廈門蓮花水庫主壩碾壓混凝土配合比優(yōu)化研究

沈志超

(廈門市交通建設(shè)工程檢測有限公司,福建 廈門 361000)

1 工程概述

廈門蓮花水庫工程位于廈門市同安區(qū),中型工程規(guī)模,正常蓄水位25.5m,設(shè)計(jì)總庫容3286萬m3,年均供水8776萬m3,工程投資約為2.5億元人民幣。工程主要建筑物有主壩、副壩和溢洪道、取水口建筑物、灌溉隧洞、擴(kuò)容護(hù)砌、上壩公路等。其中主壩為碾壓混凝土重力壩,從左至右分15個(gè)壩段,壩頂高程為30.45m,最大壩高29.45m,壩頂長度333.0m,寬度7.0m。

因受地材中粗集料超遜徑含量高、級(jí)配不良的限制,我們?cè)谶M(jìn)行蓮花水庫主壩碾壓混凝土現(xiàn)場試驗(yàn)段碾壓試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),可碾性較差,且單方水泥用較高,故需對(duì)施工單位選定的原配合比進(jìn)行優(yōu)化。以下敘述碾壓混凝土設(shè)計(jì)要求、原材料、配合比調(diào)整和優(yōu)化和優(yōu)化后碾壓混凝土性能等內(nèi)容。

2 碾壓混凝土設(shè)計(jì)要求

主壩碾壓混凝土為：C10W4F50三級(jí)配碾壓混凝土,技術(shù)要求見表1。

表1 碾壓混凝土技術(shù)要求表

3 原材料

3.1 水泥

選用福建省龍巖永定閩福水泥廠生產(chǎn)的“閩?！迸芇.0 42.5水泥,經(jīng)檢測該水泥密度為3090kg/m3,比表面積為352m2/kg,初凝時(shí)間為215min、終凝時(shí)間為294min,28天抗折強(qiáng)度為8.7MPa,28抗壓強(qiáng)度為55.8MPa。

3.2 粉煤灰

采用漳州金源建材廠生產(chǎn)的粉煤灰(Ⅱ級(jí)F類),經(jīng)檢測該粉煤灰細(xì)度為22.9%,需水量比為101%,燒失量為2.3%,含水量為0.8%,三氧化硫?yàn)?.5%,密度為2100kg/m3,28天活性指數(shù)為66.4%。

3.3 骨料

粗、細(xì)骨料均選自廈門同安區(qū)汀溪鎮(zhèn)四林村國輝石料開采場。

3.3.1 細(xì)骨料

采用天然砂,經(jīng)檢測細(xì)度模數(shù)為3.0,級(jí)配區(qū)屬為Ⅱ區(qū),表觀密度為2540kg/m3,吸水率為2.6%,堆積密度為1480kg/m3,緊密密度為1550kg/m3,含泥量為0.7%,泥塊含量為0.0%。

3.3.2 粗骨料

本工程共有5～10(mm)、5～20(mm)、20～40(mm)和40～80(mm)四種規(guī)格碎石,其中5～10(mm)是配合比優(yōu)化時(shí)新增的粗集料,20～40(mm)則在配合比優(yōu)化時(shí)被取消。對(duì)各規(guī)格碎石分別進(jìn)行了篩分析及物理性能檢測,檢測結(jié)果詳見表2、表3。

表2 粗骨料顆分檢測結(jié)果

表3 粗骨料品質(zhì)檢測結(jié)果

從檢測結(jié)果可見,四種規(guī)格碎石骨料所測物理性能滿足《水工混凝土施工規(guī)范》DL/T 5144-2015中相應(yīng)的技術(shù)要求,但40.0～80.0(mm)粗骨料偏細(xì),并且混有遜徑顆粒,其中40mm以下顆粒占59.4%,63.0～80.0(mm)骨料極少；20～40(mm)粗骨料主要集中在25.0～31.5(mm), 25.0～31.5(mm)占64.4%；5.0～20(mm)粗骨料偏粗,大于20mm的顆粒含量占56.1%,小于10mm顆粒只占6.6%。說明粗骨料顆粒級(jí)配較不連續(xù)、存在顆粒集中現(xiàn)象和較大的超遜徑顆粒含量。

3.4 外加劑

外加劑采用廈門帝翔實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的JYQ-B緩凝型高效減水劑和JYQ-D引氣劑。

3.5 拌和用水

采用廈門地區(qū)的自來水。

4 混凝土配合比調(diào)整和優(yōu)化

4.1 施工單位選定的碾壓混凝土配合比詳見表4

由表4可見,該碾壓混凝土配合比中水泥用量相對(duì)較大,不利于降低混凝土水化熱,不利于碾壓混凝土溫控與抗裂；骨料級(jí)配不良,骨料間孔隙率大,沒有足夠多的砂漿包裹并填充粗骨料間的空隙、易產(chǎn)生離析。這在試驗(yàn)段碾壓時(shí)也得到了驗(yàn)證,即：碾壓后混凝土表面質(zhì)量較差,在攤鋪后的混凝土VC值較大,與出機(jī)時(shí)的VC值相比損失嚴(yán)重,在振動(dòng)碾現(xiàn)場碾壓后,混凝土的出漿效果較差,表面凹凸不平,不同位置的壓實(shí)度偏差較大。期間也通過適當(dāng)?shù)脑黾訙p水劑的用量,來改善混凝土的可碾性,但發(fā)現(xiàn)其效果不明顯,所存在的問題依然突出。

