水利水電工程自密實混凝土配合比設計分析

蘇 彧

(法庫縣水利事務服務中心，遼寧 法庫 110400)

1 設計要求

水利水電工程廠房壩段引水壓力鋼管底部管道部位場地狹窄、配筋密集，若用普通混凝土澆筑則工作面難以展開，無法保證混凝土施工質(zhì)量和振搗密實，為滿足工程要求必須配制高性能混凝土[1-3]。因具有密實均勻、自行流平等特點，自密實混凝土既能加快施工進度，還可防止因振搗不足而出現(xiàn)麻面、蜂窩的問題，從而保證廠房壩段整體施工質(zhì)量[4]。結(jié)合施工現(xiàn)場情況，自密實混凝土設計技術(shù)指標見表1。

表1 混凝土設計要求

2 原材料性能

2.1 膠凝材料

1)水泥。由于水泥用量多、水膠比大，自密實混凝土主要用于構(gòu)件體積較小的房建項目，一般溫控問題不明顯。對于大體積、大尺寸水工建筑物，自密實混凝土的配置應盡量使用水化熱低、質(zhì)量好的水泥，從而防止早期水化熱聚集引起的開裂問題[5-6]。工程選用鐵嶺水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5級中熱硅酸鹽水泥，經(jīng)檢測各項性能指標均符合標準要求，見表2。

表2 普通水泥與中熱水泥的性能檢測值

試驗表明，與普通水泥相比中熱硅酸鹽水泥具有更低的水化熱，其溫控效果也更加明顯，有利于控制水工結(jié)構(gòu)有害裂縫的形成與發(fā)展。

2)粉煤灰。采用高質(zhì)量粉煤灰等量替代水泥，既能減緩水化反應速度增強混凝土抗裂性能，還能保證后期強度。工程選用鐵嶺電廠生產(chǎn)的Ⅰ級粉煤灰作為礦物摻合料，經(jīng)檢測各性能指標符合Ⅰ級標準要求，見表3。

表3 粉煤灰性能檢測值

工程實踐經(jīng)驗，對于有抗凍要求的水工混凝土其粉煤灰摻量宜為20%～30%。根據(jù)試驗結(jié)果和施工現(xiàn)場情況，工程粉煤灰摻量按25%等量替代水泥。

2.2 粗細骨料

1)細骨料。《自密實混凝土規(guī)范》推薦使用Ⅱ區(qū)中砂細骨料級配，本工程選用灰?guī)r碎石經(jīng)砂石生產(chǎn)系統(tǒng)破壞而成的人工砂，顆粒級配見表4。

表4 人工砂顆粒級配

結(jié)果顯示，0.15mm篩分孔徑時人工砂的累計篩余達到91.8%，孔徑在0.15mm以下的篩底只有8.0%，屬于細度模數(shù)偏大、石粉含量較低的中砂，能夠滿足自密實混凝土配合比設計要求，現(xiàn)場試驗過程中混凝土拌和物的流動性良好。

2)粗骨料。《自密實混凝土規(guī)范》推薦使用的粗骨料最大公稱粒徑≤20mm，采用兩個以上單粒徑搭配或者連續(xù)級配的粗骨料。本工程選用5～20mm連續(xù)級配的普通碎石，其石粉含量忽略不計，泥塊含量≤0.5%，含泥量<1.0%，針片狀含量≤8%，經(jīng)檢測各項性能指標均符合標準要求，見表5。

表5 粗骨料基本性能

與間斷級配骨料相比連續(xù)級配的水泥用量稍多，連續(xù)級配粗骨料可以保證混凝土的彈性模量、強度以及拌和物的抗堵塞、黏聚性。

2.3 外加劑

本工程選用海韻牌BT-7000型高效緩凝減水劑和蘇博特GYQ-Ⅲ型高效引氣劑，這兩種外加劑的質(zhì)量穩(wěn)定、技術(shù)成型，并被廣泛應用于水利工程等領(lǐng)域。在粉煤灰等量替代水泥的情況下，減水劑的使用能夠進一步減少泌水離析以及膠凝材料用量，確保拌和物流動性及和易性。結(jié)合工程實踐經(jīng)驗，水利工程泵送混凝土的減水劑摻量為5%。原則上，混凝土有抗凍要求時必須使用引氣劑，應考慮現(xiàn)場試驗情況合理確定引氣劑摻量。試驗表明[7]，新拌90min含氣量達到6%的混凝土28d抗壓強度減少將近30%，摻入引氣劑會大大減小混凝土后期強度。鑒于混凝土強度受引氣劑的不利影響，控制混凝土拌和物含氣量≤6%，一般處于4.0%～6.0%區(qū)間內(nèi)。

