高性能混凝土在自然通風高位收水冷卻塔工程中的應用

石磊龍，王 軍

（中國電建集團山東電力建設有限公司，山東 濟南 250014）

0 引言

山東某 1 000 MW 發電廠地處濱海低地，冬季最低溫度為零下 15 ℃，混凝土受地下水的腐蝕為強等級，因此要求混凝土具有良好的抗滲、抗凍等耐久性指標，為解決這一問題，配制高密實、高抗滲的高性能混凝土是項目重點。高性能混凝土一般是以“高強高性能混凝土”的形式提出，中等強度的高性能混凝土的研究及應用較少，如果能實現中等強度普通混凝土的高性能化，將會產生重要的技術經濟意義［1］。本文通過對自然通風高位收水冷卻塔高性能混凝土的研究工作，旨在實現用 42.5 強度等級的水泥和現有原材料配制中等強度高性能混凝土。

1 高性能混凝土特性與要求

高性能混凝土比普通混凝土相比具有更高耐久性。一方面高性能混凝土采用優質高效減水劑，打破了普通混凝土水膠比的限制，使低水膠比、超低水膠比在混凝土配合比設計中的應用成為可能。另一方面采用超細摻合料又改善了級配等級，使高性能混凝土形成高度密集的微觀結構。此外，超細摻合料活性大，產生大量水化硅酸鈣凝膠體的同時會大量消耗 Ca（OH）2，可以提高混凝土的耐腐蝕能力。其次高性能混凝土的強度等級應達設計要求，并結合施工工藝進行設計，只有通過試配、調整確保滿足使用要求后方可用于正式施工［2］。

2 現有原材料情況

2.1 水泥

生產高性能混凝土所用的水泥必須具有較高的 28 d 強度和良好的流變性能。使用等級越高的水泥越易獲得更高的混凝土強度，但其強度增長不與水泥抗壓強度的增長成正比［3］。對于 C40 混凝土，P·O42.5 水泥是最佳選擇，而對于 C45 的混凝土，究竟用 P·O42.5還是用 P·O52.5，需要試驗驗證。

本次研究所用水泥均為濱海某公司生產，性能指標如表 1 和表 2 所示。

表1 P·O42.5 水泥性能一覽表

表2 P·O52.5 水泥性能一覽表

2.2 骨料

2.2.1 細骨料

配制高性能混凝土的細骨料應級配良好、質地堅固，含泥量等性能應符合 JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》。良好顆粒級配的細骨料對于提高混凝土強度有利。受地材供應的限制，本地的河砂為粗砂，性能如表 3 所示。

表3 河砂性能一覽表

配置高性能混凝土時原材料非常重要，用細度模數如此之大的河砂配制高性能混凝土，增加了配合比設計難度。當前這方面的研究很少，此次試驗可算是一次探索。

2.2.2 粗骨料

粗骨料應選擇表面粗糙且堅固的品種。還需級配良好，應采用 5～25 mm 連續級配［4］。本項目考察了市場上的碎石，發現當地的 5～25 mm 連續粒級并不符合標準要求，所以決定采用“大石子”和“小石子”搭配方式，如表 4 所示為兩種級配的碎石粒級分布。

表4 “小石子”和“大石子”粒級分布一覽表

經過試驗，將“小石子”和“大石子”按 4∶6 質量混合，其顆粒級配可滿足 5～25 mm 連續粒級。表 5 為二級配碎石粒級分布，表 6 為二級配碎石性能。

表5 二級配碎石粒級分布一覽表

表6 二級配碎石性能一覽表

從碎石性能結果可以看出，以上各項參數符合 JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》要求。

2.3 摻合料

2.3.1 粉煤灰

所用粉煤灰來自于附近電廠生產。依據 GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》檢測，為 I 級粉煤灰，依據 GB/T 18736—2017《高強高性能混凝土用礦物外加劑》檢測 28 d 活性指數，符合 II 級要求。其主要性能如表 7 所示。

表7 粉煤灰性能一覽表

2.3.2 硅灰

硅灰顆粒細小因而比表面積大，所以在混凝土中摻入硅灰，能夠提高抗滲性、抗凍性、強度、抗化學腐蝕性。本項目選用了鹽城某公司生產的硅灰，其主要性能如表 8 所示。

表8 硅灰性能一覽表

2.4 外加劑

聚羧酸高性能減水劑作為新型減水劑，不受環境溫度影響且減水率高，對混凝土的坍落度保持、凝結時間的控制很有效果。根據 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》：長期處于潮濕或水位變動的寒冷和嚴寒環境及鹽凍環境的混凝土應摻入引氣劑［5］。

綜合以上要求，本項目選用河北某公司復合型外加劑，各項技術指標如表 9 所示。

表9 KTPCA 高性能減水劑性能一覽表

2.5 PVA 纖維

混凝土中使用合成纖維目的是改善混凝土抗沖擊、早期抗裂和抗疲勞等性能，根據圖紙要求人字柱混凝土中應摻入 0.9 kg/m3的高強高模 PVA 纖維，以提高抗裂能力。

