低熱硅酸鹽水泥與粗粒花崗巖骨料配合比試驗研究

胡建立

(中國水利水電第七工程局有限公司，成都，610213)

1 工程概況

雙江口水電站位于四川省阿壩藏族羌族自治州馬爾康市和金川縣境內，是大渡河流域水電梯級開發的上游控制性水庫，壩址位于大渡河上源河流足木足河與綽斯甲河匯合口以下約2km處。電站裝機容量2000MW，多年平均發電量77.07億kW·h，水庫正常蓄水位2500m，總庫容28.97億m3，調節庫容19.17億m3。工程為Ⅰ等大(1)型工程，樞紐主要建筑物為1級建筑物，樞紐工程由攔河大壩、泄洪建筑物、引水發電系統等組成。攔河大壩為礫石土心墻堆石壩，最大壩高312m，壩頂高程2510m，最大壩高312m，壩頂寬度16.00m，壩頂長度639.0m。

雙江口水電站心墻蓋板混凝土設計指標為C25W10F50，左、右岸岸坡蓋板厚度為50cm，標準倉號規格為16m(寬)×20m(高)，內部設置φ14單層鋼筋，鋼筋與模板間保護層厚10cm；河床蓋板混凝土設計厚度100cm。各倉間均設置結構縫，結構縫由銅止水、苯板、三道瀝青及GB止水條組成，上游端頭結構縫內設置止水槽，倉內設置φ12單層鋼筋網，網格間排距12.5cm×12.5cm。

2 原材料選擇

為有效控制蓋板混凝土內部溫度，降低蓋板混凝土絕熱溫升值，在蓋板混凝土配合比試驗前，進行了原材料優選，主要措施有：①采用低熱硅酸鹽水泥；②采用Ⅰ級粉煤灰；③采用高性能減水劑。

2.1 水泥

低熱水泥具有硅酸三鈣(C3S)含量低，硅酸二鈣(C2S)含量高的特點，使得低熱水泥具有水化熱小，早期強度低，后期強度高等特性，能夠有效防止或減少大體積混凝土因溫度應力導致的開裂問題。低熱水泥為嘉華特種水泥股份有限公司生產的P·LH42.5水泥。水泥檢測結果見表1、表2。

表1 水泥物理力學性能檢測結果

表2 水泥化學組成及水化熱檢測結果

2.2 粉煤灰

品質優良的Ⅰ級粉煤灰有“固體減水劑”之稱，能夠有效地減少混凝土單位用水量，改善和提高混凝土的性能。粉煤灰采用搏磊F類Ⅰ級粉煤灰。粉煤灰檢測結果見表3。

表3 粉煤灰檢測結果

2.3 骨料

生產粗、細骨料的原巖為黑云鉀長花崗巖，非堿活性骨料。粗骨料分為二級，粒徑5mm～20mm、20mm～40mm。細骨料和粗骨料檢測結果見表4、表5。

表4 細骨料檢測結果

表5 粗骨料檢測結果

2.4 外加劑

采用蘇博特的高性能型減水劑和引氣劑。減水劑及引氣劑各項指標滿足《水工混凝土外加劑技術規程》(DL/T 5100-2014)的技術要求。

3 混凝土配合比試驗

3.1 第一階段配合比試驗

第一階段混凝土配合比試驗由于雙江口水電站1#砂石骨料生產系統尚未投產，配合比試驗使用的砂石骨料采用把原巖運輸至鍋浪蹺水電站加工生產。生產骨料的原巖單軸飽和抗壓強度64.7MPa，軟化系數0.72；細骨料石粉含量為17.8%，云母含量2.0%；粗骨料粒形較差，尖銳棱角較多，類似針片狀顆粒較多。第一階段的配合比試驗成果見表6。

表6 第一階段混凝土配合試驗成果

第一階段配合比試驗混凝土單位用水量較大，坍落度50mm～70mm時，單位用水量達到132kg/m3～135kg/m3。當混凝土拌和物含氣量小于4.5%時，拌和物出現和易性不好、黏聚性差的現象。同時，混凝土拌和物中細料(砂漿)出現下沉速度較快，混凝土出現死板、不柔和的現象，導致混凝土施工性能較差。因此在進行配合比試驗過程中混凝土拌和物含氣量按4.5%～6.0%進行控制。

3.2 第二階段配合比試驗

外加劑廠家針對第一階段配合比試驗成果對減水劑配方進行調整，減水劑母體為醚類，屬于大減水體系，其主鏈較長、側鏈較短，具有減水率高、釋放快，敏感性較強的特點。配合比試驗時減水劑固含量為20.7%。

第二階段混凝土配合比試驗使用的骨料為雙江口水電站1#砂石骨料系統生產的骨料。細骨料的石粉含量較高達到14%～23%，云母含量1.7%；粗骨料粒形較差，尖銳棱角較多，類似針片狀顆粒較多。

3.2.1 石粉含量區間的確定

在第二階段配合比試驗中出現混凝土拌和物和易性不穩定，黏稠、流動性差的現象。對拌和物結果分析：主要原因是石粉含量不穩定，且部分細骨料中石粉偏高。為解決此問題，采用9%、12%、15%、18%的石粉含量進行混凝土拌和物性能及抗壓強度試驗，優選最佳石粉含量區間。不同石粉含量混凝土性能試驗結果見表7。

