通過調整骨料粒徑優化配合比改善混凝土性能的研究

(中國水利水電第七工程局有限公司國際工程公司，成都，610213)

1 工程概況

塔貝拉水電站位于巴基斯坦首都伊斯蘭堡西北方，本次擴建是將原用于灌溉的4號洞改建為引水發電洞，并在原4號洞出口區域擴建廠房，新增3臺單機470MW的機組，改善電力供應。

本工程混凝土總量約52萬m3，主要包括取水口新建進水塔混凝土、豎井襯砌混凝土及連接段混凝土、壓力鋼管基礎混凝土及鎮墩混凝土、廠房及安裝間混凝土、零星結構物混凝土等。

工程土建設計及施工規范采用歐美標準，混凝土類型包括Class HS01(換算強度45MPa)，Class HS02(換算強度40MPa)，Class AA(換算強度34.5MPa)，Class A(換算強度27.5MPa)，Class C(換算強度17.7MPa)等，采用28d圓柱體測試強度。根據監理工程師的設計，主要結構物混凝土類型為Class A及Class C，本文將以Class A及Class C混凝土為基礎進行混凝土質量控制的相關分析。

2 當地水文氣象條件

根據合同提供的信息，工程所在區域夏季炎熱，3～7月平均氣溫21.7℃～31.5℃，尤其是5月至9月溫度陡升，非常高，甚至會突破50℃。12月至次年2月較寒冷，月平均氣溫13℃～15.5℃，晝夜溫差大，夜間最低可至0℃。

3 合同中對混凝土的相關描述及要求

(1)混凝土各原材料需要通過試驗滿足相關要求；

(2)混凝土強度需滿足要求，以工程量占比最大的Class A為例，要求標稱強度為27.5MPa，最低24.05MPa，但是低于標稱強度的比例不得超過5%；

(3)混凝土出機口溫度不超過25℃，除非另有規定。混凝土澆筑后內部水化熱溫升不超過55℃，內外溫差不超過20℃；

(4)對于最小尺寸超過5m及方量超過500m3的混凝土澆筑需要涉及溫控混凝土，澆筑溫度需不超過20℃，其中在高溫季節，從5月至9月，廠房結構混凝土須滿足5月不超過19℃，6月不超過17℃，7至8月不超過16℃，9月不超過18℃；

(5)關于澆筑分層，對于大體積底板不超過2.5m，廠房下部結構不超過1.5m，小于4m厚的墻柱結構不超過2.5m，層間間隔一般要求至少72h以上。

4 骨料對混凝土性能的影響

骨料是指在混凝土中起骨架或填充作用的粒狀松散材料，分為粗骨料和細骨料。骨料在混凝土總體積中占比大，在混凝土中起著骨架作用，可減少混凝土的收縮。通過選用適當的骨料和改變骨料的級配，可改變混凝土的性能，良好的砂石級配還可降低混凝土中水泥的用量。

粗骨料是混凝土的主要組成材料，其特征和性能直接影響著混凝土的質量。顆粒級配對混凝土的和易性有很大影響，直接影響混凝土的強度、抗滲性、耐久性。較好的骨料級配應該是空隙率小、總表面積小、有少量細顆粒。

細骨料就是我們通常所說的砂，其性質的好壞直接影響著混凝土的和易性、強度、耐久性等指標，普通混凝土宜采用細度模數2.4～2.6之間的中砂為宜，若砂子偏細或是級配不良導致比表面積過大，就需要消耗更多的水泥漿，使混凝土具有一定的流動性，對混凝土的耐久性、強度、密實性都有一定的影響。

根據合同，本項目粗骨料尺寸應大于4.75mm；粗骨料需滿足ASTM C33；骨料比重不得小于2.6；破碎骨料的抗壓強度需滿足于50mm直徑，100mm長度的芯樣不低于120MPa。合同中對混凝土粗骨料是按Size 7(4.75mm～12.5mm)、Size 5(12.5mm～25mm)、Size 3(25mm～50mm)進行分級。粗骨料粒徑要求如表1。

表1合同對粗骨料粒徑的要求

根據現場實際情況，粗骨料來自現場取水口部位開挖料經破碎系統加工的人工料，巖石堅硬。細骨料由于加工料級配不良，摻配部分天然料。

5 骨料粒徑調整及配比優化前

在項目初始階段，按照合同要求的粗骨料分級進行混凝土配合比調配，經試驗并獲工程師批準的配合比如表2所示。

表2骨料調整前不同等級混凝土的配合比 單位：kg

項目在施工前期，現場混凝土主要為基礎大體積混凝土，澆筑采用常態混凝土，基本可以滿足要求，但混凝土內部溫升仍比較明顯。

但對于澆筑結構混凝土，受地形條件限制只能采用泵送料進行澆筑，而考慮一定的骨料超徑，對于25mm～50mm這一級骨料就很難滿足泵送要求，只能使用4.75mm～12.5mm、12.5mm～25mm這兩級混凝土骨料進行澆筑。