本項目所用 PVA 纖維為泰安市某公司生產，其主要性能指標如表 10（滿足圖紙中 PVA 纖維性能要求）所示。

表10 PVA 纖維性能一覽表

3 配合比設計

3.1 配合比初步設計

3.1.1 P·O42.5 水泥人字柱配合比初步設計

設計強度 53.225 MPa，水膠比 0.34，膠凝材料由水泥、硅灰、粉煤灰 3 種材料組成，其摻量通過正交試驗確定。硅灰采用 4 種不同摻量（分別為膠凝材料的 3 %、5 %、7 %、9 %）、粉煤灰采用 3 種不同摻量（分別為膠凝材料的 15 %、20 %、25 %），對混凝土抗凍、抗滲、強度、成本等進行試驗，配合比如表 11 與表 12 所示。

表11 P·O42.5 水泥人字柱初步配合比

表12 P·O42.5水泥人字柱初步配合比性能及成本（不計纖維）

通過上述試驗，綜合考慮各項指標，最終選擇“柱-11”配比，即粉煤灰摻量為 20 %、硅灰摻量為 9 %。

3.1.2 P·O52.5 水泥人字柱設計

設計強度 53.225 MPa，水膠比 0.35，膠凝材料由水泥、硅灰、粉煤灰 3 種材料組成，粉煤灰摻量為 20 %，硅灰摻量為 9 %。配合比如表 13 與表 14 所示。

表13 P·O52.5 水泥人字柱初步配合比

表14 P·O52.5 水泥人字柱初步配合比性能及成本（不計纖維）

經比較，用 P·O52.5 水泥配制 C45 混凝土，最優配合比為“柱-16”，混凝土成本卻比 P·O42.5 水泥研制的配合比“柱-11”高 27 元/m3。

3.2 配合比優化

試驗中對將該配合比進行調整：在維持水膠比不變下，將膠凝材料用量降至 485 kg/m3和 475 kg/m3，得到 28 d 抗壓強度分別為 51.2 MPa 和 51.9 MPa，但強度沒有達到設計要求。

3.3 配合比確定

經過配合比的設計和試配、調整，列表統計P·O42.5 水泥和 P·O52.5 水泥配制出的混凝土的性能，確定人字柱混凝土最終配合比，如表 15 所示。

表15 人字柱混凝土配合比

經試驗，該配合比的混凝土抗滲等級達 W 17，抗凍性≥F 200，28 d 氯離子擴散系數為 2.2×10-12m2/s，符合設計要求。

4 工程應用

通過對自然通風高位收水冷卻塔混凝土取樣檢測結果證明：混凝土的抗壓強度、抗滲性、抗凍性能及氯離子擴散系數等均達到圖紙設計要求，且混凝土外觀顏色均勻，無裂紋、蜂窩麻面等表面缺陷。本技術不僅適用于自然通風高位收水冷卻塔工程，還可以用于具有類似要求的高性能混凝土施工，如港口、海洋、水利、化工等工程。

5 關鍵技術

5.1 粉煤灰和硅灰的雙摻技術

雙摻硅灰和粉煤灰以取代部分水泥，改善了混凝土內部結構，提高抗凍性、抗滲性等，在高性能混凝土的施工過程中發揮著重要的作用。本項目研究了粉煤灰和硅灰不同摻量對混凝土性能和經濟效益的影響，根據 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》和實踐經驗，選定了 4 種硅灰摻量和 3 種粉煤灰摻量，進行正交試驗，最后確定滿足高性能混凝土設計要求的摻量分別為：硅灰為 9 %；粉煤灰為 20 %。

5.2 碎石的二級配技術

為持續提高混凝土的密實性能，需要應用顆粒級配比較好的粗骨料，但經過當地市場調研，沒有發現符合連續級配的粗骨料，故采用兩種粗骨料組合的方式，達到了連續級配的效果，提升了混凝土的密實度，降低了膠凝材料用量，改善了混凝土拌合物的和易性。通過試驗確定了兩種規格碎石的組成比例，本項目 5～16 mm 的碎石和 5～25 mm 的碎石比例 4∶6，組合后滿足 5～25 mm 碎石連續粒級要求。

6 結語

自然通風高位收水冷卻塔工程高性能混凝土的應用，提高了混凝土的耐久性能，滿足了火力發電廠中類似項目高性能混凝土的技術要求，證實了用 42.5 強度等級的水泥完全可以配制 C45 混凝土，也證實了在原材料性能不理想的情況下可以配制高性能混凝土。另外，硅灰和粉煤灰作為工業廢料污染環境、危害健康，但作為混凝土中的摻合料，不僅能解決其堆積占地和污染的問題，而且經濟效益良好。Q