HF抗沖磨混凝土配合比試驗(yàn)研究與質(zhì)量控制

徐 懿 鄧世超

(1.貴州建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550006； 2.貴州智華工程建設(shè)有限責(zé)任公司，貴州 貴陽(yáng) 550006)

·建筑材料及應(yīng)用·

HF抗沖磨混凝土配合比試驗(yàn)研究與質(zhì)量控制

徐 懿1鄧世超2

(1.貴州建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550006； 2.貴州智華工程建設(shè)有限責(zé)任公司，貴州 貴陽(yáng) 550006)

闡述了水工抗沖磨混凝土研究現(xiàn)狀，以卡基娃電站水庫(kù)為例，探討了HF混凝土配合比的設(shè)計(jì)與試配方式，并對(duì)HF混凝土的施工質(zhì)量控制要點(diǎn)進(jìn)行了分析，以促進(jìn)水工抗沖磨混凝土的不斷發(fā)展。

混凝土，配合比，設(shè)計(jì)，試驗(yàn)研究

1 水工抗沖磨混凝土研究現(xiàn)狀

為提高水工混凝土的抗沖磨、空蝕能力，二十世紀(jì)六七十年代多采用高分子材料護(hù)面，但由于其存在與基底混凝土溫度適應(yīng)性不好，容易開(kāi)裂脫落且有毒性、污染環(huán)境、施工不便等缺點(diǎn)，80年代 以來(lái)國(guó)內(nèi)多家科研單位先后開(kāi)展了無(wú)機(jī)膠凝材料類的水工泄水建筑物抗沖磨混凝土研究和應(yīng)用，主要有:硅粉混凝土、纖維增強(qiáng)混凝土、粉煤灰混凝土、鐵鋼砂混凝土等。經(jīng)過(guò)幾十年的工程實(shí)踐，硅粉混凝土抗沖磨性能較為突出，從70年代開(kāi)始在水利水電工程中得到應(yīng)用，位于黃河河道上的小浪底工程就成功地設(shè)計(jì)和應(yīng)用了摻硅粉的抗沖磨混凝土。隨著科技進(jìn)步，90年代后期發(fā)展起來(lái)的高強(qiáng)耐磨粉煤灰混凝土(HF混凝土)，正逐步走向成熟，大有取代原工程中應(yīng)用較多的硅粉混凝土的趨勢(shì)，目前已在貴州洪家渡電站、董箐電站、四川嘉陵江金銀臺(tái)航電樞紐和錦屏一級(jí)電站等20多個(gè)工程中成功應(yīng)用。

HF混凝土的機(jī)理是利用HF外加劑激發(fā)混凝土中粉煤灰的活性，使粉煤灰可以起到與硅粉一樣的作用，使水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2發(fā)生快速反應(yīng)，生成S—C—H凝膠。由于膠凝材料與骨料之間結(jié)合力的提高，兩者強(qiáng)度差異減小，使混凝土形成一個(gè)相對(duì)的均質(zhì)材料體，不易產(chǎn)生應(yīng)力集中破壞。在空蝕和磨損作用下，整個(gè)表面基本上被均勻磨損，形成比較光滑的表面，不會(huì)出現(xiàn)普通混凝土所形成的膠凝材料和砂漿被磨掉、骨料外露現(xiàn)象。

本文通過(guò)卡基娃電站泄水建筑物抗沖磨混凝土配合比的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)，來(lái)介紹HF混凝土配制的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)、優(yōu)化其施工工藝，以完善HF抗沖磨混凝土施工，從而推進(jìn)水工抗沖磨混凝土的發(fā)展。

2 工程概況

卡基娃電站水庫(kù)正常蓄水位高程為2 850 m，相應(yīng)庫(kù)容3.58億m3；校核洪水位高程為2 853.16 m，總庫(kù)容3.859億m3，具有年調(diào)節(jié)能力。電站總裝機(jī)容量440 MW，單機(jī)容量110 MW。本工程采用混合式開(kāi)發(fā)，樞紐建筑物主要由混凝土面板堆石壩、放空洞、1號(hào)非常泄洪洞、2號(hào)泄洪洞和引水發(fā)電系統(tǒng)等建筑物組成。

