预制混凝土U型渠槽配合比试验研究

李记明 宋文浚 吕平 武原生

（山西省水利水电科学研究院 山西太原 030002）

0 引言

为进一步加强农田水利标准化建设，全面提升我省农田水利工程建设水平和管护水平，提高灌溉水的利用率，实现水资源的高效利用。山西省水利水电科学研究院承担了山西省水利厅科研课题《预制混凝土U型槽槽配合比试验以及工艺性试验研究》，蒸养混凝土配合比试验研究为该课题的核心内容。该课题试点地区为山西省运城市北赵引黄灌溉区域；蒸养混凝土配合比试验研究所采用的原材料取自北赵引黄灌区。项目要求的预制混凝土U型槽混凝土配合比试验的设计指标为C25、F100、W6。

1 试验方案

结合北赵灌区项目的情况，进行室内预制混凝土配合比试验研究。首先对相关原材料进行检测优选，包括水泥、粉煤灰、粗细骨料、外加剂等。根据北赵灌区工程中试厂建设现阶段情况和预制混凝土U型槽的生产工艺需要，考虑添加混凝土高效减水剂、早强剂等外加剂做多组次配合比的试验优选，进行室内自密实混凝土的配合比设计试验研究。并对预制U型槽生产工艺中混凝土的蒸汽养护时的静养时间、升温速率、恒温温度及时间、降温速率等参数进行室内模拟试验优选。通过模拟试验检测预制混凝土U型槽成型过程中的脱模强度，以及试件的3d、7d、14d、28d抗压强度，对蒸养混凝土试件的抗冻、抗渗性能进行试验。最终优选能满足预制U型槽设计要求、同时经济合理的混凝土配合比参数。

2 原材料的选用

2.1 水泥

预制混凝土U型槽试点地区为北赵灌区，故选用山西铝厂生产的普通硅酸盐水泥P.042.5。水泥物理力学性能试验结果详见表1。各项检测结果表明，符合标准GB175-2007的要求，满足试验研究的使用要求。

表1 水泥物理力学性能

2.2 骨料

2.2.1 细骨料

依据《水工混凝土施工规范》DL/T5144-2001要求，细骨料宜选用细度模数2.2～3.0（天然砂）的中砂。北赵灌区区域细骨料资源匮乏，虽经多方努力仍未找到合适的中砂。对从北赵灌区、河津船涡砂场和龙门砂场等处取的几个砂样分别进行检测试验，砂样颗粒级配属细砂或特细砂。细砂或特细砂应用于水工建筑配合比合适的话也可以获得满意的效果[1]。同时用两种细骨料做试验是由于当地细砂资源不足，当细砂不能满足生产需求时，希望用特细砂替代细砂使用。河津船涡砂场的天然砂砂样经检测各项性能指标包括碱活性都合格，选做试验用的细骨料。细骨料理化性能试验结果详见表2。

表2 细骨料理化性能

2.2.2 粗骨料

粗骨料选用5～10 mm、5～20 mm的人工碎石，经优选检测龙门第十一石料厂碎石的碱活性及其他各项理化性能指标都合格，可以满足试验要求。

2.3 粉煤灰

河津电厂生产的Ⅰ级粉煤灰和Ⅱ级粉煤灰作为试验的原材料。Ⅱ级粉煤灰除细度指标在Ⅱ级粉煤灰范围，其他指标含水率、烧失量、需水量比等都能达到Ⅰ级粉煤灰性能指标要求。

2.4 混凝土外加剂

北赵灌区预制混凝土U型槽混凝土配合比试验研究中的外加剂选用萘系早强高效减水剂。厂家为山西晋华水力磨蚀技术研究部，经检测各项指标符合GB8076—2008要求。

3 试验过程及结果

3.1 混凝土配合比试验参数变化范围

北赵灌区预制钢筋混凝土U型槽的设计要求为C25，F100，W6。初步确定预制钢筋混凝土U型槽的配合比的基本参数和变化范围如下：

⑴水胶比：变化的幅度范围为0.35～0.45；

⑵胶凝材料的用量≥320 kg/m3[2]；

⑶粉煤灰掺量：变化的幅度范围为10%～25%；

⑷砂率：变化的幅度范围为25%～30%；

⑸蒸养温度要求50～80℃，蒸养工艺时间周期要求≤12h

3.2 混凝土配合比的拌和试验

试验中使用的细骨料为细度模数1.8的细砂或细度模数1.1的特细砂,所以参考有关文献资料采用了较低的砂率，以减少单位体积的用水量。粗骨料选用5～20 mm连续级配的碎石，由于细骨料为细砂或特细砂，粗骨料考虑添加少量5～10 mm粒径的碎石以提高混凝土拌和物的和易性。通过试验确定不同粉煤灰掺量时水胶比与抗压强度的关系曲线。拌和物的坍落度选择了较小的20～40 mm,是考虑到成型膜具在震动台成型的条件；同时较小的坍落度对混凝土的强度提高比较有利，限于篇幅有限混凝土配合比参数略。

3.3 混凝土试件蒸养及脱模强度试验

3.3.1 混凝土试件蒸养工艺

为缩短混凝土预制U型槽模具的周转周期,采用蒸汽养护的工艺。为此我们定制了YH—40B型混凝土可调温调湿养护箱，来模拟混凝土预制U型槽生产过程中的蒸汽养护工艺，用于加快混凝土试件的快速脱模。

