高強度抗沖磨混凝土配合比的設計和應用

韋慶華

(廣西水利電力職業技術學院,廣西 南寧 350003)

水力發電工程中，諸如導流孔洞、混凝土壩的中低溢流孔、沖沙閘、消力池邊墻和底板等[1-5]水工結構的混凝土表面受到高水壓和高速水流作用，流速高達20～30 m/s。經各種工況長期運行后，因為高速水流的強力沖刷和氣蝕，致使混凝土表面受到破壞，砼塊脫落，特別是當高速水流中夾沙石或其它推移質對過流表面沖擊、磨蝕和懸移質的切削破壞作用，使得導流孔洞、溢流道等水工建筑物表面產生破壞，甚至出現結構鋼筋因沒有保護層而生銹等導致結構失效，引起嚴重后果。因此，如何提高過流表面混凝土的抗沖磨性能和耐久性，是水利工程建設必須解決的技術問題。

工程界通過不斷研究探索，目前用于提高混凝土材料抗沖耐磨性能的主要措施[6]：

① 根據建筑物所處位置的水力條件，采用C40～C60的高強度混凝土；

② 選用質地致密和堅硬的花崗巖或石灰巖作為粗骨料；

③ 采用抗沖磨高強度水泥；

④ 增大骨料表面的粗糙度，提高機械咬合作用，獲得更高的粘結力；

⑤ 混凝土內摻入鋼屑、鋼纖維、金剛砂和硅粉等中的一種或幾種混摻，提高抗沖磨性能。

1 工程概述

國外某電站為一座高水頭、長隧洞引水式水電站。大壩區主要建筑物有堰閘壩、消力池、進水口、沉砂池和壓力引水隧洞，廠房區主要建筑物為電站廠房及開關站等。大壩由左副壩段、進水口壩段、堰閘壩段和右副壩組成，最大壩高為65 m，壩軸線長為120 m，頂寬為10 m，最大底寬為42 m。左右副壩段和墩墻的上游壩坡均為直立，下游壩坡為1∶0.8。堰閘壩段設3個泄流底孔，每孔寬7.0 m，邊墩尾端接消力池導流邊墻，導流墻長×高為55 m×16 m，墻厚為3.0m。本工程所用的混凝土強度等級如表1所示，A級是指具有低塌落度低滲透低強度的大體積混凝土，B級是指僅暴露于大氣中的特定混凝土，C級是指具有較高強度、低滲透的擋水結構混凝土，D級是指具有高強度的預制構件混凝土，E級是指特別高強度且耐沖磨的混凝土。

本工程河流為山區河流，推移質顆粒大且含量高，堰閘段和消力池的溢流表面均要承受高速水流的沖刷，故堰閘段(樁號范圍為壩上0-006.200～壩下0+032.400)泄流孔底表面以及EL.1214.5高程以下閘墩側面采用t=20 mm的鋼板進行襯砌，堰閘段壩下0+032.400至壩下0+106.703(即消力池段尾坎末端)共約90 m的過流表面以及消力池導墻迎水側邊墻，采用高強度抗沖磨混凝土即E級混凝土，平均厚度為600 mm。

表1 各類強度等級的混凝土要求

2 E級混凝土配制

在混凝土中加入硅粉可以有效抵抗水壓和沖刷，故硅粉將用于混凝土永久性工程，硅粉的摻用量應小于膠凝材料重量的8%。國內外工程在設計抗沖磨混凝土時，均采用摻入一定量粉煤灰等活性顆粒的方式以求降低水化熱，避免出現早期裂縫。然而，多數摻合料如粉煤灰、磨細火山灰微粉、磨細磷礦渣微粉等混凝土，在齡期28 d以內強度往往低于基準混凝土，且與摻量成負相關[7]。本工程多次調整配合比參數經試驗發現，圓柱體試件均無法滿足28 d抗壓強度達到50 MPa的結果，最終放棄摻入煤灰方案。