本工程大壩為混凝土面板堆石壩，壩頂高程2 856 m，河床段趾板建基面高程2 685 m，最大壩高171 m，壩頂長(zhǎng)323 m，壩頂寬11 m。壩體填筑量約600萬(wàn)m3。電站泄水建筑物包括放空洞、1號(hào)泄洪洞和2號(hào)泄洪洞。

放空洞布置于左岸，為有壓洞接無(wú)壓洞，后段采用龍?zhí)ь^方式與導(dǎo)流洞結(jié)合。進(jìn)口位于左壩肩附近，進(jìn)口高程2 730 m。有壓段長(zhǎng)201.958 m，襯砌斷面為圓形，洞徑3.5 m，末端設(shè)置閘門(mén)豎井，豎井內(nèi)設(shè)平板事故門(mén)和工作門(mén)各一道，閘門(mén)底板高程2 728.00 m。閘門(mén)豎井頂部高程2 856.00 m，豎井開(kāi)挖尺寸為10.2 m×7.8 m×130 m(長(zhǎng)×寬×高)。閘門(mén)豎井后為無(wú)壓洞龍?zhí)ь^段，末端與導(dǎo)流洞相接，龍?zhí)ь^段水平投影總長(zhǎng)115 m，采用城門(mén)洞形斷面，洞寬3.5 m，洞高6 m～5.07 m。洞室采用鋼筋混凝土襯砌，有壓段襯厚0.5 m，龍?zhí)ь^段襯厚0.6 m。

1號(hào)泄洪洞布置于左岸，為豎井旋流非常泄洪洞，通過(guò)豎井后采用平面交岔方式與導(dǎo)流洞結(jié)合，由進(jìn)水口、明流上平洞段、渦室、渦井、渦井出口壓坡段和明流下平洞段組成。進(jìn)水口采用開(kāi)敞式，堰閘段長(zhǎng)20 m，堰高5 m，堰頂高程2 844 m。明流上平段長(zhǎng)83.15 m，洞寬由8 m漸變?yōu)?.82 m，洞高由10 m漸變?yōu)?5 m。渦室底高程2 820 m，穹頂頂高程為2 852 m，總高為32 m。在高程2 820 m與2 806 m之間為渦室與渦井間漸變段。渦井直徑為7 m，渦井底板高程2 690 m，總高為116 m，其中底部10 m為水墊塘。明流下平洞段總長(zhǎng)295.46 m，采用平面交岔方式與導(dǎo)流洞結(jié)合，出洞點(diǎn)底板高程2 695 m。1號(hào)泄洪洞洞室全線采用鋼筋混凝土襯砌，明流上平洞段襯厚0.8 m，渦室及渦井襯厚1 m，明流下平洞段襯厚0.6 m。

2號(hào)泄洪洞布置于右岸，洞室全長(zhǎng)約600.68 m，為有壓接無(wú)壓泄洪洞，由進(jìn)水口、有壓洞段、工作閘門(mén)室、無(wú)壓洞段、明槽擴(kuò)散段和消力池段組成。

其中：放空洞、1號(hào)泄洪洞豎井渦室及下平段過(guò)流面混凝土設(shè)計(jì)為HF抗沖磨混凝土，標(biāo)號(hào)為：C9040HFW6F100，混凝土最小襯砌厚度為50 cm。結(jié)合工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工程施工條件，設(shè)計(jì)要求該混凝土級(jí)配形態(tài)為二級(jí)配、坍落度為12 cm～16 cm、水灰比為0.38～0.41和保證率按90%取值。

3 HF混凝土配合比設(shè)計(jì)

3.1 原材料的選擇

水泥品種及強(qiáng)度選擇：根據(jù)DL/T 5207—2005水工建筑物抗沖磨防空蝕混凝土技術(shù)規(guī)范，抗沖磨混凝土優(yōu)選高強(qiáng)度的中熱水泥。結(jié)合工程所在地水泥供應(yīng)，選擇麗江P.O42.5袋裝水泥，其強(qiáng)度檢驗(yàn)指標(biāo)如表1所示。

