三河口水利樞紐微膨脹混凝土配合比參數優選研究

梁家文

（陜西引漢濟渭工程建設有限公司,陜西 西安 710010）

微膨脹混凝土雖然不是三河口水利樞紐的主要工程量,但因其擔負著防滲、填充等重要功能,對樞紐建筑物的安全運行發揮著重要作用。所以在微膨脹混凝土施工過程中,首先要對微膨脹混凝土配合比進行優化,以滿足現場技術要求和現場特殊環境要求。微膨脹混凝土配合比的確定是經過一系列試驗工作,得到單位體積混凝土中各原材料用量,使混凝土的各項物理性能參數滿足相應的設計指標和施工工藝要求。三可口施工現場實驗室位于楓筒溝營地,實驗室溫度控制23±5℃,濕度控制65±15%RH,有足夠的通風換氣設備,以及實驗廢氣的排放管道,保持實驗室內的空氣新鮮潔凈。實驗室應配備滿足設計要求的試驗設備。在三河口水利樞紐施工過程中,經過多次試驗,使水泥、粉煤灰、單位用水量、細骨料、粗骨料、外加劑、氧化鎂等摻和物達到了最優配置,提高了微膨脹混凝土的各項物理性能指標,在滿足規范和設計要求的條件下,保證了混凝土質量,確定了技術可行、經濟合理的微膨脹混凝土配合比。

1 工程概況

三河口水利樞紐位于陜西省漢中市佛坪縣內距大河壩鎮子午河大峽谷內,水庫總庫容為7.1 億m3,調節庫容6.5 億m3,最大壩高為141.5 m,是碾壓混凝土雙曲拱壩,混凝土總量約為110 萬m3。壩址區域巖石以弱風化和強風化為主,微風化巖體為微透水性,埋深75 m～130 m,弱風化為弱透水性,透水率1.5 Lu～9.5 Lu,強風化巖石為強～中等透水性,透水率＞10 Lu。子午河流域地處秦嶺南麓氣候濕潤、半濕潤,屬北亞熱帶氣候區。多年平均氣溫為12.3℃,最低氣溫零下16.4℃,最高氣溫37.3℃；土層凍結期為11 月到次年3 月,最大凍土深度13 cm。

2 配合比設計指標

根據《引漢濟渭三河口大壩工程招標文件》和設計圖紙,大壩微膨脹混凝土的主要設計指標見表1。

表1 微膨脹混凝土配合比試驗設計參數

3 原材料試驗

配合比試驗選用的原材料主要是：水泥采用堯柏普通硅酸鹽P.042.5（專供）水泥,粉煤灰采用華西電力F 類二級粉煤灰,減水劑選用山西康力KLN-3 萘系高效減水劑,膨脹劑選用武漢三源公司生產的MgO 作為膨脹劑,砂石骨料為本工地自行加工生產的骨料,骨料巖石性質為變質花崗巖。

3.1 水泥

選用堯柏牌P.O42.5 普通硅酸鹽（專供）水泥,其試驗結果見表2。檢測結果表明：混凝土所用水泥各指標符合《通用硅酸鹽水泥》（GB 175-2007）和設計的要求。

表2 水泥物理力學性能試驗結果

3.2 粉煤灰

粉煤灰采用華西電力F 類二級粉煤灰,其品質檢測結果見表3。檢測結果表明：所檢項目各指標符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB 1596-2017）的要求。

表3 粉煤灰品質檢測結果

3.3 骨料

3.3.1 細骨料

細骨料由本工程項目自行加工生產,品性為花崗巖,按照《水工混凝土試驗規程》（SL 352-2006）進行檢測,人工砂檢測結果見表4。檢測結果表明：人工砂所檢項目各指標滿足《水工混凝土施工規范》（SL 677-2014）的要求。

表4 人工砂品質檢測結果

3.3.2 粗骨料

粗骨料由本工程項目自行加工,巖石品性為花崗巖。首先對粗骨料進行了超遜徑、中徑篩余量、針片狀含量、含泥量、泥塊含量等參數的檢測。所檢項目各指標均滿足《水工混凝土施工規范》（SL 677-2014）要求。品質檢測結果見表5。

表5 人工碎石品質檢測結果

3.4 外加劑

本次試驗采用山西康力KLN-3緩凝高效減水劑,按照《混凝土外加劑》（GB 8076-2008）的要求,對外加劑減水率、泌水率比、凝結時間、含氣量、抗壓強度比等項目的檢測,檢測結果顯示減水劑所檢項目各指標滿足該項規范所規定的標準要求,檢測結果見表6。

