小型灌排渠道U型槽混凝土性能试验研究

龚 英，高江林，戴国强

(江西省水利科学研究院 江西省水工安全工程技术研究中心，南昌 330029)

随着小农水重点县建设的推进，渠槽预制构件的 使用范围和数量逐渐加大，尤其是U型槽预制构件[1-5]。在预制构件蓬勃发展的新形势下，预制构件外观质量问题需重新审视，预制构件使用性能也有待进一步提高。有必要采取技术手段，使预制构件产品“外美内实”，成就预制构件产品的高品质。

U型槽构件属干硬性混凝土范畴。混凝土配合比是影响干硬性混凝土性能的重要因素之一[6-8]。其中针对护坡或路面工程干硬性混凝土配合比[9-14]研究有：用水量若选择不当，将导致生产的预制构件不能满足外观要求；水胶比直接影响干硬性混凝土的工作性，与预制构件混凝土外观质量密切相关；干硬性混凝土立方体抗压强度随水胶比增大而降低，符合普通混凝土的一般规律；砂率对干硬性混凝土工作性、强度及耐久性均有影响，存在某一最佳砂率；在合理选择原材料的同时掺加适量的矿物掺合料进行干硬性混凝土配制，有利于提高干硬性混凝土的力学性能和耐久性能。

然而，不同的工程应用会对干硬性混凝土性能提出不同的要求。目前针对农田水利工程U型槽混凝土配合比的研究较少。利用江西省某预制构件厂提供的试验材料及生产设备，现场配制干硬性混凝土并成型U型槽构件，试验设计不同的干硬性混凝土配合比，分析干硬性混凝土工作性、强度与U型槽外观、外压荷载的相关性，研究了混凝土配合比参数对干硬性混凝土工作性及强度的影响规律。在此研究基础上，提出基于拌和物性能控制的干硬性混凝土配合比设计理念，达到改善U型槽构件外观质量、提高外压荷载的目的。

1 材料与方法

1.1 原材料

水泥采用江西省弋阳海螺水泥有限责任公司生产的复合硅酸盐水泥P.C32.5；粉煤灰采用江西省景德镇发电厂生产的II级粉煤灰；天然河砂，细度模数为2.3，属中砂；天然卵石，粒径为5～20 mm；试验用水为当地饮用水。

1.2 试验设计

参照SL352-2006《水工混凝土试验规程》中的附录A水工混凝土配合比设计方法，进行干硬性混凝土配合比设计。试验考察了4个配合比参数，选择用水量170～190 kg/m3、砂率40%～50%、水胶比0.30～0.60、粉煤灰掺量0%、10%、20%。35组干硬性混凝土配合见表1，以骨料处于饱和面干状态下为基准。

表1 干硬性混凝土配合比Tab.1 Stiff concrete mixture ratio

1.3 试验方法

试验制作了不同配合比的U型槽预制构件。U型槽的规格为U300×480×35(U型槽的下圆弧内壁直径300 mm，槽深480 mm，槽壁厚35 mm)。经定期洒水，自然条件养护28 d，参照江西省地方标准DB36/T646-2011《小型农田水利灌排渠预制混凝土构件制作与检测技术规程》(以下简称《规程》)相关试验方法，测试了U型槽的外观、外压破坏荷载及抗渗性。

在制作U型槽构件的同时测试了干硬性混凝土VC值和混凝土立方体抗压强度。采用维勃稠度测试仪测试混凝土VC值；参照SL352-2006《水工混凝土试验规程》中碾压混凝土强度试件的成型方式(即配重块加压振动)，成型150 mm×150 mm×150 mm的立方体强度试件。混凝土立方体抗压强度试件与U型槽预制构件采取同条件下的自然养护，养护龄期28 d。

2 结果与分析

2.1 预制构件性能与混凝土拌和物性能的相关性分析

混凝土配合比设计的目的是合理控制混凝土拌和物性能(如工作性、强度等)，以满足混凝土施工工艺及混凝土结构所需的使用性能要求。因此，有必要通过分析预制构件使用性能与混凝土拌和物性能的相关性，确定混凝土拌和物工作性和强度的合理取值，满足预制构件的生产工艺及其使用性能要求。

试验表明，混凝土拌和物工作性与U型槽构件外观质量有一定的相关性：混凝土VC值大于7 s或小于5 s，其干硬性混凝土拌和物太干或太湿，使得U型槽混凝土孔洞较多、表面粗糙或外观变形、尺寸不规范；混凝土VC值宜控制在5～7 s，混凝土拌和物满足“捏紧成团、落地分散、振动挤压后出浆”的生产工艺要求，且制作的U型槽外观质量较好。

选择以配合比编号B和C的U型槽构件为分析对象，U型槽混凝土立方体抗压强度与外压荷载的相关关系见图1。混凝土立方体抗压强度与U型槽外压荷载呈正线性相关，相关系数R2超过0.8。可见，增大混凝土立方体抗压强度，是提高构件外压荷载的有效技术手段。

图1 U型槽混凝土立方体抗压强度与外压荷载的相关关系Fig.1 Relationship between compressive strength and external pressure of U-shaped stiff concrete

考虑构件表面若存在蜂窝麻面、孔洞、裂缝等缺陷，可能会影响构件外压荷载试验值。试验通过外观检测筛选出10组外观质量较好的U型槽构件，其外压荷载及混凝土立方体抗压强度见表2。由表2可知，当干硬性混凝土立方体抗压强度超过25 MPa时，其U型槽外压荷载均在5.0 kN/m以上，明显超过《规程》的规定值3.0 kN/m。