表1 水泥強(qiáng)度檢驗(yàn)結(jié)果表 MPa

粉煤灰：根據(jù)規(guī)范要求，抗沖磨混凝土應(yīng)摻用Ⅰ，Ⅱ級(jí)粉煤灰。結(jié)合工程所在地粉煤灰供應(yīng)情況，選擇采用攀枝花寶利源Ⅱ級(jí)粉煤灰，其質(zhì)量檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。根據(jù)設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，粉煤灰摻量最大不超過(guò)25%。摻量通過(guò)優(yōu)化試驗(yàn)后按20%摻用。

表2 粉煤灰質(zhì)量檢驗(yàn)結(jié)果表

細(xì)集料：采用本工程砂石標(biāo)生產(chǎn)的人工砂，巖性為砂巖，粒徑為0 mm～5 mm。

粗集料：采用本工程砂石標(biāo)生產(chǎn)的人工碎石，巖性為砂巖。小石粒徑：5 mm～20 mm，中石粒徑：20 mm～40 mm。結(jié)合混凝土施工工藝，粗集料最大粒徑為40 mm。

水：采用生活用水。

HF外加劑：采用甘肅巨才電力技術(shù)有限公司生產(chǎn)的HF型抗沖耐磨劑(袋裝)，摻量為2%～3%。

引氣劑：采用江蘇博特引氣劑，摻量為1/10 000。

3.2 混凝土配合比的設(shè)計(jì)與試配

根據(jù)DL/T 5150—2001水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程、JGJ 55—2011普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程和DL/T 5207—2005水工建筑物抗沖磨防空蝕混凝土技術(shù)規(guī)范等規(guī)程規(guī)范和工程條件，卡基娃1號(hào)泄洪洞及放空洞C9040HFW6F100混凝土配合比相關(guān)參數(shù)確定如下：

1)配合比設(shè)計(jì)。

a.混凝土試配強(qiáng)度按下式計(jì)算：

fcu,0≥fcu,k+1.28σ=40+1.28×5.0=46.4 MPa(其中，σ取5.0 MPa)。

b.計(jì)算水膠比：

采用P.O42.5級(jí)水泥，計(jì)算水膠比：

W/C=αa×fce/(fcu,0+αa×αb×fc)=0.46×42.5/(46.4+0.46×0.07×42.5)=0.41。

本次混凝土配合比試驗(yàn)，選擇基準(zhǔn)水膠比為0.38。

c.確定用水量：

根據(jù)規(guī)范及施工要求，初步確定用水量為mw0=223 kg/m3。

外加劑減水率23%，在摻加外加劑時(shí)用水量mwa=223×(1-0.23)=172 kg/m3。

d.計(jì)算水泥用量：

粉煤灰用量按20%摻加，則水泥用量為膠凝材料的80%，用量計(jì)算如下：

mc=mwa/(W/C)×80%=172÷0.38×80%=362 kg/m3。

e.計(jì)算粉煤灰用量:

MF=172÷0.38×20%=91 kg/m3。

f.砂率:

根據(jù)設(shè)計(jì)及施工規(guī)范要求、原材料檢驗(yàn)結(jié)果，初步選定砂率為38%。

g.砂石用量:

由已確定的用水量、水泥、粉煤灰用量和砂率，根據(jù)重量法計(jì)算1 m3混凝土中砂、石用量。按混凝土拌合物假定容重2 400 kg/m3，分別計(jì)算砂石用量如下：

砂子重量：(2 400-172-362-91)×0.38=675 kg/m3。

小石用量：(2 400-172-362-91)×0.62×0.45=495 kg/m3。

中石用量：(2 400-172-362-91)×0.62×0.55=605 kg/m3。

h.外加劑:

HF按膠凝材料用量的2.5%摻加：(362+91)×2.5%=11.33 kg/m3。

江蘇博特引氣劑摻量1/10 000：(362+91)×1/10 000=0.045 kg/m3。

最終確定本次試驗(yàn)C9040HFW6F100混凝土的二級(jí)配混凝土的標(biāo)準(zhǔn)配合比見(jiàn)表3。

表3 C9040HFW6F100混凝土的二級(jí)配混凝土標(biāo)準(zhǔn)配合比

2)HF混凝土配合比試配及試驗(yàn)結(jié)果。

a.配合比試配參數(shù)。

試拌時(shí)，在0.38基準(zhǔn)水膠比基礎(chǔ)上增加0.41和0.35兩個(gè)水膠比進(jìn)行混凝土試配，以進(jìn)行優(yōu)選比較，確定最優(yōu)配合比。三種不同水膠比混凝土試配配合比見(jiàn)表4。

表4 C9040HFW6F100混凝土的二級(jí)配混凝土試配配合比

b.試拌結(jié)果。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試拌結(jié)果，0.35，0.38，0.41三種水膠比混凝土均無(wú)泌水。0.35坍落度13.1 cm，含氣量2.9%；0.38坍落度15.2 cm，含氣量3.0%；0.41坍落度18.2 cm，含氣量2.9%；初步判斷0.38水膠比拌和物的和易性、坍落度和可泵性良好，符合設(shè)計(jì)、施工工藝要求，待強(qiáng)度和相關(guān)性能驗(yàn)證合格即可使用。

3.3 混凝土配合比強(qiáng)度驗(yàn)證與配合比確定

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)嚴(yán)格按DL/T 5150—2001水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程執(zhí)行，抗沖磨試驗(yàn)采用水砂沖刷試驗(yàn)儀，測(cè)定混凝土在含砂水流沖刷下的抗沖磨強(qiáng)度；抗凍試驗(yàn)采用快速試驗(yàn)機(jī)，按快凍法進(jìn)行試驗(yàn)。

1)強(qiáng)度驗(yàn)證。

各配合比經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試拌，成型試件養(yǎng)護(hù)后測(cè)定，不同水膠比對(duì)應(yīng)的混凝土配合比7 d,28 d,90 d抗壓強(qiáng)度及抗沖磨強(qiáng)度見(jiàn)表5。養(yǎng)護(hù)90 d，經(jīng)過(guò)100次循環(huán)后，混凝土的相對(duì)損失均大于60%，重量損失小于5%，均滿足規(guī)范要求；混凝土抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果表明，混凝土的抗?jié)B標(biāo)號(hào)均大于W6。

表5 各水膠比混凝土配合比試驗(yàn)成果表

2)配合比確定。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試拌結(jié)果及強(qiáng)度驗(yàn)證結(jié)果，水膠比0.38的配合比的拌和物和易性、坍落度和可泵性更好，90 d強(qiáng)度滿足配制強(qiáng)度要求，能最大程度滿足設(shè)計(jì)和施工工藝要求。因此，選定水膠比0.38的配合比作為C9040HFW6F100施工配合比，其配比如表6所示。

表6 C9040HFW6F100混凝土的二級(jí)配混凝土施工配合比

4 混凝土強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

截止目前，卡基娃電站泄水建筑物C9040HFW6F100混凝土共取樣71組，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，平均強(qiáng)度44.80 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差σ=3.1 MPa，滿足規(guī)范要求的小于4.0 MPa；強(qiáng)度保證率為97.2%，滿足規(guī)范要求的不小于95%?，F(xiàn)場(chǎng)混凝土生產(chǎn)質(zhì)量?jī)?yōu)良。

5 HF混凝土的施工質(zhì)量控制要點(diǎn)

1)進(jìn)料次序及拌和時(shí)間。

按小石、砂子、水泥、粉煤灰、HF外加劑、中石的次序投料，拌后加水?dāng)嚢?。HF混凝土的拌和時(shí)間應(yīng)比普通混凝土的拌和時(shí)間延長(zhǎng)90 s或總拌和時(shí)間控制在不少于180 s。

2)HF外加劑投放。

須直接以干粉狀與水泥或粉煤灰一起加入攪拌機(jī)中，也可直接投入混凝土攪拌機(jī)的干料中，但應(yīng)避免直接加入無(wú)料或僅有拌和用水的料筒中。最好將HF外加劑在施工之前按每次拌和需用量稱重分裝備用。施工中應(yīng)不定期進(jìn)行抽檢。

