干硬性混凝土在河道整治工程中的应用研究

盛德民

(江西省万安县水利局，江西 万安 343800)

干硬性混凝土作为一种新型建筑材料，在市政工程、公路工程、机场工程等领域得到广泛应用，由于其具有低水灰比、流动性小、收缩性小、抗冻性好以及早期强度高等特性，在水利工程领域也逐渐在普及应用[1-5]。

在天然水域中，经常发生冲刷和淤积现象，不仅容易发生水害，还对航运、农业生产等产生影响，因此河道整治是水利工程中的重要一环，包括治导、疏浚和护岸等工程[6-10]。在护岸工程施工中，一般要求兼具生态和工程多方效益，采用干硬性混凝土预制构件不仅能解决河岸冲刷问题，而且还能降低工程造价和缩短施工工期，是一种低能耗、低污染的绿色生态施工方法，因此在河道护岸施工中具有广阔的应用前景[11-14]。但目前关于硬性混凝土预制构件在水力工程中的应用还比较鲜见，并未形成一套完整的技术体系，同时由于水利工程涉及复杂的水环境，对干硬性混凝土砌块性能的要求更高，其强度要求与市政、公路等也存在区别，必须找到与现场施工相匹配的快速有效的检测手段。

本文对干硬性混凝土预制块的最佳配比、河道护砌施工工艺以及现场强度检测手段进行了探讨分析，以期能为干硬性混凝土在河道整治工程中的应用提供借鉴。

1 工程背景

江西省鄱阳湖流域某河道具有重要的引水、排涝和通航功能，但是由于河道两岸目前为土质(壤土、砂土或者砂壤土为主)边坡，既不能满足抗冲刷或者防渗的要求，当两岸边坡冲刷严重或者塌方后淤泥堵塞河道，也不能满足船舶的安全通行要求，为消除工程的安全隐患，充分发挥河道的工程效益，有必要对河道进行疏浚，同时对河道两岸岸坡进行护砌施工，从而保证河道两岸及其影响范围内的农田不被侵蚀，为引排水、航运和农业生产提供安全稳定的条件。在本工程中，综合考虑地形地质、水文以及工程成本等因素，河道两岸护砌决定采用干硬性混凝土预制块进行施工。

2 配合比设计

2.1 试验原材料及设计方案

水泥：水泥选用PO42.5和PO52.5两种强度等级，主要化学成分均为氧化钙、二氧化硅和氧化铝，PO42.5标准稠度用水量为28.9%，28d抗折和抗压强度分别为8.2MPa和50MPa，主要用于C35以下强度等级的预制块施工，PO52.5标准稠度用水量为28.5%，28d抗折和抗压强度分别为9MPa和60MPa，主要用于C35以上强度等级的预制块施工。骨料：粗骨料粒径为5～20mm连续分布，含泥量为0.8%，压碎值为6.3%，针片状含量为1%；细骨料为天然河砂，细度模数为2.5(中砂)，含泥量为0.8%，氯离子含量为0.003%。粉煤灰：Ⅱ级粉煤灰，细度为20.2%，需水比为102%，平均烧失量为6.3%，SO3含量为2.0%。水：市政自来水。

采用振动+挤压方式将预制块制成边长为30cm，厚度为15cm的六棱柱，分别探讨水灰比、砂率和粉煤灰替代率对干硬性混凝土强度的影响。水灰比设计0.3、0.35、0.4和0.45四种，砂率设计30%、35%、40%、45%和50%五种，粉煤灰替代率设计10%、15%、20%、25%和30%五种。

2.2 水灰比的影响

试验得到的不同水胶比下干硬性混凝土的抗压强度变化特征如图1所示。从图1中可以看到：随着龄期的增加，干硬性混凝土预制块的抗压强度呈逐渐增长的变化趋势，但是后期强度的增长速度逐渐放缓；相同龄期下，水胶比越大，抗压强度越小，28d龄期下，0.3、0.35、0.4和0.45水胶比下对应的干硬性混凝土强度分别为44MPa、39 MPa、36 MPa和32.5 MPa，因此干硬性混凝土的水胶比不宜太大。

图1 水胶比对干硬性混凝土强度的影响

2.3 砂率的影响

以水灰比0.3为基础，试验得到不同砂率下干硬性混凝土的抗压强度变化特征如图2所示。从图2中可以看出：在相同龄期下，随着砂率的增加，干硬性混凝土的强度呈先增大后减小的变化特征。当砂率为0.35时，干硬性混凝土的强度值最高，这是因为砂率改变会导致混凝土中的浆集比发生改变，混凝土的和易性就会发生变化，当砂率太低时，混凝土浆体太少，粗骨料之间无法形成有效的胶结，从而导致强度降低，当砂率太高时，由于干硬性混凝土本身水灰比较小，流动性较小，再加之高砂率的影响，导致混凝土在搅拌过程中更加困难，使得试件内部分布有很多不均匀的孔隙，从而导致强度降低，因此干硬性混凝土的最佳砂率为0.35。

