薛亞民，王 毅

(淮安市淮河水利建設(shè)工程有限公司，江蘇 淮安 223400)

1 前言

淮安市黃河故道干河下段(二河至漣水石湖段)治理工程四標(biāo)段位于漣水縣境內(nèi)，西起保灘鎮(zhèn)十堡村，東至石湖鎮(zhèn)瓦房村，途經(jīng)保灘、漣城、徐集、南集、黃營、唐集、石湖7個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，全長約78 km。本工程模袋混凝土施工段比較分散，戰(zhàn)線較長，施工點(diǎn)12處共計(jì)16.41 km，坡長10.12 m～30.5 m不等，而且施工期間11月～次年2月工程區(qū)進(jìn)入季凍期，對于模袋混凝土施工及材料性能的正常發(fā)揮存在十分不利的影響，為此必須通過抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、凍融循環(huán)試驗(yàn)及干濕循環(huán)試驗(yàn)等進(jìn)行模袋混凝土材料耐久性提升的分析研究。

2 材料和試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)材料

本次模袋混凝土耐久性試驗(yàn)使用的是42.5 MPa早強(qiáng)硅酸鹽水泥，該標(biāo)號水泥細(xì)度1.8%，初凝和終凝時(shí)間分別為180 min和292 min，安定性合格，標(biāo)準(zhǔn)粘稠度27.1%，燒失量1.03%，3 d和28 d抗壓強(qiáng)度分別為27.2 MPa和53.1 MPa，3 d和28 d抗折強(qiáng)度為5.4 MPa和8.9 MPa。試驗(yàn)用粗細(xì)骨料均取自距工程區(qū)4 km的漣水縣楚雄料場，粗骨料堆積密度、緊密密度分別為1534 kg/m3和1605 kg/m3，孔隙率為44%，含泥量0.74%；細(xì)骨料堆積密度、緊密密度為1601 kg/m3和1695 kg/m3，含水量和含泥量分別為0.57%和2.64%。粉煤灰取自漣水縣電廠，其化學(xué)成分主要為SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO，分別占48.74%、20.83%、1.31%和29.12%。大理石粉取自漣水縣權(quán)鎮(zhèn)石材廠，化學(xué)成分主要為SiO2、CaO、MgO、CaCo3，分別占比47.95%、7.58%、4.78%、39.631%，其余為雜質(zhì)。硅粉取自權(quán)鎮(zhèn)玉石加工廠，SiO2和燒失量含量分別為95.34%、0.81%。

2.2 試驗(yàn)方案

本文主要針對漣水縣境內(nèi)的淮安市黃河故道干河下段(二河至漣水石湖段)治理工程四標(biāo)段現(xiàn)役模袋混凝土襯砌工程的配合比優(yōu)化進(jìn)行研究，試驗(yàn)材料直接從工程區(qū)選取，按照J(rèn)GJ 55-2011的相關(guān)規(guī)定將模袋混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度定為C25等級，在試驗(yàn)組材料中分別摻加粉煤灰、硅粉以及粉煤灰、大理石粉進(jìn)行對比，其中摻加粉煤灰、硅粉的試驗(yàn)組粉煤灰摻量為10%和20%，硅粉摻量4%、8%和12%；摻加粉煤灰、大理石粉的試驗(yàn)組粉煤灰摻量10%和15%，大理石粉摻量5%、10%、15%[1]。考慮到工程實(shí)際情況，本文僅選取力學(xué)性能較好配合比的試驗(yàn)組進(jìn)行模袋混凝土材料力學(xué)性能試驗(yàn)和耐久性試驗(yàn)。

淮安市黃河故道干河下段(二河至漣水石湖段)治理工程四標(biāo)段現(xiàn)役模袋混凝土配合比設(shè)計(jì)見表1，表中JZ表示基準(zhǔn)組，F(xiàn)為粉煤灰摻量，分別為10%、15%和20%，S為硅粉摻量，分別為4%、8%和12%。D為大理石粉摻量，分別為5%、10%、15%。

表1 工程項(xiàng)目模袋混凝土配合比設(shè)計(jì)

配合比是影響模袋混凝土性能及耐久性的主要因素，考慮到本工程模袋混凝土施工的實(shí)際要求，摻加粉煤灰和大理石粉基準(zhǔn)組的配合比按水泥∶沙∶石∶水∶外加劑=1∶2.22∶2.06∶0.5∶0.03；摻加粉煤灰、硅粉的基準(zhǔn)組配合比則按水泥∶沙∶石∶水∶外加劑=1∶2.41∶2.05∶0.5∶0.04。

