黃河積石峽水電站高流態(tài)混凝土試驗(yàn)與應(yīng)用研究

郭林濤，張 龍，趙海潮，劉明云

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌712100)

0 引 言

積石峽水電站是黃河上游一座大型水電站工程，主體工程混凝土配合比由中國水電顧問集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院工程科研實(shí)驗(yàn)分院和中國水利水電第四工程局試驗(yàn)中心提供。由于施工現(xiàn)場地形復(fù)雜，運(yùn)輸困難、混凝土入倉無法振搗和工期緊等條件限制，要求在壓力鋼管底部和有些重點(diǎn)部位采用高流態(tài)達(dá)到自密實(shí)效果的混凝土，原配合比中未包含此種混凝土，為解決該問題，黃河上游水電開發(fā)建設(shè)公司委托積石峽水電站中心試驗(yàn)室進(jìn)行專項(xiàng)試驗(yàn)研究。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求積石峽水電站主體工程高流態(tài)混凝土齡期為28 d，強(qiáng)度等級(jí)為C25，Ⅱ級(jí)配，擴(kuò)散度 60 cm±5 cm，強(qiáng)度保證率為95%，抗凍等級(jí)F200，抗?jié)B等級(jí)W8，極限拉伸值1.00×10-4。

骨料采用積石峽水電站甘河灘砂石料場生產(chǎn)的砂石料，其中人工破碎骨料占80%，天然骨料占20%，人工砂占40%，天然砂占60%，試驗(yàn)時(shí)將天然骨料和人工骨料按比例混合均勻使用。

為在確保混凝土質(zhì)量的基礎(chǔ)上，降低工程造價(jià)，指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)和施工，通過試驗(yàn)提出經(jīng)濟(jì)的、滿足積石峽水電站工程施工要求的高流態(tài)自密實(shí)混凝土配合比，并提供混凝土配合比的拌合物性能、力學(xué)性能和耐久性指標(biāo)。

1 需要解決的問題

(1)要求生產(chǎn)的混凝土為高流態(tài)，但是，實(shí)際生產(chǎn)的骨料人工破碎比例較高，人工骨料棱角也較多，天然骨料也存在風(fēng)化現(xiàn)象，骨料顆粒形狀不規(guī)則，表面粗糙，是影響生產(chǎn)高流態(tài)混凝土的一個(gè)關(guān)鍵問題。

(2)要求生產(chǎn)混凝土入倉后不需要人工振搗，達(dá)到自密實(shí)。解決混凝土泌水離析問題，至關(guān)重要。

(3)試驗(yàn)研究任務(wù)重，時(shí)間緊，既要解決施工現(xiàn)場條件受限制的實(shí)際問題，又要盡快的研制出滿足工程急需的高流態(tài)、自密實(shí)混凝土，確保主節(jié)點(diǎn)工期不受到影響。

為解決影響高流態(tài)、自密實(shí)混凝土問題，主要從以下兩個(gè)方面著手試驗(yàn)研究，一是通過試驗(yàn)，根據(jù)骨料的實(shí)際情況，確定最佳骨料的比例和砂率，滿足混凝土流動(dòng)性要求，二是配合比中摻入增粘劑，調(diào)整混凝土和易性，保證混凝土拌和物的工作度以及解決混凝土泌水、離析問題。解決時(shí)間緊問題，提出多種試驗(yàn)方案，主要對(duì)初選混凝土配合比采用7 d的試驗(yàn)結(jié)果，通過計(jì)算，推定28 d的結(jié)果，然后進(jìn)行校核試驗(yàn)確定最終結(jié)果。提供滿足澆筑要求的混凝土配合比，指導(dǎo)工程施工。

2 原材料試驗(yàn)

2.1 水泥試驗(yàn)

根據(jù)任務(wù)書要求，水泥采用甘肅永登水泥廠生產(chǎn)的42.5級(jí)中熱硅酸鹽水泥，水泥物理、力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果滿足規(guī)范要求，水泥28 d抗壓強(qiáng)度48.7MPa。抗折強(qiáng)度7.9MPa，密度3 150 kg/m3。

2.2 粉煤灰試驗(yàn)

根據(jù)任務(wù)書要求，粉煤灰采用連成電廠Ⅰ級(jí)灰。粉煤灰需水量比94.0%，燒失量1.4%，細(xì)度用45 μ m方孔篩篩余6.8%，密度2 260 kg/m3。

2.3 外加劑試驗(yàn)

積石峽水電站主體工程混凝土配合比試驗(yàn)所用外加劑分別為江蘇博特新材料有限公司生產(chǎn)的JM-Ⅱ緩凝高效減水劑、河北石家莊外加劑廠生產(chǎn)的DH3G緩凝高效減水劑、DH9引氣劑以及BT-ZCJ增粘劑。減水劑和引氣劑的試驗(yàn)結(jié)果均滿足規(guī)范要求，減水劑的減水率為20%。

增粘劑能夠改善高流態(tài)自密實(shí)混凝土的工作度，降低混凝土擴(kuò)散度的損失，提高混凝土彈性模量和極限拉伸值，防止混凝土產(chǎn)生裂縫。

2.4 骨料試驗(yàn)

