大崗山水電站改性硅粉混凝土配合比設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用

李祚全

（中國(guó)水利水電第八工程局有限公司 長(zhǎng)沙市 410004）

許 航

（湖南省水利廳 長(zhǎng)沙市 410007）

1 工程概述

大崗山水電站水墊塘斷面采用復(fù)式梯形斷面，底部開挖寬度47.70，開挖基底高程926.00 m～925.00 m，底板頂高程930.00 m～928.96 m，底板厚4m，邊墻厚3.0 m，邊墻坡度為1∶0.5，在953.00 m 高程處設(shè)有5 m 寬的馬道，水墊塘頂高程為971.00 m，塘頂設(shè)有1 m 高的導(dǎo)浪墻。水墊塘在邊墻933.00 m 高程以下表面50 cm 范圍內(nèi)，采用C50 改性硅粉混凝土，其余混凝土均采用C9030 混凝土襯砌。

2 混凝土設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)

本次配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)主要為大崗山水電站水墊塘表面部位改性硅粉混凝土，混凝土設(shè)計(jì)指標(biāo)見表1。

表1 混凝土技術(shù)指標(biāo)

3 原材料試驗(yàn)

3.1 水 泥

水泥選用峨勝中熱42.5、嘉華中熱42.5 兩種水泥。中熱硅酸鹽水泥物理力學(xué)性能均符合《中熱硅酸鹽水泥、低熱硅酸鹽水泥、低熱礦渣硅酸鹽水泥》GB 200-2003 標(biāo)準(zhǔn)及大崗山水電站技術(shù)要求。

3.2 粉煤灰

粉煤灰選用云南宣威廠家的Ⅰ級(jí)粉煤灰。其品質(zhì)符合《水工混凝土摻用粉煤灰技術(shù)規(guī)程》DL/5055-2007 標(biāo)準(zhǔn)及大崗山技術(shù)指標(biāo)，屬Ⅰ級(jí)粉煤灰。

3.3 骨 料

（1）細(xì)骨料。細(xì)骨料為大崗山廠房人工砂，品質(zhì)均滿足《水工混凝土施工規(guī)范》DL/T 5144-2001 的標(biāo)準(zhǔn)及大崗山技術(shù)要求。

（2）粗骨料。粗骨料為大崗山廠房人工骨料，品質(zhì)均滿足《水工混凝土施工規(guī)范》DL/T 5144-2001的標(biāo)準(zhǔn)及大崗山技術(shù)要求。

3.4 外加劑

在混凝土中摻入適應(yīng)性好的外加劑，可有效改善混凝土的性能，一般以摻量低、流動(dòng)度大且流動(dòng)度損失小的摻量為外加劑的最佳摻量。本次試驗(yàn)主要采用JM-PCA（Ⅰ）聚羧酸高性能減水劑、山東銀凱NOF-AE 引氣劑。

3.5 硅 粉

硅粉為成都東藍(lán)星科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的微硅粉，其品質(zhì)均滿足GB/T 18736-2002 標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.6 拌和用水

拌和用水為大崗山水廠生產(chǎn)的施工用水，完全滿足相關(guān)規(guī)范要求。

4 改性硅粉混凝土配合比試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)基本條件

（1）原材料為上述所選原材料；

（2）骨料均以飽和面干狀態(tài)為基準(zhǔn)；

（3）硅粉混凝土濕篩含氣量控制在3%～5%，塌落度控制在（70～90）mm；

（4）配合比計(jì)算采用絕對(duì)體積法；

（5）混凝土試驗(yàn)采用60 L 強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)。

4.2 硅粉混凝土配合比參數(shù)的選擇

（1）骨料最佳級(jí)配選擇。不同比例的骨料級(jí)配與振實(shí)密度有直接關(guān)系，一般密度越大，空隙率越小，所需填充包裹的砂漿越少，所以常把緊密密度最大的骨料級(jí)配作為最優(yōu)級(jí)配。骨料級(jí)配與緊密密度關(guān)系試驗(yàn)結(jié)果見表2。試驗(yàn)結(jié)果表明：二級(jí)配的最優(yōu)石子比例為小石∶中石=40∶60；三級(jí)配的最優(yōu)石子比例為小石∶中石∶大石=20∶30∶50。