表7 不同石粉含量混凝土性能試驗結果

對表7的數據進行分析：隨著石粉含量的增加，混凝土拌和物坍落度及含氣量減少，石粉含量較少時(9%)混凝土和易性較差，石粉較高時(18%)混凝土粘稠，流動性差；石粉含量為12%～15%混凝土和易性較好且強度較高，含氣量也較為合適。因此在進行配合比試驗時細骨料石粉含量控制在12%～15%范圍內。

3.2.2 第二階段配合比試驗成果

第二階段配合比試驗時，砂細度模數為2.72，石粉含量采用推薦石粉含量12%～15%中值±1%；減水劑采用調整配方后的減水劑；粉煤灰摻量調整為20%、30%。第二階段配合比試驗結果見表8、表9、表10。

表8 不同溫度對混凝土凝結時間的影響

表9 混凝土配合比參數及強度增長率

表10 混凝土變形性能

第二階段配合比試驗過程中存在的問題：①當含氣量小于4.5%時，混凝土拌和物出現黏聚性差、細料(砂漿)出現下沉速度較快，混凝土死板、不柔和，導致混凝土施工和易性較差；②減水劑摻量較高，減水劑對原材料的敏感性強，拌和物復現性差。

3.3 第三階段配合比試驗

為解決第二階段配合比試驗存在的問題，外加劑廠家再次進行了減水劑配方調整。減水劑母體為醚類，屬于高和易性體系，其主鏈較短、側鏈較長，支鏈嫁接特定基團，具有減水效果釋放平緩，減水率適中，適應性強的特點。配合比試驗時減水劑固含量為29.2%。第三階段混凝土配合比試驗使用的骨料與第二階段相同，砂細度模數為2.78，石粉含量14.1%，云母含量1.8%；粗骨料仍然存在粒形較差，尖銳棱角較多，類似針片狀顆粒較多的現象。

3.3.1 減水劑摻量的確定

第三階段配合比試驗初選減水劑摻量為0.7%，但在配合比試驗過程中出現了減水劑摻量為0.7%時混凝土中砂漿下沉速度較快，砂漿下沉后混凝土出現表面粗骨料裸露，有輕微離析現象，同時混凝土出現復現性差的狀況。因此進行了固定各種材料用量不變，只增減3kg減水劑與用水量的敏感性試驗。試驗結果見表11。

表11 減水劑與用水量敏感性試驗結果

對表11的檢測結果分析：減水劑摻量為0.7%，減水劑與用水量具有較強的敏感性。用水量略微變化，混凝土坍落度、含氣量、抗壓強度波動較大，這將導致在混凝土生產過程中拌和質量無法控制。因此，在進行配合比拌制過程中經過試驗將減水劑摻量降低至0.62%～0.63%。

3.3.2 粉煤灰摻量對凝結時間的影響

雙江口水電站所處地理位置不同季節溫度變化較大，為滿足不同季節施工需要，進行了粉煤灰摻量10%、20%、30%的凝結時間試驗。不同粉煤灰摻量凝結時間試驗結果見表12。

表12 不同粉煤灰摻量凝結時間試驗結果

3.3.3 第三階段配合比試驗成果

第三階段混凝土配合比試驗結果見表13。

4 配合比試驗取得的成果

雙江口水電站原巖為黑云鉀長花崗巖，原巖顆粒粗大，巖塊中云母含量較高，耐磨性較差；原巖加工成混凝土骨料后，細骨料中云母含量較高，粗骨料表面粗糙，粒形較差，類似針片狀含量較多。通過配合比試驗研究，取得如下成果供類似工程參考：

(1)混凝土拌和物含氣量較小時，混凝土和易性及施工性能差，在生產過程中應加強混凝土含氣量控制；

(2)混凝土凝結時間較長，溫度對混凝土凝結時間有著顯著影響；

(3)石粉含量對混凝土性能有著顯著影響，配合比試驗應選擇合理的石粉含量區間，骨料生產應控制石粉含量；

(4)混凝土抗壓彈性模量較小，具有較好的變形適應能力。

5 結語

雙江口水電站心墻蓋板混凝土采用低熱水泥、粗粒花崗巖作為混凝土原材料雖然取得了一定的試驗成果，但仍然存在一些問題，需要進一步研究探索：

(1)不同減水劑母體種類對混凝土和易性及抗壓強度具有顯著影響，減水劑母體種類和混凝土的匹配性應進一步研究；

(2)減水劑減水效果較高時，減水劑敏感性較強，不利于混凝土拌和質量控制，合理的減水率應進一步研究；

(3)混凝土凝結時間較長，曾在混凝土中摻加早強劑縮短混凝土凝結時間試驗，早強劑摻量達到3%時，凝結時間僅縮短約1h，效果不明顯，如何有效縮短混凝土凝結時間應進一步研究；

(4)粗粒花崗巖加工后存在粗骨料表面粗糙，粒形較差，類似針片狀含量較多的現象，應進一步研究骨料生產工藝的適配性，提高骨料質量。