3 自密實混凝土配合比設計

3.1 混凝土配制強度fcu,p

文章利用絕對體積法設計配合比，依據(jù)設計規(guī)程完成相應的試驗和計算，配制強度fcu,p的計算公式為：

fcu,p≥fcu,o+1.645σ

(1)

式中：fcu,o、σ為混凝土的設計強度，MPa和強度標準差，結(jié)合表1技術(shù)指標確定fcu,o設計強度為30MPa，fcu,o與標準差取值密切相關(guān)，結(jié)合設計規(guī)范確定σ為5.0。由于引氣劑的摻入會帶來一定的強度損失，故實際配制的混凝土強度要高于計算值，經(jīng)計算和試配調(diào)整確定混凝土配制強度取值區(qū)間為52-55MPa。

3.2 水灰比與用水量

設fce代表水泥膠砂的28d強度，α、β代表與粗骨料表面特征有關(guān)的回歸系數(shù)，混凝土配制強度與水灰比W/B的關(guān)系式如下：

W/B=1/(fcu,p/αfce+β)

(2)

對于高性能混凝土的回歸系數(shù)規(guī)范推薦的數(shù)值并不適用[8]，通過試驗檢測、現(xiàn)場調(diào)查的方法收集抗壓強度和水灰比數(shù)據(jù)，經(jīng)一元二次回歸分析確定配合比設計中的水灰比取值為0.43。

根據(jù)水利水電工程泵送混凝土施工經(jīng)驗，控制壓力鋼管管道部位的混凝土拌和物塌落度在220～250mm范圍，擴散度≥600mm，設計單方混凝土用水量165kg。

3.3 確定砂率

在粗骨料最大粒徑和水灰比數(shù)值已知的情況下，可以大致確定砂率的取值區(qū)間，為保證混凝土施工的可操作性同等條件下應盡可能選擇較高的砂率[9-10]。在用水量和水灰比取值不變的條件下，混凝土塌落度試驗結(jié)果見表6。

表6 自密實混凝土拌和物性能

試驗表明，綜合考慮流動性、黏聚性、擴展度和含砂情況等因素，砂率為46%時的混凝土性能最優(yōu)。砂率為44%、45%時出現(xiàn)了砂漿裹不住石子、集料空隙率增大、骨料堆積的情況，砂率超過46%時的混凝土需水量增加但和易性、擴散度反而下降。

3.4 自密實混凝土配合比

試驗選用3種配合比對照分析混凝土強度，其中基準配合比通過試配確定，保持砂率和用水量不變，相對于基準配合比減小或增加0.02作為另外兩個配合比，相關(guān)參數(shù)見表7。

表7 自密實混凝土配合比參數(shù)

根據(jù)表7中的設計參數(shù)每種配合比制作一組標準試塊，尺寸為150mm×150mm×150mm，標準養(yǎng)護至28d齡期時測試混凝土抗壓強度，測試結(jié)果見表8。試驗表明，水膠比0.43組的混凝土試樣各項指標均符合規(guī)范要求，故最終的設計配合比確定為該組配合比。

表8 自密實混凝土性能檢測成果

3.7 性能檢測

測量出機口拌和物擴散度見表9，結(jié)果表明混凝土拌和物無泌水離析現(xiàn)象，流動性、和易性和黏聚性整體良好，并且滿足抗?jié)B、抗凍和抗壓強度設計要求。凍融試驗表明，F(xiàn)300混凝土試塊的質(zhì)量損失率≥1.0%，動彈性模量損失<10%，具有較好的抗凍性能[11-17]。

表9 自密實混凝土擴散度

4 結(jié) 論

針對引水壓力鋼管底部管道部位場地狹窄、配筋密集，用普通混凝土澆筑工作面難以展開，無法保證施工質(zhì)量等問題，詳細分析了自密實混凝土的配合比設計方法。經(jīng)現(xiàn)場抽樣，投入使用后按設計配比配制的自密實混凝土具有良好的性能，施工過程中未發(fā)現(xiàn)泌水離析現(xiàn)象，坍落度穩(wěn)定。混凝土脫模后無蜂窩麻面，外觀質(zhì)量較好，現(xiàn)場回彈檢測和試塊強度試驗結(jié)果等技術(shù)指標均符合設計要求。