2.1 E級砼技術要求

用于大壩永久工程的E級結構混凝土按表2所示的規定設計：采用Φ150×300 mm混凝土圓柱體試塊，設計抗壓強度為28 d的試驗強度結果，膠凝材料用量以滿足強度、水灰比和抹面等級的規定為要求，具有高耐磨性的特種高強混凝土。攪拌室溫度為17℃～25℃，濕度50%～70%，試樣養護條件為 23℃±2.0℃，濕度為95%～98%。

表2 E級結構混凝土技術要求

2.2 材料要求

1) 水

混凝土攪拌和養護用水為飲用水，清潔，不含酸、堿和其他污染，新鮮，不含懸浮物質，對混凝土的強度、耐久性或永久工程的外觀無不利影響，不腐蝕鋼筋，水質符合ASTM C94第4.1.3款的規定。

2) 水泥

使用工程當地D.G khan有限公司生產的D.G水泥進行本次試驗，物理和化學性能測試結果見表3，所有性能參數滿足ASTM C150 I型硅酸鹽水泥要求。

表3 D.G水泥物理和化學性能

D.G水泥其他性能：密度為3.15 g/cm3，安定性為2.5 mm，細度(0.075 mm篩余)為2.1%，標準稠度為24.1%。

3) 粗細骨料

粗骨料取自Allai khwar河床采石場，質地堅硬、清潔，由大壩砂石加工處理系統提供，粒徑范圍為4.75～19 mm，骨料的測試結果和篩分曲線分別見表4、表5和圖1、圖2，滿足規范要求。

表4 粗骨料性能

表5 細骨料性能

圖1 粗骨料篩分曲線(4.75～19 mm)

圖2 細骨料篩分曲線(0.15～4.75 mm)

4) 外加劑

采用當地生產的Sika-520減水劑，建議用量為膠凝材料重量的2.5%。減水劑性能檢測結果如表6所示，符合規范要求。

表6 Sika-520減水劑性能檢測結果

2.3 配合比設計過程和成果

2.3.1選擇期望的塌落度和配制強度計算

本工程混凝土轉運次數較多、運距較遠等可能導致較大的塌落度損失，加之澆筑空間較小，初選塌落度值為7～9 cm。按《波特蘭水泥和其他膠凝材料的高強混凝土配合比選擇(ACI211 4R—2008)》指南[8](以下簡稱指南)，本次設計抗壓強度fc=50 MPa=50×145 psi，根據式(1)可計算配制強度fcr=8 675 psi。

2.3.2粗骨料的最大粒徑

按技術要求和工程現場備料情況， 確定粗骨料最大粒徑為19 mm。

2.3.3初選粗骨料用量，初選用水量和含氣量

根據粗骨料最大粒徑為19 mm，細骨料細度模數在2.5～3.2之間，容積密度為1 631 kg/m3即101.81 b/yd3，查指南可得每立方混凝土粗骨料用量系數VCA為0.72，結合式(2)可算出每方粗骨料用量Ca=0.72×101.81×27=1 979 b=990 kg。

根據粗骨料最大粒徑、預期的塌落度查指南得用水量W=305 b/yd3=181 kg，初選W=185 kg和含氣量選為3%。

2.3.4初選水膠比和膠凝材料用量

根據粗骨料最大粒徑、配制強度和28 d齡期查指南得W/Cm=0.30，由于初選用水量W為185 kg，則膠凝材料用量Cm為617 kg。

2.3.5水泥用量和細骨料用量

未摻硅粉時水泥用量以617 kg計，采用絕對體積法按式(3)計算細骨料用量為626 kg。

經過上述計算，可得到初選試驗基準配合比為水：水泥：細骨料：粗骨料=185:617:626:990(kg/m3)

2.3.6摻用硅粉試配配合比

查表7，以硅粉摻量8%、水膠比0.3和減水劑摻量2.5%按式(4)計算，可得高強度混凝土試配配合比為水:水泥:硅粉:細骨料:粗骨料:減水劑=185:567:50:596:990:15.4(kg/m3)。

fcr=1.10×fc+700

(1)