表4 施工單位選定的碾壓混凝土配合比

4.2 混凝土配合比調(diào)整和優(yōu)化

針對(duì)以上問題我們進(jìn)行了全面的分析和研究,在工地現(xiàn)場,我們分別抽取了細(xì)集料和5-20mm、20-40mm,、40-80mm的粗集料進(jìn)行相關(guān)性能的檢測,發(fā)現(xiàn)問題的關(guān)鍵在于粗集料的級(jí)配；從改善粗集料的級(jí)配入手,并相應(yīng)調(diào)整混凝土用水量、粉煤灰摻量和砂率。

4.2.1 粗骨料最佳比例確定

由于粗骨料顆粒級(jí)配不良、存在顆粒集中現(xiàn)象和較大的超遜徑顆粒含量,中間顆粒較多,未能形成大骨料的間隙由小顆粒填充,孔隙率較低,密度較低。

我們通過加入“豆石”5～10(mm)骨料、取消20～40(mm)骨料和采用4種摻配比例進(jìn)行振實(shí)密度和空隙率比對(duì)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)最佳的振實(shí)密度范圍在1660～1690kg/m3之間,孔隙率在35.0～36.0%之間,比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果詳見表5。

表5 粗骨料組合容重試驗(yàn)結(jié)果

從表5可見,摻用“豆石”5～10(mm)骨料后,容重明顯增加,空隙率明顯減小?！岸故?～10(mm)對(duì)控制混凝土和易性、混凝土空隙率和骨料分離起關(guān)鍵作用。

其中,振實(shí)密度最大,孔隙率最小的最優(yōu)比例為：5～10(mm)：5～20(mm)：40～80(mm)=15∶40∶45。其篩分結(jié)果見表7。

通過改善粗骨料的顆粒級(jí)配,后試驗(yàn)證明,碾壓混凝土的可碾性得到明顯的提高。

4.2.2 用水量調(diào)整

在施工單位選定的三級(jí)配碾壓混凝土配合中,水泥用量相對(duì)較大,對(duì)碾壓混凝土溫控與抗裂不利。經(jīng)過調(diào)整與優(yōu)化,骨料間的空隙率減少、抗分離能力提高,可碾性增強(qiáng)。在保證滿足其它性能要求的情況下,對(duì)用水量進(jìn)行調(diào)整,每方混凝土中用水量較原選定配比減少8kg。在水膠比不變的情況下,從而降低了水泥用量,降低了生產(chǎn)成本,有利于碾壓混凝土的溫控與抗裂。

4.2.3 粉煤灰摻量調(diào)整

水泥用量相對(duì)較大,而180d強(qiáng)度有較多的富余,在保證可碾性的情況下,粉煤灰摻量調(diào)整為60%,同時(shí)將粉煤灰等質(zhì)量代替砂的比例調(diào)整為10%,從而進(jìn)一步的控制水化熱的產(chǎn)生,提高混凝土的抗裂能力；單方水泥用量降低了26%,進(jìn)一步降低了生產(chǎn)成本。

4.2.4 砂率調(diào)整

三級(jí)配碾壓混凝土配合比的砂率在原配合比基礎(chǔ)上增大3%,砂率的增大使得砂漿包裹并填充粗骨料間空隙,從而減少骨料的分離,能夠明顯的提高碾壓混凝土的可碾性。

4.3 優(yōu)化后的配合比見表7。

表6 摻用5-10mm碎石后篩分試驗(yàn)結(jié)果

表7 優(yōu)化后的碾壓混凝土配合比

5 優(yōu)化后碾壓混凝土性能試驗(yàn)結(jié)果

5.1 拌合物性能

優(yōu)化后碾壓混凝土配合比拌合物的VC值、容重、含氣量及凝結(jié)時(shí)間等性能見表8。

表8 碾壓混凝土拌和物性能試驗(yàn)結(jié)果

由此可見,經(jīng)過優(yōu)化后,碾壓混凝土的容重、VC值和含氣量滿足要求。

5.2 物理力學(xué)性能及耐久性能

兩種碾壓混凝土的7d、28d、90d抗壓強(qiáng)度、28d、90d的軸心抗壓強(qiáng)度、抗?jié)B結(jié)果和抗凍結(jié)果見表9。

表9 碾壓混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

由此可見,優(yōu)化后的碾壓混凝土其力學(xué)性能和耐久性能均能滿足設(shè)計(jì)要求。

5.3 現(xiàn)場試驗(yàn)段碾壓結(jié)果

碾壓采用 BW202AD自行式雙筒振動(dòng)碾,振動(dòng)碾倉面行走速度為 1.O～1.5km/h 。碾壓遍數(shù)為靜碾2遍+振動(dòng)碾6遍+靜碾 2遍；并用核子密度儀測定混凝土壓實(shí)后的實(shí)際密度。具體結(jié)果見表10。

表10 碾壓混凝土現(xiàn)場試驗(yàn)段試驗(yàn)結(jié)果

由此可見,優(yōu)化后的碾壓混凝土可碾性良好,碾壓后的表面質(zhì)量較優(yōu)化前得到了很大的改觀,各位點(diǎn)的壓實(shí)密度均勻,壓實(shí)度均符合設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)語

蓮花水庫碾壓混凝土配合比以調(diào)整優(yōu)化粗集料規(guī)格和級(jí)配入手,對(duì)配合比用水量粉煤灰用量和砂率進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整,解決了混凝土可碾性偏差、容重較低、混凝土水化熱較高的問題,又減少了水泥用量,降低了生產(chǎn)成本,各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求,為今后其他類似工程碾壓混凝土的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了借鑒。