富春江船闸闸室侧墙混凝土配制及性能研究

涂伟成1 刘 松2´3 胡 勇2，3 陈体永1 王成飞1

（1．中交二航局一公司富春江船闸扩建改造工程项目经理部浙江桐庐311500：

2．中交武汉港湾工程设计研究院有限公司湖北武汉430040;

3长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室湖北武汉430040）

摘 要：针对船闸闸室侧墙内部构造复杂、变截面结构较多、混凝土体积大、钢筋密集等特点，要求混凝土具备良好的施工性能和高抗裂性能。本文采用高效聚羧酸系减水剂，Ⅱ级粉煤灰，S95级矿粉配制适合吊罐浇筑工艺的低塑性低热混凝土，并采取水化热和温度应力机试验评价混凝土的抗裂性能。通过试验优选出的侧墙混凝土配合比现场应用情况良好，经济效益明显。

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关键词 ：船闸；大体积混凝土；粉煤灰；水化热；抗裂性能

前言

富春江船闸扩建改造工程位于钱塘江中下游桐庐县富春江水电站枢纽右岸，距下游杭州市约llOkm。工程拟在原有船闸下游新建一座Ⅳ级标准船闸（兼顾1000吨级船舶的过闸要求）。原有船闸加固后作为上游引航道，新建船闸包括上游引航道、上闸首、闸室、下闸首和下游引航道，混凝土浇筑总方量约42万m3。其中设于主体结构的闸室侧墙为本工程的关键部位之一，对工程的安全、可靠性和耐久性非常重要，本工程闸室侧墙混凝土强度等级设计为C25，要求混凝土具有抗渗等级P6，抗冻Fl00，同时对混凝土温度控制要求严格，要求强约束区混凝土温峰值≤38℃，弱约束区温峰值≤40℃。

本工程闸室设计为分离式结构(35.91m)，其中左侧闸室墙为空箱重力式结构，右侧闸室墙标准段为扶壁式结构。本工程闸室侧墙结构形式复杂，变截面结构居多且长宽比大，较多的异形结构易导致应力集中，增大了混凝土开裂的风险；虽采用大量的空箱和扶壁结构，有利于减小混凝土的浇筑方量，减少水化放热量，但实心层、板式结构混凝土浇筑方量仍然较大，经统计单仓最大浇筑方量约2268m3。

由于闸室侧墙混凝土施工期经历春、夏、秋、冬四个季节，受环境、材料、施工等因素影响较大，对侧墙混凝土的抗裂能力提出了较高要求。

1闸室侧墙混凝土配制要求

为了防止混凝土在施工和使用阶段开裂，同时保障闸室侧墙的密实浇筑，该混凝土的设计重点是：①结合吊罐浇筑工艺，采用低塑性低热混凝土；②增大粗骨料粒径，减小收缩，保证混凝土的体积稳定性；③采用高效聚羧酸外加剂以及优质粉煤灰和矿粉来改善混凝土的工作性能，提高混凝土抗渗性能和抗冻性能。新拌混凝土的坍落度控制在70mm±20mm，胶凝材料控制在260kg/m3—300kg/m3。

2试验原材料及配合比

原材料包括：宁国海螺P.0 42.5水泥；兰溪电厂Ⅱ级粉煤灰；中鼎建材S95矿渣粉；自产5mm—20mm．20mm～40mm两级配碎石（表观密度2750kg/m3）；自产河砂（细度模数2.6，表观密度2630kg/m3）；自产机制砂（细度模数3.2，表观密度2748kg/m3）；聚羧酸系高效减水剂。采用表1中的配合比配制C25闸室侧墙混凝土。

3混凝土性能指标

3.1工作性能

新拌混凝土的工作性能见表l。结果显示：胶材用量对混凝土坍落度影响较大。当胶材较多时，设计的坍落度较易实现，当胶材用量为246kg/m3时，混凝土均质性不好，且水胶比要增大至0.6，坍落度才能满足设计要求；当粉煤灰增加时，由于引进更多的玻璃相，在水胶比接近时，与增加胶材用量相比，同样可以获得较大的坍落度。

3.2力学性能

大量文献研究结果表明，大掺量矿物掺和料混凝土早期强度发展较慢，特别是掺人大量粉煤灰。同时，避免混凝土早期强度增长过快，对于混凝土的抗裂性能是有利的。从表2的强度结果来看，8组混凝土7d抗压强度随着胶材用量的增加而逐渐增长，28d强度均超过设计强度25MPa，但7#和8#配合比的28d强度小于配制强度( 32.4MPa)，不满足规范要求。