Ca=VCA×BD×27

(2)

W/ρ1+C/ρ2+Sa/ρ4+Ca/ρ5=1×(1-3%)m3

(3)

W/ρ1+C/ρ2+Si/ρ3+Sa/ρ4+Ca/ρ5=1×(1-3%) m3

(4)

式中fcr為混凝土的配制強度，psi；fc為混凝體圓柱體設計抗壓強度，psi；Ca為粗骨料用量，lb，1 lb=0.5 kg；VCA為粗骨料用量系數；BD為容積密度，1 b/yd3；Si為硅粉用量，kg；W為用水量，kg；C為水泥用量，kg；Sa為砂用量，kg。

表7 材料密度

根據試配配合比試拌，觀察試拌混凝土的和易性并測量塌落度，以此為基礎調整配合比并提出試驗配合比，分別以水膠比為0.28、0.30和0.32和硅粉摻量為6%和8%進行組合拌制，進行7 d、14 d和28 d強度試驗。以滿足設計抗壓強度、抗沖磨性能和混凝土工作性能為主要考慮因素進行一系列試驗和調整，最終確定MP-85為E級混凝土的實驗室配合比。按照ASTM C1138采用水下鋼球法進行耐磨試驗，MP-85配合比下試樣28 d抗壓強度為52.7 MPa，72 h抗沖磨強度33.5 h/(kg/m2)，磨損率為0.87%，抗壓強度、耐磨性能和工作性能均能滿足要求。試驗結果及E級混凝土配合比參見表8。

表8 E級混凝土實驗室配合比設計成果

注：采用Φ150×300 mm圓柱體試模時，抗壓強度(fc′)與立方體抗壓強度(fcu，k)換算關系在C60以下時為fc′=0.79×fcu，k。

3 E級混凝土施工應用

1) 與下部大體積混凝土的連接

堰閘段泄流底孔下部基礎為A級(相當于C20)混凝土，基礎設成臺階狀，抗沖耐磨層屬于二期砼，厚度為60 cm。若耐磨層與基礎混凝土銜接不當，致使層間粘結強度過小，加上高強度混凝土易干縮的性能，容易導致裂縫，必須對大體積混凝土的基面進行如下處理：基礎預埋插筋，插筋按Φ25 mm@1 000 mm，L=1 200 mm布置，外露長度約500mm，采用高壓沖毛機對基面進行沖毛，形成全毛面。

2) 混凝土施工

抗沖耐磨混凝土在拌合樓集中拌制，攪拌時間經試驗確定為90 s，比普通混凝土攪拌時間稍長。通過3 m3攪拌車運輸至工作面前，再由塔吊轉運至工作面卸料。溢流面弧段的半徑為110 m，采用新購的標準鋼模板P3015沿著槽鋼架安裝，模板面預開進料口以便于卸料和振搗，采用直徑不大于35 mm的軟軸振搗棒仔細振搗。

抗沖耐磨混凝土設計強度達到50 MPa，未摻煤灰條件下早強水泥用量高達591 kg/m3，水化熱量大且來得快，盡管只是薄層澆筑，仍然可能出現表面裂縫，應及時采取養護措施。底板澆筑完成5～8 h后開始灑水養護，拆模后覆蓋麻袋繼續養護，邊墻則采用養護劑涂抹養護，養護天數不少于28 d。拆模后立即對模板拼縫處進行打磨，使之形成較為平整光滑的曲面。

4 結語

本工程抗沖耐磨混凝土在未摻粉煤灰的前提下，通過優選原材料、預設插筋、控制攪拌質量和加強養護等辦法，確保了抗沖耐磨混凝土的施工質量。堰閘壩和消力池過流表面經過多個汛期的泄水考驗，承受高速水流沖刷的混凝土表面總體完好，達到抗沖耐磨效果，可為類似工程提供借鑒。