蒸养过程分预养、升温、恒温、降温四个阶段。蒸养过程中应严格控制升、降温速率及恒温温度,避免内外温差过大或恒温温度过高而导致混凝土开裂和结构变形。

（1）预养阶段：预养时间控制在2～3h左右。预养时间过短对混凝土试件的耐久性不利[3]，预养时间过长又会加长模具的周转期。

（2）升温阶段：控制在2～3h。升温较快会加大混凝土内部的孔隙，影响抗渗性[4]。

（3）恒温阶段：恒温保持上下内外的恒温温度基本一致，避免较大温差，降低局部热冲击对混凝土的损害。恒温温度在试验中选择50～80℃试验；恒温时间根据同期混凝土试件的试压强度确定，试验中恒温时间选择在4～6h进行试验。

（4）降温阶段：均匀降温,保持湿度。试验中选择2～3h. 试验中发现温度79℃恒温6h,脱模强度可以达到28d强度的70%～80%，但是混凝土试件表面可见细小裂纹，试件脱模也比较困难，说明混凝土热膨胀比较明显，不利于预制U型槽的生产。温度降至65℃恒温6h,不添加早强剂时脱模强度明显较低，不能满足脱模的要求；使用早强高效减水剂效果明显，脱模强度可以达到28d强度的70%～80%，且混凝土试件表面也未见裂纹现象，脱模也比较顺利。恒温温度降至55℃恒温6h,混凝土试件脱模强度下降，不能满足工艺要求。通过多次试验，确定静养时间大于等于2h,升温时间大于等于2h,65℃恒温时间大于等于6h,降温时间大于等于2h，可以获得比较满意的蒸养效果。同时需要注意的是，蒸养过程中应对外露的混凝土表面进行覆盖保护，防止混凝土表面过多进入水分出现脱皮现象。混凝土制品脱模后还应该进行加湿或浸水养护，以保证混凝土制品的质量。

3.3.2 混凝土试件脱模强度试验数据

混凝土试件脱模强度试验采用定制的蒸养混凝土试验箱进行。试验采用100 mm×100 mm×100 mm的混凝土试件。混凝土试件在装模成型后静置2～3h,然后用保鲜膜覆盖混凝土试件表面以防止混凝土表面凝结水分造成表层水分过量；将试件送入蒸养箱，开始通过水浴加热升温，升温速率20℃/h,升至55～79℃,恒温4～6h,降温速率20℃/h，降至室温即可开始脱模并测试脱模强度。三个试件为一组，可以多成型几组，脱模后多余的试件可放入标准养护室养护，视成型试件的组数，可以测试3d、7d、14d、28d强度，以分析混凝土强度发展情况；同时同样配合比的混凝土试件成型几组标养试件做为对照组，用来分析研究蒸养混凝土试件与标养混凝土试件的强度的差异；部分蒸养参数和试验数据见表5。

表5 混凝土试件脱模强度试验数据

试验表明掺加Ⅰ级或Ⅱ级粉煤灰对混凝土强度的影响没有明显的区别；粉煤灰的掺量不大于25%的情况下，掺量的变化对强度的影响也不大；蒸养混凝土试件的28d强度明显低于标养28d强度，说明蒸养过程对混凝土的性能造成了一定程度的损害。蒸养温度宜低不宜高，尽量减低高温对混凝土性能的损害。

3.4 混凝土试件耐久性试验数据

抗渗性能试验和抗冻性能试验是在混凝土试件经蒸养脱模后放入标养室满28d龄期之后进行的。混凝土抗渗性能试验是依据《水工混凝土试验规程》SL352-2006采用逐级加压法进行的，试验结果比较满意，检测的混凝土抗渗试件抗渗等级全部达到W6或W6以上，满足设计要求。详细试验数据见表6.

表6 混凝土试件抗渗、抗冻试验数据

由抗冻性能试验结果看，除粉煤灰掺量20%的一组外，其余五组配合比的抗冻等级均达到或超过F100的抗冻要求。同时在试验中还发现掺Ⅰ级粉煤灰试件抗冻性能明显高于掺Ⅱ级粉煤灰试件；较低的粉煤灰掺量有利于提高混凝土的抗冻性。

4 结语

试验研究结果表明，对分别掺加两种等级粉煤灰的混凝土进行比对，二者在抗压强度和抗渗性能方面无明显差异，但在抗冻性能方面二者差异明显，掺Ⅰ级灰混凝土试件抗冻性能明显高于掺Ⅱ级灰试件；较低的粉煤灰掺量有利于提高混凝土的抗冻性能。试验表明，蒸养混凝土的28d强度明显低于标养混凝土的28d强度，也就是说蒸养过程使得混凝土性能受到了损害。我们还使用聚羧酸减水剂做了试验，添加聚羧酸减水剂的混凝土，同样是蒸养混凝土28d强度明显低于标养混凝土28d强度。不足之处是，由于时间有限我们没有对蒸养混凝土的90 d强度进行试验。

通过在实验室内的多次试验验证，针对设计指标为C25、F100、W6的预制混凝土U型槽的推荐混凝土配合比参数见表7。

表7 推荐配合比参数

[1]姚汝方.特细砂水工混凝土配合比试验研究[J].人民长江，2008,39（18）：84-85.

[2]中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ-2011,普通混凝土配合比设计规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[3]沙克,黄艳春.预养时间对蒸养混凝土耐久性的影响[J].低温建筑技术，2011(7)：15-16.

[4]耿键，彭波，孙家瑛.蒸汽养护制度对水泥石孔结构的影响[J].建筑材料学报，2011,14（1）：116-118.