熱帶地區高石粉大吸水率人工砂用于普通混凝土的配合比設計技術

李小峰

（中國水電建設集團十五工程局有限公司國際公司,陜西 西安 710065）

老撾南歐江水電站位于老撾豐沙里省,全部采用中國標準建造。該工程地處熱帶亞熱帶,常年平均氣溫20.1℃,最高氣溫44.5℃,常態混凝土總量30 萬m3,用于混凝土的骨料母巖為砂巖,干抗壓強度最大144.7 MPa,軟化系數0.51,人工砂石粉含量控制在不高于20%,與此對應之吸水率4.6%,混凝土自首盤拌制運至倉面需歷時40 min~60 min。如何配置滿足設計要求又有良好的可施工性是一個難題,故本文將對此予以介紹。

1 工程概況

老撾南歐江六級水電站砂石料加工系統自2013 年6 月建成投產后,經過試生產,干法獲得的人工砂其石粉含量始終高于25%,采用水洗人工砂,雖石粉含量可以控制在18%以內,但是全部水洗后經過堆放脫水,形成大量的結塊,無法用于混凝土生產；經專家咨詢后對設備進行改造,采取部分水洗人工砂后回流到皮帶機與另外的干砂混合后進入堆料倉,有效解決了人工砂脫水結塊的問題,且石粉含量能控制在不大于20%,經南歐江流域公司在老撾瑯勃拉邦召開的專家咨詢會確定了這個數據的可行性,隨后的批量生產均按照這個標準來控制。正式的配合比設計工作自2013 年6 月開始歷時7 個月,于2014 年2 月上報適用于本工程的系列配合比。本文選取部分標號的混凝土來說明問題。

2 混凝土設計指標

表1 混凝土設計指標

3 混凝土用人工砂石骨料基本情況

小石、中石：經試驗在60分鐘時間內粗骨料吸水率增加較慢,相應配合比設計時考慮其吸水影響較小（見圖1）。

表2 石子吸水率隨時間變化

圖1 石子吸水率隨時間變化圖

4 人工砂

從不同石粉含量人工砂吸水率試驗數據中可以看出（見表3）,隨著石粉含量的增加,人工砂吸水率增大,隨著時間的增加,人工砂吸水趨于飽和,時間大約30 min~40 min左右趨于飽和狀態。試驗過程中選用20%石粉含量的人工砂飽和面干吸水率達到4.6%,相比國內規范要求不宜超過6%的值處于中高偏上,從干料達到飽和面干狀態時間較短,基本在60 分鐘左右（見圖2）。在配合比設計過程中,如果按照國內常規配合比設計,不考慮這個具體情況,混凝土拌和物的坍落度損失很大,混凝土運至倉面,基本無流動性,可施工性極差,嚴重影響澆筑質量。

表3 人工砂不同石粉含量吸水率隨時間變化數據

圖2 人工砂不同石粉含量吸水率隨時間變化圖

5 混凝土配合比設計

5.1 配合比設計思路

在考慮混凝土拌制時間、水平運輸時間以及入倉所必要的時間后,經過測算,混凝土自首盤拌制到入倉結束,在較為順暢的工況下,最近的倉號需要40 min,最遠的倉號需要60 min甚至時間更長,且計入砂石料吸水飽和的影響時間,因此我們考慮按照試驗室條件下50 min后常態混凝土坍落度控制在7 cm~9 cm,泵送混凝土坍落度控制在14 cm~18 cm,并且混凝土具有較好的可施工性,以確保施工質量的可靠性。

5.2 測算混凝土坍落度隨時間變化的規律

選擇兩種不同坍落度的配合比（見圖3）,水灰比為0.43的二級配常態混凝土配合比、水灰比為0.41 的二級配泵送混凝土配合比,進行坍落度損失和抗壓強度試驗, 試驗結果見表4。骨料含水量越小,出機坍落度越大,但是坍落度損失也越快。

表4 氣干狀態的骨料與混凝土坍落度關系

圖3 混凝土塌落度隨時間變化圖

5.3 主要混凝土的設計配合比

表5 主要混凝土的設計配合比

續表5

5.4 主要混凝土強度統計情況

自經過監理核準的配合比投入工程建設以來,混凝土砂石骨料品質較為穩定,設計配合比投入使用后,能較好的服務于現場需要,工程實體的質量可靠,目前南歐江六級電站已經蓄水發電,各永久建筑物均經過全面的試運行,工程實體質量安全可靠,主要混凝土強度統計分析見表6。

表6 混凝土強度統計表

6 技術經濟比較

在老撾南歐江六級水電站所處的主客觀環境下,采用當地的砂巖以及相應的生產系統和工藝,既要滿足設計要求又要使得混凝土具有良好的可施工性,配合比設計是一項具有挑戰性的工作。在保證技術可行的前提下,提高用水量和膠材用量,導致工程成本增加。對比投標文件上的材料用量、同類工程的配合比、本工程使用的配合比做一比較,選取C25 常態和泵送混凝土予以說明,見表7。

從表7中可以看出,同等條件下,本工程采用的配合比其膠材用量（常態/泵送）較投標文件、同類工程分別高出33/13 kg,43/76 kg,按照水泥95 美金/t來計算,僅膠材一項就分別增加成本投入3.14/1.23、4.08/7.22 美金。

7 結語

從上述的數據中可以看出,盡管膠材用量較常規混凝土高出很多,但是相應設計強度等級的混凝土強度并無異常。究其原因：①母巖軟化系數小、單軸飽和抗壓強度低；②石粉含量高,骨料比表面積大,要滿足相應的設計強度等級,必須要提高水泥用量；③人工砂石骨料吸水率大,運輸時間長,自然環境氣溫高,坍落度損失快等因素交織在一起,必須采用較大的出機坍落度以保證混凝土入倉的可行性。

建議在以后的工程建設中,應該清楚的認識到,對于普通混凝土而言,如果選用砂巖作為混凝土用骨料,必須高度重視其飽和面干吸水率的高低,要嚴格控制石粉含量。對砂石骨料生產設備的性能以及生產工藝要進行充份的論證,務必生產出具有良好品質的砂石骨料,且對混凝土配合比進行精心的設計,以期獲得質量可靠且材料成本低的混凝土配合比。