骨料采用積石峽水電站甘河灘天然砂石骨料和人工破碎料，根據(jù)要求，人工破碎料在混凝土成品粗骨料中含量為80%，細(xì)骨料占40%。試驗(yàn)中將天然骨料和人工破碎料混合均勻后使用，天然骨料和人工破碎料的性能試驗(yàn)分別進(jìn)行。細(xì)骨料摻配后的飽和面干表觀密度2 750 kg/m3，飽和面干吸水率為1.2%，細(xì)度模數(shù)為2.87；粗骨料摻配后小石飽和面干表觀密度2 830 kg/m3，吸水率0.8；中石飽和面干表觀密度2 850 kg/m3，吸水率0.6%。

3 混凝土配合比試驗(yàn)研究

3.1 粗骨料比例試驗(yàn)

采用最小空隙率方法確定粗骨料的級(jí)配，選取的3～5個(gè)不同組合的中石、小石比例進(jìn)行緊密堆積密度試驗(yàn)，確定最小孔隙率，把最小孔隙率的組合作為最優(yōu)骨料級(jí)配。當(dāng)緊密堆積密度最大時(shí)，小石、大石比例為60∶40。

3.2 砂率的選擇

砂率選擇采用固定用水量改變砂率的試驗(yàn)方法，根據(jù)砂的細(xì)度模數(shù)初選幾個(gè)不同的砂率進(jìn)行試拌，繪制砂率與擴(kuò)散度關(guān)系曲線，選擇粘聚性、保水性均良好而擴(kuò)散度最大時(shí)的砂率值作為該混凝土拌和物的最優(yōu)砂率，再根據(jù)設(shè)計(jì)要求的擴(kuò)散度調(diào)整其單位用水量。初選砂率為44%～46%。

3.3 減水劑對(duì)水泥的適應(yīng)性試驗(yàn)

減水劑在混凝土中起著相當(dāng)重要的作用，尤其水泥用量的減少，大大節(jié)約工程成本，但是減水劑使用不當(dāng)，或者減水劑對(duì)水泥產(chǎn)生相容性問題，都會(huì)對(duì)工程質(zhì)量產(chǎn)生很大影響。所以選定水泥和減水劑后，首先應(yīng)對(duì)減水劑與水泥進(jìn)行適應(yīng)性試驗(yàn)。減水劑與水泥的適應(yīng)性滿足工程要求。

3.4 減水劑對(duì)混凝土的擴(kuò)散度損失的影響

混凝土拌制后到澆筑入倉，需要有一段運(yùn)輸、停留的時(shí)間，混凝土擴(kuò)散度會(huì)隨時(shí)間的延長而損失，如果損失過大，會(huì)導(dǎo)致混凝土和易性變差，造成施工困難。

3.5 混凝土配合比試驗(yàn)安排

混凝土試驗(yàn)安排采用L638正交表，因素水平表見表1。

表1 L638因素水平表

3.6 選擇水膠比

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，初選水膠比為0.40，同時(shí)選取相差±0.05的三個(gè)水膠比的混凝土配合比制作混凝土強(qiáng)度試件，每種配合比至少應(yīng)制作兩組試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)到7 d、28 d時(shí)破型，通過計(jì)算，確定最佳水膠比，然后進(jìn)行校核混凝土強(qiáng)度是否達(dá)到配置強(qiáng)度要求，試驗(yàn)結(jié)果見表2、表3和圖1。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，混凝土保證率95%，概率度系數(shù)為1.645，設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C25W8F200，配置時(shí)標(biāo)準(zhǔn)差選取4.0 MPa，混凝土配置強(qiáng)度為31.6 MPa。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般混凝土7 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到28 d配置抗壓強(qiáng)度的65%～75%，選70%，故7 d抗壓強(qiáng)度推定為31.6×0.7=22.1 MPa。

表2 初選混凝土配合比拌合物性能試驗(yàn)結(jié)果

圖1 混凝土抗壓強(qiáng)度與膠水比的關(guān)系曲線

用JM-Ⅱ減水劑試驗(yàn)，得到膠水比與7 d抗壓強(qiáng)度的關(guān)系式(1):

表3 初選混凝土配合比和7d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

計(jì)算得到膠水比為2.371，水膠比為0.422，取0.42。

用DH3G減水劑試驗(yàn)，得到膠水比與7d抗壓強(qiáng)度的關(guān)系式(2):

計(jì)算得到膠水比為2.378，水膠比為0.420，取0.42。式中:(c+F)/w為混凝土膠水比；fcu，7為混凝土7 d抗壓強(qiáng)度推定值(MPa)。

通過試驗(yàn)，在滿足設(shè)計(jì)及施工要求的條件下考慮到經(jīng)濟(jì)性，選定水膠比為 0.42進(jìn)行校核試驗(yàn)[1，2]，并且通過校核試驗(yàn)提供配合比拌和物性能、力學(xué)性能、耐久性指標(biāo)。