表2 骨料級(jí)配與緊密密度關(guān)系試驗(yàn)結(jié)果

（2）混凝土最佳砂率選擇試驗(yàn)。最佳砂率選擇試驗(yàn)采用固定水膠比和煤灰摻量，采用嘉華中熱42.5水泥、宣威Ⅰ級(jí)灰，摻1.2%的JM-PCA 減水劑，含氣按3%～5%控制；將坍落度控制在（70～90）mm，進(jìn)行比較試驗(yàn)。最佳砂率選擇試驗(yàn)結(jié)果見表3。

通過對(duì)混凝土拌和物坍落度及和易性綜合評(píng)定： 當(dāng)水膠比為0.33 時(shí)，二級(jí)配最佳砂率為37%，三級(jí)配最佳砂率為29%。

（3）外加劑摻量選擇。在混凝土中使用硅粉，如不摻減水劑，想保持相同的動(dòng)度，則必然要增加用水量，水灰比增加，摻硅粉混凝土的強(qiáng)度也上不去，這也是過去硅粉未在混凝土中推廣使用的原因之一。硅粉與減水劑聯(lián)合使用，特別是與高效減水劑聯(lián)合使用，摻用硅粉水灰比不變，用水量不增加，也能達(dá)到與未摻硅粉的混凝土具有相同的流動(dòng)度，硅粉混凝土強(qiáng)度等性能得到大幅度提高。采用江蘇博特生產(chǎn)的高效減水劑JM-PCA，根據(jù)廠家推薦摻量，結(jié)合外加劑適應(yīng)性試驗(yàn)，選擇本工程硅粉混凝土JM-PCA 摻量為1.2%。引氣劑摻量按混凝土含氣量3%～5%確定。

（4）硅粉摻量的選擇。硅粉在混凝土中摻量太少，對(duì)混凝土性能改善不大，但是摻量太多，則混凝土太粘，且干縮變形大，抗凍性差，因此，摻硅粉時(shí)，應(yīng)找出最優(yōu)摻量才能獲得最佳結(jié)果。廠家推薦摻量為5%～10%，本次試驗(yàn)在廠家推薦摻量范圍內(nèi)，選擇幾個(gè)硅粉摻量，5%、7%、9%進(jìn)行混凝土性能試驗(yàn)。試驗(yàn)成果見表4。

試驗(yàn)結(jié)果表明：在水膠比、減水劑不變的情況下，混凝土強(qiáng)度隨硅粉摻量的增加而增加。確定硅粉的最佳摻量時(shí)，在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，考慮到施工易裂的因素，所以我們選硅粉摻量5%為施工推薦摻量。

4.3 硅粉混凝土配合比及性能試驗(yàn)

改性硅粉混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C9050?？紤]混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)、耐久性要求，室內(nèi)拌制混凝土?xí)r選擇0.36、0.33、0.30 三個(gè)水膠比，原材料采用兩種中熱42.5 的水泥，粉煤灰摻量為15%，減水劑摻量為1.2%，硅粉摻量為5%，混凝土坍落度按（70～90）mm 控制，含氣量按3%～5%控制。

（1）混凝土拌和物性能試驗(yàn)?；炷涟韬臀镄阅茉囼?yàn)見表5，試驗(yàn)結(jié)果表明：混凝土拌和物的坍落度、含氣量均滿足設(shè)計(jì)要求和規(guī)范要求。

表3 混凝土最佳砂率選擇試驗(yàn)結(jié)果

表4 硅粉摻量選擇試驗(yàn)結(jié)果

表5 硅粉混凝土拌和物性能試驗(yàn)結(jié)果

（2）混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)。硅粉混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)見表6，由試驗(yàn)結(jié)果可以看出：二、三級(jí)配混凝土抗壓強(qiáng)度及劈拉強(qiáng)度相差不大。

