范圍為10%～25%；

⑷砂率：變化的幅度范圍為25%～30%；

⑸蒸養(yǎng)溫度要求50～80℃，蒸養(yǎng)工藝時(shí)間周期要求≤12h

3.2 混凝土配合比的拌和試驗(yàn)

試驗(yàn)中使用的細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)1.8的細(xì)砂或細(xì)度模數(shù)1.1的特細(xì)砂,所以參考有關(guān)文獻(xiàn)資料采用了較低的砂率，以減少單位體積的用水量。粗骨料選用5～20 mm連續(xù)級(jí)配的碎石，由于細(xì)骨料為細(xì)砂或特細(xì)砂，粗骨料考慮添加少量5～10 mm粒徑的碎石以提高混凝土拌和物的和易性。通過(guò)試驗(yàn)確定不同粉煤灰摻量時(shí)水膠比與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線。拌和物的坍落度選擇了較小的20～40 mm,是考慮到成型膜具在震動(dòng)臺(tái)成型的條件；同時(shí)較小的坍落度對(duì)混凝土的強(qiáng)度提高比較有利，限于篇幅有限混凝土配合比參數(shù)略。

3.3 混凝土試件蒸養(yǎng)及脫模強(qiáng)度試驗(yàn)

3.3.1 混凝土試件蒸養(yǎng)工藝

為縮短混凝土預(yù)制U型槽模具的周轉(zhuǎn)周期,采用蒸汽養(yǎng)護(hù)的工藝。為此我們定制了YH—40B型混凝土可調(diào)溫調(diào)濕養(yǎng)護(hù)箱，來(lái)模擬混凝土預(yù)制U型槽生產(chǎn)過(guò)程中的蒸汽養(yǎng)護(hù)工藝，用于加快混凝土試件的快速脫模。

蒸養(yǎng)過(guò)程分預(yù)養(yǎng)、升溫、恒溫、降溫四個(gè)階段。蒸養(yǎng)過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制升、降溫速率及恒溫溫度,避免內(nèi)外溫差過(guò)大或恒溫溫度過(guò)高而導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂和結(jié)構(gòu)變形。

（1）預(yù)養(yǎng)階段：預(yù)養(yǎng)時(shí)間控制在2～3h左右。預(yù)養(yǎng)時(shí)間過(guò)短對(duì)混凝土試件的耐久性不利[3]，預(yù)養(yǎng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)又會(huì)加長(zhǎng)模具的周轉(zhuǎn)期。

（2）升溫階段：控制在2～3h。升溫較快會(huì)加大混凝土內(nèi)部的孔隙，影響抗?jié)B性[4]。

（3）恒溫階段：恒溫保持上下內(nèi)外的恒溫溫度基本一致，避免較大溫差，降低局部熱沖擊對(duì)混凝土的損害。恒溫溫度在試驗(yàn)中選擇50～80℃試驗(yàn)；恒溫時(shí)間根據(jù)同期混凝土試件的試壓強(qiáng)度確定，試驗(yàn)中恒溫時(shí)間選擇在4～6h進(jìn)行試驗(yàn)。

（4）降溫階段：均勻降溫,保持濕度。試驗(yàn)中選擇2～3h. 試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)溫度79℃恒溫6h,脫模強(qiáng)度可以達(dá)到28d強(qiáng)度的70%～80%，但是混凝土試件表面可見(jiàn)細(xì)小裂紋，試件脫模也比較困難，說(shuō)明混凝土熱膨脹比較明顯，不利于預(yù)制U型槽的生產(chǎn)。溫度降至65℃恒溫6h,不添加早強(qiáng)劑時(shí)脫模強(qiáng)度明顯較低，不能滿足脫模的要求；使用早強(qiáng)高效減水劑效果明顯，脫模強(qiáng)度可以達(dá)到28d強(qiáng)度的70%～80%，且混凝土試件表面也未見(jiàn)裂紋現(xiàn)象，脫模也比較順利。恒溫溫度降至55℃恒溫6h,混凝土試件脫模強(qiáng)度下降，不能滿足工藝要求。通過(guò)多次試驗(yàn)，確定靜養(yǎng)時(shí)間大于等于2h,升溫時(shí)間大于等于2h,65℃恒溫時(shí)間大于等于6h,降溫時(shí)間大于等于2h，可以獲得比較滿意的蒸養(yǎng)效果。同時(shí)需要注意的是，蒸養(yǎng)過(guò)程中應(yīng)對(duì)外露的混凝土表面進(jìn)行覆蓋保護(hù)，防止混凝土表面過(guò)多進(jìn)入水分出現(xiàn)脫皮現(xiàn)象。混凝土制品脫模后還應(yīng)該進(jìn)行加濕或浸水養(yǎng)護(hù)，以保證混凝土制品的質(zhì)量。