3)合理施工分層。

底板HF混凝土厚50 cm應(yīng)一層施工完成，邊墻HF混凝土應(yīng)合理分層，注意施工縫處理。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，盡可能避免邊墻結(jié)構(gòu)混凝土出現(xiàn)過(guò)流面貼薄層HF混凝土的現(xiàn)象，不利施工，使HF混凝土與普通混凝土混澆，混凝土質(zhì)量無(wú)法保證。

4)混凝土表面成型與保護(hù)。

底板過(guò)流面收面時(shí)應(yīng)采取遮陽(yáng)、防風(fēng)措施，以免混凝土表面水分蒸發(fā)過(guò)快，影響收面，甚至引起混凝土表面龜裂。收面后，應(yīng)采用塑料薄膜覆蓋，覆蓋時(shí)應(yīng)小心，以免在混凝土表面造成壓痕。邊墻混凝土施工時(shí)，應(yīng)選用表面光潔、平整的模板，模板安裝時(shí)須注意接縫，加強(qiáng)混凝土振搗；最后注意做好混凝土的養(yǎng)護(hù)，以保證混凝土過(guò)流面的成型。

5)混凝土表面缺陷修補(bǔ)。

如成型混凝土面存在缺陷，可用環(huán)氧砂漿等材料進(jìn)行修補(bǔ)，保證混凝土過(guò)流面平整。

6 結(jié)語(yǔ)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，已建大中型水電工程有近70%由于高速含砂水流的沖刷磨損和空蝕作用，存在著不同程度的沖磨空蝕破壞問(wèn)題，導(dǎo)致建筑物過(guò)流面產(chǎn)生破壞，給建筑物帶來(lái)安全隱患。目前工程中常用的硅粉混凝土、纖維增強(qiáng)混凝土、鐵鋼砂混凝土等幾種抗沖磨混凝土，在施工時(shí)都一定程度上存在不足，而近年發(fā)展起來(lái)的HF混凝土除能獲得必須的抗沖磨強(qiáng)度和抗沖磨性能外，還一定程度上解決了原常規(guī)抗沖磨混凝土存在的拌和工藝復(fù)雜、半成品質(zhì)量穩(wěn)定性差、施工和易性差、易裂、難以作面、成本高等缺點(diǎn)，其因具有水泥用量較少、具有良好的施工和易性、拌和物質(zhì)量均勻、成型混凝土表面不易產(chǎn)生干縮裂縫和龜裂現(xiàn)象等優(yōu)點(diǎn)而正在逐步被更多工程應(yīng)用，也是對(duì)水工抗沖磨混凝土研究的一種成功補(bǔ)充。

[1] 韓蘇建.HF粉煤灰混凝土與普通混凝土抗沖磨性能試驗(yàn)研究[J].西北水資源與水工程，2003(3)：11-15.

[2] 肖培偉.瀑布溝工程放空洞HF抗沖耐磨混凝土施工技術(shù)[J].水力發(fā)電，2010(6)：87-89.

[3] 王 軍.抗沖磨混凝土在姜射壩的試驗(yàn)研究與應(yīng)用[J].貴州水力發(fā)電，2006(4)：33-34.

[4] 陳麗萍.金銀臺(tái)航電工程HF混凝土的設(shè)計(jì)與施工[J].四川水力發(fā)電，2005(5)：210-212.

On research on proportion ratio test of HF anti-abrasion concrete and quality control

Xu Yi1Deng Shichao2

(1.GuizhouConstructionSchool,Guiyang550006,China;2.GuizhouZhihuaEngineeringConstructionCo.,Ltd,Guiyang550006,China)

The paper indicates the research on hydraulic anti-abrasion concrete, taking kajiwa hydropower station reservoir as an example, explores the design and test approaches of HF concrete proportional ratio, and analyzes the construction quality control points of HF concrete, so as to enhance the development of the hydraulic anti-abrasion concrete.

concrete, proportional ratio, design, test research

2015-01-09

徐 懿(1974- )，男，高級(jí)工程師; 鄧世超(1980- )，男，工程師

1009-6825(2015)08-0130-03

TU528

A