图2 砂率对干硬性混凝土强度的影响

2.4 粉煤灰掺量的影响

以水灰比0.3和砂率0.35为基础，试验得到不同粉煤灰替代率下干硬性混凝土的抗压强度变化特征如图3所示。粉煤灰在混凝土中具有形态效应、填充效应和火山灰活性，粉煤灰掺入之后，可减少混凝土单位体积的用水量，同时粉煤灰颗粒填充在混凝土的孔隙间隙中，使混凝土更加密实，粉煤灰的火山灰反应会生成凝胶状物质，这些凝胶物质填充在水泥石的孔隙结构中，从而使得混凝土水化产物的网络结构更加紧致，从而提升混凝土强度。从图3中可知：随着粉煤灰替代率的增加，干硬性混凝土的抗压强度呈先增大后减小的变化特征，相同龄期下，当粉煤灰替代率为10%～20%时，干硬性混凝土的强度相差不大，当粉煤灰替代率超过20%后，干硬性混凝土的强度有较大的幅度降低，当粉煤灰替代率为20%时，干硬性混凝土的强度最高。

图3 粉煤灰对干硬性混凝土强度的影响

综上所述：干硬性混凝土预制块的最佳配比方案为：水灰比0.3，砂率0.35，粉煤灰替代率20%。

3 现场施工及检测

3.1 施工工艺流程

利用干硬性混凝土预制块对河道两岸进行护砌施工，首先需要对原始河道坡面进行修整，原始河道两岸边坡多为自然边坡，凹凸不平，一来影响护砌美观性，二来可能导致水流对凹凸缝隙进行冲刷和掏空，从而影响护砌整体的长期稳定性，坡面修整后应采用平整度仪对坡面平整度进行检测，一个检测断面为15～20m长，每个检测断面检测点数量不少于5个，凹凸处≤1cm；其次，坡面修整完毕后，应采用机械+人工方式进行齿槽开挖工作，开挖齿槽的目的是保证干硬性混凝土预制块可以更稳定地固定在河道边坡上；然后，进行土工布的铺设工作，提高护砌整体的防渗特性，铺设过程中应注意土工接缝尺寸和质量；接着，再进行砂石垫层的铺设，砂石垫层料应分层分段连续均匀铺设，垫层铺设应自上而下；最后，在垫层铺设完成后，应立即进行预制块的铺设，施工时应自上而下，铺设过程中应保持预制块整体平整，咬合紧密，施工作业人员应站在预制块上施工，避免土工布产生破损。干硬性混凝土预制块铺设施工流程如图4所示。

图4 干硬性混凝土预制块铺设施工流程

3.2 现场检测

干硬性混凝土预制块在运输、铺设以及长期的使用过程中，结构可能会出现损坏，此时干硬性预制块便很难满足水利工程的长期安全与有效使用。因此，在干硬性混凝土预制块铺设完成之后以及每运行一段时间，有必要在现场对预制块进行检测。本文采用针贯入法以及拉脱法对预制块强度进行现场检测，同时与室内抗压试验结果进行对比，结果如图5所示。从图5中可以看到：采用针贯入法时，贯入深度随着预制块抗压强度的升高而逐渐降低，采用拉脱法时，拉脱应力随着预制块强度的增大而逐渐增大，贯入深度、拉脱应力与预制块强度之间呈良好的线性相关性，相关系数R2分别为0.8126和0.8414，表明两种方法在干硬性混凝土预制块无损检测中均具有相当的合理性。

图5 两种方法测试结果与室内强度关系

采用针贯入法时，干硬性混凝土的测试强度与贯入深度之间可用下式计算。

(1)

采用拉脱法时，干硬性混凝土的测试强度与拉脱应力之间可用下式计算。

(2)

式中，σ—拉脱应力，MPa。

将贯入深度λ代入式(1)，将拉脱应力σ代入式(2)，分别得到两种方法的测试强度与试验抗压抗压强度之间的关系，如图6所示。从图中可以看到：采用针贯入法进行测试时，当干硬性混凝土强度低于30MPa时，测试强度与实际强度基本一致，拟合度较高，但当强度大于30MPa后，测试强度与实际强度相差较大，拟合度并不高；采用拉脱法进行测试时，无论混凝土强度是多少，测试强度与实际强度之间均具有较高的一致性，拟合度较高；在所有48组测试试验中，采用针贯入法的平均误差为9%，采用拉脱法的平均误差为11.1%。

图6 测试强度与室内抗压强度关系

拉脱法在测试时，受预制块试件尺寸、形状、表面状态、加荷速率等因素的影响，容易导致拉脱应力失真，且拉脱法测试时很容易对试件产生破坏，而针贯入法测试设备相对简单，测试的效率更快，对预制块也不会产生过大的破坏。因此综合测试结果，当干硬性混凝土预制块的强度等级低于C30时，建议采用针贯入法进行测试[15]，当干硬性混凝土预制块的强度等级高于C30时，建议采用拉脱法进行测试。

4 结语

通过室内配合比试验和现场检测试验，得出如下结论：

(1)干硬性混凝土预制块的最佳配比方案：水灰比0.3，砂率0.35，粉煤灰替代率20%。

(2)干硬性混凝土预制块现场施工工艺为：坡面修整→齿槽开挖→土工布铺设→垫层铺设→预制块铺设。

(3)针贯入法与拉脱法均能用于干硬性混凝土预制块强度检测，贯入深度、拉脱应力与预制块强度之间呈良好的线性相关性，两种方法测试得到的预制块强度与实际强度的平均误差分别为9%和 11.1%。

(4)当干硬性混凝土预制块的强度等级低于C30时，建议采用针贯入法，当强度等级高于C30时，建议采用拉脱法。