2.2 混凝土拌和物性能

在上述明确混凝土拌和物工作性及强度指标控制值的基础上，需进一步研究混凝土配合比参数对干硬性混凝土工作性及强度的影响规律，为构件混凝土配合比优化设计提供参考依据。

表2 外观质量较好的U型槽混凝土立方体抗压强度和外压荷载试验结果Tab.2 Compressive strength and external pressure of U-shaped precast concrete with good appearance

2.2.1 混凝土工作性

水胶比对干硬性混凝土拌和物工作性的影响规律见图2。随着水胶比的增大，干硬性混凝土VC值逐渐减小；且混凝土VC值的降低趋势中存在某一拐点，试验推荐的拐点是水胶比0.40：当水胶比小于0.40时，通过增大水胶比，可明显减小干硬性混凝土VC值，显著改善干硬性混凝土拌和物工作性；当水胶比大于0.40时，增大水胶比对干硬性混凝土VC值的降低幅度较小，对干硬性混凝土拌和物工作性的改善效果较不明显。

图2 水胶比对干硬性混凝土工作性的影响规律Fig.2 Influence of water binder ratio on dry concrete workability

用水量和砂率对拌和物工作性的影响如图3所示，增加用水量或降低砂率，干硬性混凝土VC值随之减小。干硬性混凝土VC值降低幅度由小到大的依次顺序为：增加用水量10 kg/m3、降低砂率10%、降低砂率10%同时增加用水量10 kg/m3。这说明，降低砂率、增加用水量对减小干硬性混凝土VC值具有叠加作用。因此，在保持水胶比不变的情况下，通过降低砂率或增加用水量，可减小干硬性混凝土VC值，达到改善干硬性混凝土工作性的效果。

图3 用水量、砂率对干硬性混凝土工作性的影响规律Fig.3 Influence of water consumption and sand ratio on dry concrete workability

粉煤灰掺量对干硬性混凝土工作性的影响规律见图4。与未掺粉煤灰的相比，掺入10%粉煤灰，有效减小VC值，改善干硬性混凝土的工作性；当粉煤灰掺量增至20%，胶凝材料粉体颗粒增加较多，明显增大VC值，干硬性混凝土拌和物工作性变差，如在低水胶比0.30、粉煤灰掺量20%的情况下，干硬性混凝土拌和物过干，导致无法成型U型槽、该组混凝土VC值测试无效。因此，掺入适量粉煤灰可改善干硬性混凝土拌和物工作性，且试验推荐粉煤灰掺量不宜超10%。

图4 粉煤灰掺量对干硬性混凝土工作性的影响规律Fig.4 Influence of fly-ash dosage on dry concrete workability

2.2.2 混凝土强度

水胶比、用水量对干硬性混凝土立方体抗压强度的影响规律见图5。随着水胶比的增大，干硬性混凝土立方体抗压强度逐渐降低；增大用水量，干硬性混凝土立方体抗压强度略微降低。在用水量一定情况下，砂率对干硬性混凝土立方体抗压强度的影响不大，见图6。总之，对干硬性混凝土立方体抗压强度的影响程度由大至小的依次顺序为：水胶比、用水量、砂率。

图5 水胶比、用水量对干硬性混凝土立方体抗压强度的影响规律Fig.5 Influence of water binder ratio or water consumption on hard concrete compressive strength

图6 砂率对干硬性混凝土立方体抗压强度的影响规律Fig.6 Influence of sand ratio on hard concrete compressive strength

由此可知，在干硬性混凝土拌和物的生产配制过程中，不可随意改变水胶比，否则会对强度产生不利影响；在保证混凝土强度的前提下，保持水胶比不变，可优先考虑降低砂率，在改善干硬性混凝土工作性的同时尽量减少对混凝土强度的不利影响。

粉煤灰掺量对干硬性混凝土立方体抗压强度的影响规律见表3。掺入10%粉煤灰，干硬性混凝土立方体抗压强度降低了25%～38%；掺入20%粉煤灰时，干硬性混凝土立方体抗压强度降低了至少50%。虽然掺入粉煤灰可改善干硬性混凝土工作性，但掺入粉煤灰会降低干硬性混凝土强度，且掺量越高对混凝土强度的降低幅度越大。因此，考虑是否掺入粉煤灰或粉煤灰掺多少等问题时，需综合考虑对干硬性混凝土工作性和强度的影响。

表3 粉煤灰掺量对干硬性混凝土立方体抗压强度的影响Tab.3 Influence of fly ash dosage on hard concrete compressive strength

3 结 语

根据构件的生产工艺及其使用性能的要求，提出拌和物工作性及强度指标的控制值，再据此控制值进行干硬性混凝土配合比设计，以改善构件产品质量。采取基于拌和物性能控制的配合比设计方案，既从根本解决预制构件外观质量缺陷问题，又能有效提高构件使用性能。试验推荐混凝土VC值控制在5～7 s、使得混凝土拌和物可满足“捏紧成团、落地分散、振动挤压后出浆”的生产工艺要求；混凝土强度超25 MPa，明显增强U型槽构件抵抗外压荷载的能力。

试验研究了用水量、水胶比、砂率、粉煤灰掺量对干硬性混凝土工作性及强度的影响规律，可为构件混凝土配合比设计提供一定的理论参考依据。

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