4 校核試驗(yàn)結(jié)果

4.1 混凝土拌和物性能試驗(yàn)

混凝土拌和物性能試驗(yàn)包括和易性、擴(kuò)散度、擴(kuò)散度損失、含氣量、密度、凝結(jié)時(shí)間等。凝結(jié)時(shí)間是在室內(nèi)按照試驗(yàn)規(guī)程在標(biāo)準(zhǔn)溫度下進(jìn)行的，現(xiàn)場施工由于影響因素較多，例如運(yùn)輸、溫度變化、空氣濕度、風(fēng)力等因素的影響，凝結(jié)時(shí)間在現(xiàn)場施工中有一定的變化，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 C25W8F200高流態(tài)混凝土配合比拌合物性能試驗(yàn)結(jié)果

4.2 混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，測(cè)定混凝土的抗壓強(qiáng)度、極限拉伸(抗拉彈性模量、極限抗拉強(qiáng)度)等力學(xué)性能指標(biāo)。通過校核，試驗(yàn)混凝土配合比分別成型3 d、7 d、28 d齡期的抗壓強(qiáng)度試件，試件脫模后放在溫度為20℃、相對(duì)濕度95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)至齡期。混凝土的極限拉伸是評(píng)定混凝土抗裂性的重要指標(biāo)[3]，其值越大混凝土抗裂性越好，越有利于混凝土承受溫度變形和干燥收縮變形的影響。極限拉伸試驗(yàn)主要測(cè)定混凝土軸向受拉試件達(dá)到破壞點(diǎn)的極限拉伸值、拉伸強(qiáng)度和拉伸彈性模量。試驗(yàn)結(jié)果見表5。

4.3 混凝土耐久性指標(biāo)試驗(yàn)

混凝土耐久性是保證混凝土建筑物安全運(yùn)行的重要指標(biāo)。按照要求測(cè)定混凝土的抗凍性、抗?jié)B性。

表5 混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

4.3.1混凝土抗凍性試驗(yàn)[4，5]

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，混凝土的抗凍指標(biāo)為200個(gè)凍融循環(huán)，影響混凝土的抗凍因素除混凝土強(qiáng)度(水膠比)外，還與混凝土的含氣量有密切關(guān)系，對(duì)抗凍等級(jí)≥F200混凝土拌和物的含氣量，按照設(shè)計(jì)要求控制在4%～6%，凍融試驗(yàn)采取快凍法，凍融試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)同時(shí)滿足相對(duì)動(dòng)彈模量≥60%，試件質(zhì) 量損失率≤5%。試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 混凝土抗凍試驗(yàn)結(jié)果

4.3.2混凝土抗?jié)B試驗(yàn)

抗?jié)B試驗(yàn)采用逐級(jí)加壓進(jìn)行，試件成型后養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行試驗(yàn)。每組6個(gè)試件加壓至設(shè)計(jì)要求抗?jié)B等級(jí)值/10+0.2個(gè)水壓時(shí)[6]，至少有4個(gè)試件未出現(xiàn)滲水，表明該混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)抗?jié)B強(qiáng)度要求。

5 高流態(tài)自密實(shí)混凝土配合比及其應(yīng)用

5.1 高流態(tài)自密實(shí)混凝土配合比

通過以上的試驗(yàn)研究，確定最終混凝土配合比，見表7。

表7 C25W8F200高流態(tài)自密實(shí)混凝土配合比

5.2 高流態(tài)自密實(shí)混凝土配合比的應(yīng)用

經(jīng)過試驗(yàn)研究，滿足設(shè)計(jì)要求和施工要求的高流態(tài)、自密實(shí)的混凝土在積石峽水電站主體工程中得到了成功應(yīng)用，已澆筑上萬方混凝土未發(fā)現(xiàn)裂縫現(xiàn)象，取得了較好的技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)效益，得到業(yè)主和施工單位的一致好評(píng)。

6 結(jié) 語

混凝土配合比一般以28 d齡期為標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度值，由于工期緊，該配合比7 d齡期試驗(yàn)結(jié)果出來后，就直接用到工程中，從抽檢的28 d齡期抗壓強(qiáng)度資料來看，最大值35.4MPa，最小值27.2 MPa，平均值為31.2 MPa，滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。在保證質(zhì)量的前提下，考慮到經(jīng)濟(jì)因素，用7 d齡期混凝土配合比的試驗(yàn)結(jié)果直接用到工程中，在試驗(yàn)過程中，程序應(yīng)該完善，工作過程應(yīng)仔細(xì)，并進(jìn)行28 d的校核試驗(yàn)，以便及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

[1]張 龍，郭林濤，洪 鏑.水利水電工程試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析計(jì)算方法[M].北京:中國水利水電出版社和知識(shí)產(chǎn)權(quán)出版社，2009.

[2]DL/T5330-2005.水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程[S].北京:中國電力出版社，2006.

[3]許建民.混凝土施工裂縫與控制[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2008，6(4):90-91.

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[5]DL/T5144-2001.水工混凝土施工規(guī)范[S].北京:中國電力出版社，2002.

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