2.3 試驗(yàn)方法

2.3.1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

依據(jù)GB/T 50081-2002進(jìn)行本工程模袋混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，按照100 mm×100 mm×100 mm的規(guī)格制作試件，3 d后脫模并自然養(yǎng)護(hù)，進(jìn)行試件在3 d、7 d和28 d齡期抗壓強(qiáng)度檢測，每個(gè)齡期每組配合比下檢測3塊試件[2]?？箟簭?qiáng)度試驗(yàn)過程中以0.45 MPa/s的速度勻速加載，待試件開始出現(xiàn)變形破壞時(shí)加載過程停止，并進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄。根據(jù)規(guī)范所規(guī)定的公式進(jìn)行模袋混凝土試塊抗壓強(qiáng)度計(jì)算：

式中：fcu為模袋混凝土試塊抗壓強(qiáng)度，MPa；P為試件開始出現(xiàn)變形破壞時(shí)的荷載，N；A為模袋混凝土試塊承壓面積，mm2。

2.3.2 干濕循環(huán)試驗(yàn)

當(dāng)前國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范中并未進(jìn)行模袋混凝土干濕循環(huán)試驗(yàn)方法的規(guī)定，結(jié)合當(dāng)前現(xiàn)有成果并充分考慮淮安市黃河故道干河下段(二河至漣水石湖段)治理工程四標(biāo)段施工環(huán)境條件，在摻加大理石粉、粉煤灰以及摻加硅粉、粉煤灰試驗(yàn)組中分別選取力學(xué)性能最好的兩組，并以各自的基準(zhǔn)組為參照組，按100 mm×100 mm×100 mm規(guī)格制作試件，養(yǎng)護(hù)27 d后放入清水浸泡24 h，再將試件置入55℃±3℃烘箱中烘干11 h，取出后冷卻1 h，再放入清水內(nèi)浸泡12 h，以一次干濕循環(huán)為24 h進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)。并通過公式計(jì)算干濕循環(huán)次數(shù)分別為15次、30次、45次、60次、75次、90次、105次、120次的模袋混凝土試塊質(zhì)量損失率ΔWn參數(shù)取值，公式如下：

式中：G0、Gn為模袋混凝土試塊干濕循環(huán)前、后質(zhì)量。

2.3.3 凍融循環(huán)試驗(yàn)

按照GB/T 50082-2009和DL-T 5150-2001的規(guī)定，本工程采用快凍法進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)。先按100 mm×100 mm×100 mm規(guī)格制作試件并養(yǎng)護(hù)24 d，再將其浸泡在清水中，并使水面高出試件頂端25 mm～35 mm，浸泡4 d后在摻加大理石粉、粉煤灰以及摻加硅粉、粉煤灰試驗(yàn)組中分別選取力學(xué)性能最好的兩組試件置入凍融循環(huán)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行凍融試驗(yàn)。評價(jià)指標(biāo)選取質(zhì)量損失率、動彈性模量變動率，凍融循環(huán)次數(shù)設(shè)定為200次，并按25次的間隔進(jìn)行上述兩項(xiàng)指標(biāo)所需參數(shù)的檢測。

3 模袋混凝土耐久性試驗(yàn)

3.1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

按照試驗(yàn)要求進(jìn)行試件制備與養(yǎng)護(hù)，試件在3 d、7 d和28 d齡期抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果具體見表2。

由表2試驗(yàn)結(jié)果可知，摻加粉煤灰、硅粉的試驗(yàn)組當(dāng)粉煤灰摻加量10%時(shí)，隨硅粉摻量的增加，模袋混凝土試件抗壓強(qiáng)度在3 d、7 d和28 d齡期下不斷下降，進(jìn)一步分析模袋混凝土力學(xué)性能曲線(圖1(a))發(fā)現(xiàn)，摻量為8%時(shí)試件抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大。當(dāng)粉煤灰摻加量20%時(shí)，隨硅粉摻量的增加，模袋混凝土試件抗壓強(qiáng)度在3 d、7 d和28 d齡期下不斷下降，且根據(jù)力學(xué)性能曲線(圖1(b))，摻量為4%時(shí)試件抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大。粉煤灰摻量10%替代率的抗壓強(qiáng)度比摻量20%替代率抗壓強(qiáng)度高，也就是說在摻加粉煤灰、硅粉的情況下，粉煤灰替代率增加導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低。

表2 模袋混凝土試件不同齡期抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖1 模袋混凝土力學(xué)性能曲線