表6 摻外加劑混凝土性能試驗結果

3.5 氧化鎂

選用武漢三源公司生產的MgO,作為混凝土的膨脹劑,所檢項目結果均滿足《水工混凝土摻用氧化鎂技術規范》（DL/T 5296-2013）的技術要求。檢測結果見表7。

表7 氧化鎂品質檢測結果

4 參數選擇試驗

水膠比、砂率、單位用水量、膨脹劑用量是微膨脹混凝土的主要參數,這些參數是確定和衡量混凝土各項性能的重要指標。因此首先要合理的確定這些參數,以滿足規范和設計要求。

4.1 粗骨料選擇的級配

根據工程配合比設計的經驗及現場施工條件,二級配混凝土配合比粗骨料的比例為：小石與中石各50%。

4.2 最佳砂率的選擇

混凝土最佳砂率選擇采用的方式為：先將水膠比、粉煤灰用量、單位用水量等三個參數固定,然后調整砂子含量。根據砂子含量的變化,將每組混凝土的和易性、塌落度等數據做對比,選擇和易性好、坍落度較大、流動性較好的混凝土所對應的砂率作為最優砂率。混凝土最佳砂率選擇試驗結果見表8。通過試驗對塌落度、和易性的比較,當二級配混凝土水膠比0.40 時,最佳砂率為38%。砂率與塌落度關系見圖1。

圖1 砂率與塌落度關系曲線

表8 混凝土最佳砂率選擇試驗結果

4.3 單位用水量和塌落度之間的變化規律

用水量與塌落度之間的變化規律試驗采用的方式為：首先將混凝土中的水膠比、粉煤灰用量、砂率采用固定的數據,然后通過調整用水量來分析塌落度變化,用水量與塌落度的變化曲線見圖2。用水量與塌落度變化的試驗結果見表9。試驗結果表明：混凝土坍落度隨著用水量的增加而有規律的增大,坍落度每增減10 mm,混凝土單位用水量增減約2.5 kg/m3左右。

圖2 混凝土用水量與塌落度關系曲線

表9 混凝土用水量與坍落度變化試驗結果

4.4 膨脹劑摻加量試驗

膨脹劑的摻加量根據廠家建議和指導,用量為膠合材料的6%。試驗結果見表10。

表10 混凝土膨脹率試驗結果

5 配合比設計的試驗

根據混凝土設計指標,按照《水工混凝土施工規范》（SL 677-2014）的要求,混凝土的配制強度公式為：混凝土配置強度fcu,0（MPa）=混凝土設計強度等級fcu,k（MPa）+概率度系數t（依據保證率P選定）×混凝土強度標準差σ（MPa）。

經計算,配制強度見表11。

表11 混凝土配制強度計算表

5.1 混凝土配合比試驗設計參數

根據混凝土設計指標,以及確定的最佳砂率、單位用水量選擇試驗結果,及現階段砂石骨料質量情況及現場施工條件,混凝土配合比設計參數：水膠比：0.35～0.41；砂率：二級配37%～39%；坍落度：二級配140 mm～160 mm；用水量：二級配175 kg/m3；容重：二級配 2410 kg/m3；骨料級配：二級配小石∶中石=50∶50。

5.2 混凝土配合比拌和物性能試驗

混凝土性能試驗主要是測定包括容重、凝結時間、坍落度、粘聚性、析水性等,將混凝土所需各種材料按一定比例拌合,達到最優配置,以保證混凝土質量。混凝土拌和物性能試驗結果見表12。試驗結果表明：新拌混凝土拌和物容易插搗,粘聚性較好、無石子離析情況,混凝土表面也無明顯析水現象,混凝土拌和物性能可以滿足施工和設計要求。

表12 混凝土拌和物性能試驗結果

5.3 混凝土抗壓強度試驗

在實踐中常以抗壓強度作為主要的參數。抗壓強度主要用來承受建筑物或構筑物的荷載,所以這是最重要的性能指標之一,也是評價混凝土質量的主要指標。混凝土抗壓強度試驗結果見表13 和表14。混凝土膠水比與抗壓強度關系見圖3。

圖3 C35 混凝土膠水比與抗壓強度關系

表13 混凝土抗壓強度試驗結果

表14 混凝土水膠比與抗壓強度回歸方程

5.4 最優配合比確定

經過對微膨脹混凝土試驗選取的參數進行試驗、計算分析和優化后,最終確定的配合比見表15。

表15 微膨脹混凝土優化后各參數值

6 結語

針對三河口大壩工程微膨脹混凝土抗滲、抗凍、極限拉伸等設計性能指標要求高的特點,微膨脹混凝土配合比試驗要選用合理水膠比、粉煤灰摻量及高效減水劑、引氣劑,控制好微膨脹混凝土含氣量,能夠較好地降低溫升、提高抗裂及耐久性能。根據招標文件、設計圖紙、相關混凝土規范和技術要求,通過嚴謹、科學的試驗能夠看出微膨脹混凝土優化后配合比的各參數值都滿足規范和設計要求,也為同類水文地質和氣候條件下的工程項目提供了參考。經過優選,提高了微膨脹混凝土的各項性能,確保了混凝土質量,降低了造價。