表6 硅粉混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

硅粉混凝土抗壓強(qiáng)度與膠水比的關(guān)系式見表7。

由混凝土抗壓強(qiáng)度與膠水比線性回歸方程計(jì)算水膠比，選定水墊塘C9050 混凝土90 d 水膠比：C9050 二、三級(jí)配均取值0.33。

（3）硅粉混凝土抗?jié)B性能試驗(yàn)。硅粉混凝土抗?jié)B性能試驗(yàn)結(jié)果見表8，由試驗(yàn)結(jié)果表明：硅粉混凝土抗?jié)B等級(jí)均滿足設(shè)計(jì)要求。

（4）硅粉混凝土抗凍性能試驗(yàn)。硅粉混凝土抗凍性能試驗(yàn)結(jié)果見表9、表10，由試驗(yàn)結(jié)果表明：硅粉混凝土抗凍等級(jí)均滿足設(shè)計(jì)要求。

（5）硅粉混凝土抗沖磨性能試驗(yàn)。

5 推薦硅粉混凝土配合比

5.1 混凝土配制強(qiáng)度

根據(jù)混凝土設(shè)計(jì)指標(biāo)，混凝土強(qiáng)度保證率按照《水工混凝土施工規(guī)范》DL/T 5144-2001 規(guī)定，硅粉混凝土配制強(qiáng)度按以下公式計(jì)算：

式中 fcu,0——混凝土配制強(qiáng)度（MPa）；

fcu,k——混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)（MPa）；

t——概率度系數(shù)，依據(jù)保證率P 選定；

σ——混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差（MPa）。

保證率和概率度系數(shù)見表12，混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差按表13 取值。經(jīng)計(jì)算，混凝土配制強(qiáng)度見表14。

5.2 計(jì)算水膠比

根據(jù)混凝土試驗(yàn)成果及回歸關(guān)系式，計(jì)算滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)要求的水膠比，結(jié)合設(shè)計(jì)要求中耐久性的指標(biāo)要求，混凝土各強(qiáng)度等級(jí)計(jì)算水膠比見表15。

5.3 推薦混凝土配合比

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，大崗山水電站水墊塘推薦硅粉混凝土配合比見表16。

表7 硅粉混凝土抗壓強(qiáng)度與膠水比關(guān)系式

表8 混凝土抗?jié)B性能試驗(yàn)結(jié)果

表9 混凝土抗凍性能試驗(yàn)結(jié)果

表10 混凝土抗凍性能試驗(yàn)成果表

6 結(jié) 語(yǔ)

此次進(jìn)行大崗山水電站水墊塘混凝土配合比試驗(yàn)所采用的水泥、粉煤灰、引氣劑等均能滿足相應(yīng)規(guī)程規(guī)范的要求；品質(zhì)檢驗(yàn)合格。骨料各項(xiàng)指標(biāo)均滿足《水工混凝土砂石骨料試驗(yàn)規(guī)程》DL/T 5151-2001的標(biāo)準(zhǔn)?；炷量箟簭?qiáng)度指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求；混凝土抗凍、抗?jié)B性能指標(biāo)均能滿足設(shè)計(jì)要求。硅粉混凝土的攪拌時(shí)間應(yīng)比普通混凝土的延長(zhǎng)（0.5～1）min,以便使混凝土拌和得更均勻，防止硅粉在混凝土中成團(tuán)?；炷翐接霉璺酆?，必須加強(qiáng)早期養(yǎng)護(hù)，防止混凝土產(chǎn)生塑性收縮裂縫。

表11 硅粉混凝土的抗沖磨試驗(yàn)成果表

表12 保證率和概率度系數(shù)關(guān)系

表13 標(biāo)準(zhǔn)差σ 值

表14 混凝土配制強(qiáng)度

表15 硅粉混凝土計(jì)算水膠比表

表16 大崗山水電站水墊塘推薦常態(tài)混凝土施工配合比