在不調整骨料，利用上述獲批混凝土配比進行結構混凝土澆筑后，發現所澆筑混凝土容易出現以下問題：

(1)混凝土泌水嚴重；

(2)混凝土表面易出現裂縫；

(3)混凝土內部最高溫度易超過合同要求的55℃；

(4)每批次生產的粗骨料接近包絡線，骨料粒徑不利于控制。

針對施工過程中易出現的上述問題，項目進行反復討論研究，并且加強與監理工程師的溝通，大家認為合同中要求的骨料粒徑分級比常見的混凝土骨料級配偏小，小骨料意味著更多的膠凝材料摻配，也就會增加內部水化熱溫升，且易引起裂縫的出現，此外，骨料生產不利于控制。在這種情況下，除了采取外部的降溫措施，為了改善混凝土質量，滿足混凝土各項性能要求，優化混凝土粗骨料粒徑、調整配合比參數勢在必行。

6 骨料粒徑調整及配比優化后

針對混凝土存在的質量問題，項目與監理工程師多次召開專題討論會，研究混凝土水化熱過大的辦法。經反復實驗論證，在保證混凝土施工質量的前提下，采取對粗骨料粒徑進行優化，且原混凝土配合比相關參數隨骨料的變化而調整如表3所示。

表3骨料調整前后對比

也就是將粗骨料中小石的最大粒徑調整為19mm，中石的最大粒徑調整為38mm。

經過與監理工程師的反復溝通，其同意按調整后的骨料分級同步進行配比試驗，在保證強度等級不變和混凝土工作性能的前提下，相應地調整混凝土配合比各原材料的含量。經過對混凝土骨料加工系統的篩網更換，并進行粒徑變更后的粗骨料生產，實驗室再對篩分出的骨料進行現場取樣和試驗，經試驗，4.75mm～19mm的骨料過19mm的篩網過篩率為93%，19mm～38mm的骨料過38mm的篩網過篩率為98%，骨料生產滿足了合同規范要求，且級配良好。

在生產的新骨料滿足要求后，試驗室設計了六組混凝土配合比進行試驗，對各原材料合理組配，在同級強度的前提下，優化混凝土的工作性能、增加粘聚性、降低大流動度下的泌水率，求得滿足工程施工要求技術指標的混凝土。經過反復試驗，滿足要求并獲工程師批準的混凝土配合比如表4所示。

表4骨料調整后不同等級混凝土的配合比 單位：kg

在運用骨料調整后的配合比進行結構混凝土澆筑后，混凝土可泵性得到提高、泌水現象得到改觀和消除、混凝土表面裂縫現象不再顯現、每方混凝土使用水泥量較之前有所減少、混凝土內部最高溫度較之前有所降低并滿足合同要求。類似結構倉號混凝土內部溫升最高溫度對比如表5所示。

表5骨料變更前后混凝土內部最高溫度

7 骨料調整前后效益分析

7.1 直接經濟效益

通過對骨料調整并優化混凝土配合比，在滿足強度和現場施工需要的情況下，膠凝材料使用量相應減少，以項目占比最大的Class A(軸心抗壓強度平均值為28MPa)、坍落度為140mm～180mm的混凝土為例，骨料調整并優化配合比后，水泥用量減少約60kg，涉及到的混凝土量約35萬m3，節約水泥用量2.1萬t，經濟效益非常可觀。

此外，調整粒徑后，砂石系統骨料生產更易控制，效率更高，級配更優，增效明顯。

7.2 技術效益

采用優化后的最終混凝土配合比方案，改進了骨料的級配，施工工期能更好地得以保證，混凝土可泵性得到提高、泌水現象得到改觀和消除、混凝土表觀裂縫不再顯現、混凝土膠凝材料使用量較之前有所減少、混凝土內部最高溫度較之前有所降低并滿足合同要求，對后續施工具有重要的意義。

7.3 社會效益

本次混凝土骨料變更及相應的配合比優化方案得到了咨詢工程師的肯定。新的混凝土配合比在現場使用效果良好，保證了現場施工快速、有條不紊地進行，為項目按期實現發電目標奠定了堅實的基礎。

8 結語

混凝土是工程建設過程中的常用材料，混凝土的質量控制對工程最終質量至關重要，而混凝土配置及澆筑質量與多方面因素有關，在混凝土配置施工過程中，要對原材料進行科學合理的選擇，并根據出現的問題，進行分析論證，最終確定滿足要求的配合比。本文結合塔貝拉項目在混凝土施工過程中，通過與工程師加強溝通，采取調整優化合同中的骨料粒徑分級，并優化配合比的方式，有效改善混凝土性能的做法和思路進行了介紹，希望對后續工程有啟發和借鑒意義。