3.3.2 混凝土試件脫模強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

混凝土試件脫模強(qiáng)度試驗(yàn)采用定制的蒸養(yǎng)混凝土試驗(yàn)箱進(jìn)行。試驗(yàn)采用100 mm×100 mm×100 mm的混凝土試件?；炷猎嚰谘b模成型后靜置2～3h,然后用保鮮膜覆蓋混凝土試件表面以防止混凝土表面凝結(jié)水分造成表層水分過(guò)量；將試件送入蒸養(yǎng)箱，開(kāi)始通過(guò)水浴加熱升溫，升溫速率20℃/h,升至55～79℃,恒溫4～6h,降溫速率20℃/h，降至室溫即可開(kāi)始脫模并測(cè)試脫模強(qiáng)度。三個(gè)試件為一組，可以多成型幾組，脫模后多余的試件可放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，視成型試件的組數(shù)，可以測(cè)試3d、7d、14d、28d強(qiáng)度，以分析混凝土強(qiáng)度發(fā)展情況；同時(shí)同樣配合比的混凝土試件成型幾組標(biāo)養(yǎng)試件做為對(duì)照組，用來(lái)分析研究蒸養(yǎng)混凝土試件與標(biāo)養(yǎng)混凝土試件的強(qiáng)度的差異；部分蒸養(yǎng)參數(shù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5 混凝土試件脫模強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)表明摻加Ⅰ級(jí)或Ⅱ級(jí)粉煤灰對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響沒(méi)有明顯的區(qū)別；粉煤灰的摻量不大于25%的情況下，摻量的變化對(duì)強(qiáng)度的影響也不大；蒸養(yǎng)混凝土試件的28d強(qiáng)度明顯低于標(biāo)養(yǎng)28d強(qiáng)度，說(shuō)明蒸養(yǎng)過(guò)程對(duì)混凝土的性能造成了一定程度的損害。蒸養(yǎng)溫度宜低不宜高，盡量減低高溫對(duì)混凝土性能的損害。

3.4 混凝土試件耐久性試驗(yàn)數(shù)據(jù)

抗?jié)B性能試驗(yàn)和抗凍性能試驗(yàn)是在混凝土試件經(jīng)蒸養(yǎng)脫模后放入標(biāo)養(yǎng)室滿28d齡期之后進(jìn)行的?；炷量?jié)B性能試驗(yàn)是依據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》SL352-2006采用逐級(jí)加壓法進(jìn)行的，試驗(yàn)結(jié)果比較滿意，檢測(cè)的混凝土抗?jié)B試件抗?jié)B等級(jí)全部達(dá)到W6或W6以上，滿足設(shè)計(jì)要求。詳細(xì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表6.

表6 混凝土試件抗?jié)B、抗凍試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由抗凍性能試驗(yàn)結(jié)果看，除粉煤灰摻量20%的一組外，其余五組配合比的抗凍等級(jí)均達(dá)到或超過(guò)F100的抗凍要求。同時(shí)在試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)摻Ⅰ級(jí)粉煤灰試件抗凍性能明顯高于摻Ⅱ級(jí)粉煤灰試件；較低的粉煤灰摻量有利于提高混凝土的抗凍性。

4 結(jié)語(yǔ)

試驗(yàn)研究結(jié)果表明，對(duì)分別摻加兩種等級(jí)粉煤灰的混凝土進(jìn)行比對(duì)，二者在抗壓強(qiáng)度和抗?jié)B性能方面無(wú)明顯差異，但在抗凍性能方面二者差異明顯，摻Ⅰ級(jí)灰混凝土試件抗凍性能明顯高于摻Ⅱ級(jí)灰試件；較低的粉煤灰摻量有利于提高混凝土的抗凍性能。試驗(yàn)表明，蒸養(yǎng)混凝土的28d強(qiáng)度明顯低于標(biāo)養(yǎng)混凝土的28d強(qiáng)度，也就是說(shuō)蒸養(yǎng)過(guò)程使得混凝土性能受到了損害。我們還使用聚羧酸減水劑做了試驗(yàn)，添加聚羧酸減水劑的混凝土，同樣是蒸養(yǎng)混凝土28d強(qiáng)度明顯低于標(biāo)養(yǎng)混凝土28d強(qiáng)度。不足之處是，由于時(shí)間有限我們沒(méi)有對(duì)蒸養(yǎng)混凝土的90 d強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)。

通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的多次試驗(yàn)驗(yàn)證，針對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)為C25、F100、W6的預(yù)制混凝土U型槽的推薦混凝土配合比參數(shù)見(jiàn)表7。

表7 推薦配合比參數(shù)

[1]姚汝方.特細(xì)砂水工混凝土配合比試驗(yàn)研究[J].人民長(zhǎng)江，2008,39（18）：84-85.

[2]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ-2011,普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

[3]沙克,黃艷春.預(yù)養(yǎng)時(shí)間對(duì)蒸養(yǎng)混凝土耐久性的影響[J].低溫建筑技術(shù)，2011(7)：15-16.

[4]耿鍵，彭波，孫家瑛.蒸汽養(yǎng)護(hù)制度對(duì)水泥石孔結(jié)構(gòu)的影響[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2011,14（1）：116-118.