摻加粉煤灰、大理石粉的試驗(yàn)組當(dāng)粉煤灰摻加量10%時(shí)，隨大理石粉摻量的增加，模袋混凝土試件抗壓強(qiáng)度在3 d、7 d和28 d齡期下先上升后下降，而且，摻量為10%時(shí)試件抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大。當(dāng)粉煤灰摻加量20%時(shí)，隨大理石粉摻量的增加，模袋混凝土試件抗壓強(qiáng)度在3 d、7 d和28 d齡期下不斷下降，且摻量為5%時(shí)試件抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大，同時(shí)在摻加粉煤灰、大理石粉的情況下，粉煤灰替代率20%時(shí)抗壓強(qiáng)度最優(yōu)。

3.2 干濕循環(huán)試驗(yàn)

根據(jù)所測定的模袋混凝土質(zhì)量損失量進(jìn)行在干濕循環(huán)作用下工作性能喪失程度的確定，質(zhì)量損失率試驗(yàn)結(jié)果見表3。

根據(jù)表3所給出的摻加粉煤灰、硅粉以及粉煤灰、大理石粉試驗(yàn)組干濕循環(huán)質(zhì)量損失率結(jié)果可知，試塊干濕循環(huán)試驗(yàn)在清水浸泡下進(jìn)行，兩種試驗(yàn)組前15次干濕循環(huán)試驗(yàn)中試塊質(zhì)量都呈增加趨勢。工程區(qū)清水中富含的大量離子滲入混凝土試塊部分孔隙，另一部分孔隙在干濕循環(huán)作用下也被填充，所以干濕循環(huán)質(zhì)量增加。當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)超過30次后模袋混凝土試塊質(zhì)量逐漸下降，這表明，離子填充對模袋混凝土試塊質(zhì)量的影響比干濕循環(huán)的影響小。在干濕循環(huán)次數(shù)超120次后F20S4的質(zhì)量損失率比JZS大0.28%，F(xiàn)10S8質(zhì)量損失率比JZS小0.14%，F(xiàn)15D5質(zhì)量損失率比JZD大0.35%，F(xiàn)10D10質(zhì)量損失率比JZD小0.06%，以上結(jié)果表明在20%的替代率下，隨著粉煤灰摻量的減少和硅粉、大理石粉摻量的增加，模袋混凝土材料抗干濕能力顯著增強(qiáng)，也就是說，通過硅粉和大理石粉摻量的合理設(shè)置能有效提升模袋混凝土材料的耐久性能。

表3 模袋混凝土干濕循環(huán)質(zhì)量損失率試驗(yàn)結(jié)果 單位：%

3.3 凍融循環(huán)試驗(yàn)

根據(jù)所測定的工程所使用模袋混凝土質(zhì)量損失量進(jìn)行其在凍融循環(huán)作用下工作性能喪失程度的確定，質(zhì)量損失率試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 模袋混凝土凍融循環(huán)質(zhì)量損失率試驗(yàn)結(jié)果 單位：%

從表4可知，本工程摻粉煤灰、硅粉以及粉煤灰、大理石粉后的模袋混凝土材料質(zhì)量損失率呈先降后增的變化趨勢，待凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)200次時(shí)，摻粉煤灰、硅粉以及粉煤灰、大理石粉試驗(yàn)組內(nèi)F20S4質(zhì)量損失率比JZS高出0.04%，F(xiàn)10S8質(zhì)量損失率比JZS低0.17%，F(xiàn)15D5質(zhì)量損失率比JZD高0.41%，F(xiàn)10D10質(zhì)量損失率比JZD高0.12%，表明，摻粉煤灰、硅粉以及粉煤灰、大理石粉后能使模袋混凝土抗凍融性能提升；摻粉煤灰、硅粉以及粉煤灰、大理石粉試驗(yàn)組的質(zhì)量損失率均低于0.50%，而且摻粉煤灰、大理石粉的質(zhì)量損失率比摻粉煤灰、硅粉質(zhì)量損失率大，說明，摻粉煤灰、硅粉后的模袋混凝土材料抗凍性能更優(yōu)。

4 結(jié)論

通過對淮安市黃河故道干河下段(二河至漣水石湖段)治理工程四標(biāo)段模袋混凝土進(jìn)行摻粉煤灰、大理石粉、硅粉情況下的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、凍融循環(huán)試驗(yàn)及干濕循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果分析表明，摻加粉煤灰、硅粉以及粉煤灰、大理石粉后模袋混凝土材料的120次干濕循環(huán)試驗(yàn)和200次凍融循環(huán)試驗(yàn)的質(zhì)量損失率顯著降低，耐久性明顯提升，試驗(yàn)結(jié)果對于工程在季凍期內(nèi)的施工質(zhì)量控制具有很大的參考價(jià)值。