从表2中的7d和28d抗压强度比值来看，4#~8#配比混凝土的7d强度增长速率要比1#~3#配比慢，1#~3#配比7d强度已达到28d强度的65%左右，而4#~8#配比的7d强度均在28d强度的60%以下，其中8#配合比的增长速率最低，约为28d强度的55.4%。可能是由于4#~8#配比掺的粉煤灰量(30%)要大于1#~#配合比掺的粉煤灰量(20qo)，同时也说明掺人较多的粉煤灰后，后期强度的增长率反而要大一些。

3.3水化热

混凝土中的热量主要是胶凝材料水化反应产生，本研究分别测试了不同胶材比例的胶凝材料体系的水化热和水化放热速率，结果见表3。图1和图2分别为不同胶材体系的水化放热速率曲线和水化放热曲线。

从图2可以看出，随着水化过程的进行，不同胶材体系的水化热逐渐增大并趋向平稳。相同龄期条件下，随着矿物掺和料掺量的增加，水化热放热量逐渐减小，当矿物掺和料总量一样时，粉煤灰掺量越大，水化热越低，说明粉煤灰比矿粉降低水化热的效果要明显。图1显示：胶凝材料温峰达到时间均在早期，纯水泥约24h，矿物掺和料的掺人推迟了温峰到达的时间，粉煤灰掺量越大，温峰到达的时间越晚。随着粉煤灰掺量的增加，最大放热速率均有不同程度的降低，其中掺30%粉煤灰胶凝材料的最大放热速率约为纯水泥的一半。粉煤灰的掺入，不仅削减了温峰，降低了放热速率，并且推迟了温峰到达的时间，从图1可以看出，粉煤灰掺量越多，温峰到达时间越晚，这对于混凝土的抗裂有着非常大的意义。

3.4抗裂性能

德国Spingenschmid等人开发了温度一应力试验机来研究不同约束条件下水化热引起的约束应力，张国志等人提出采用单轴约束试验方法优化混凝土配合比以达到高抗裂性能，并提出采用开裂温度评价混凝土的抗开裂能力，开裂温度越低，混凝土抗裂能力越强。从水化热试验可以看出，粉煤灰降低水化热的效果要比矿粉好，本试验采用温度一应力试验机模拟温度应力，约束应力和收缩的综合作用，对比研究了1#配合比（粉煤灰掺量20%），6#配合比（粉煤灰掺量30%）的早期温度，应力发展历程，评价不同配比的抗开裂能力。

温度应力试验机由约束变形试验装置、自由变形试验装置、数据自动采集和自控温度系统4部分组成。能够模拟现场的约束和温度条件，测定混凝土的早期约束应力、变形、弹性模量等性能发展规律，对混凝土早期开裂敏感性进行分析评价。不同粉煤灰掺量混凝土温度、应力特征参数见表4。

试验结果显示：在考虑温度应力、约束应力和收缩的综合作用下，6#配合比掺了30%粉煤灰后，混凝土的开裂敏感系数比l#配合比小，为0.44，开裂温度为2.5℃，抗开裂能力要强于1#配合比。

3.5耐久性

参考《水运工程混凝土试验规程》（JTJ 270-98），采用抗渗仪评价混凝土抗渗等级，采用抗冻试验机评价混凝土抗冻标号。闸室侧墙不同配合比的抗渗和抗冻试验结果见表5。从表5试验结果来看，8种配合比的抗渗等级和抗冻等级均能满足设计要求。图3、图4分别为采用混凝土抗渗仪和抗冻试验机进行混凝土的抗渗等级和抗冻标号的试验。从工作性能、力学性能、抗裂性能和耐久性试验结果来看，选定6#配合比作为本工程闸室侧墙混凝土配合比。

4施工情况

富春江船闸改扩建工程闸室侧墙混凝土于2012年底浇筑，从现场施工情况来看，选用6#配合比的工作性能良好，易于振捣，泌水小，现场留样强度和耐久性指标满足设计要求，从现场测温结果来看，混凝土浇筑后，约60h到达温峰，不同施工季节混凝土的内表温差小于温控标准的20C，拆模后侧墙混凝土表面未见温度裂缝。结语

(1)本工程闸室侧墙混凝土总胶材用量为266kg/m3，矿物掺和料总量达55%，混凝土施工性能、力学性能和耐久性能均能满足设计要求；

(2)矿物掺和料特别是粉煤灰的掺人降低了胶凝材料体系的水化热，减缓了水化放热速率，推迟了温峰到达时间，有利于大体积混凝土的温度控制；

(3)温度应力试验机结果显示，当粉煤灰掺量为30%时，混凝土的开裂敏感系数最低，开裂温度最小，本工程闸室侧墙混凝土的胶材比例为水泥：粉煤灰：矿粉=45%：30%：25%。