通過調(diào)整骨料粒徑優(yōu)化配合比改善混凝土性能的研究

(中國水利水電第七工程局有限公司國際工程公司，成都，610213)

1 工程概況

塔貝拉水電站位于巴基斯坦首都伊斯蘭堡西北方，本次擴建是將原用于灌溉的4號洞改建為引水發(fā)電洞，并在原4號洞出口區(qū)域擴建廠房，新增3臺單機470MW的機組，改善電力供應(yīng)。

本工程混凝土總量約52萬m3，主要包括取水口新建進(jìn)水塔混凝土、豎井襯砌混凝土及連接段混凝土、壓力鋼管基礎(chǔ)混凝土及鎮(zhèn)墩混凝土、廠房及安裝間混凝土、零星結(jié)構(gòu)物混凝土等。

工程土建設(shè)計及施工規(guī)范采用歐美標(biāo)準(zhǔn)，混凝土類型包括Class HS01(換算強度45MPa)，Class HS02(換算強度40MPa)，Class AA(換算強度34.5MPa)，Class A(換算強度27.5MPa)，Class C(換算強度17.7MPa)等，采用28d圓柱體測試強度。根據(jù)監(jiān)理工程師的設(shè)計，主要結(jié)構(gòu)物混凝土類型為Class A及Class C，本文將以Class A及Class C混凝土為基礎(chǔ)進(jìn)行混凝土質(zhì)量控制的相關(guān)分析。

2 當(dāng)?shù)厮臍庀髼l件

根據(jù)合同提供的信息，工程所在區(qū)域夏季炎熱，3～7月平均氣溫21.7℃～31.5℃，尤其是5月至9月溫度陡升，非常高，甚至?xí)黄?0℃。12月至次年2月較寒冷，月平均氣溫13℃～15.5℃，晝夜溫差大，夜間最低可至0℃。

3 合同中對混凝土的相關(guān)描述及要求

(1)混凝土各原材料需要通過試驗滿足相關(guān)要求；

(2)混凝土強度需滿足要求，以工程量占比最大的Class A為例，要求標(biāo)稱強度為27.5MPa，最低24.05MPa，但是低于標(biāo)稱強度的比例不得超過5%；

(3)混凝土出機口溫度不超過25℃，除非另有規(guī)定?；炷翝仓髢?nèi)部水化熱溫升不超過55℃，內(nèi)外溫差不超過20℃；

(4)對于最小尺寸超過5m及方量超過500m3的混凝土澆筑需要涉及溫控混凝土，澆筑溫度需不超過20℃，其中在高溫季節(jié)，從5月至9月，廠房結(jié)構(gòu)混凝土須滿足5月不超過19℃，6月不超過17℃，7至8月不超過16℃，9月不超過18℃；

(5)關(guān)于澆筑分層，對于大體積底板不超過2.5m，廠房下部結(jié)構(gòu)不超過1.5m，小于4m厚的墻柱結(jié)構(gòu)不超過2.5m，層間間隔一般要求至少72h以上。

4 骨料對混凝土性能的影響

骨料是指在混凝土中起骨架或填充作用的粒狀松散材料，分為粗骨料和細(xì)骨料。骨料在混凝土總體積中占比大，在混凝土中起著骨架作用，可減少混凝土的收縮。通過選用適當(dāng)?shù)墓橇虾透淖児橇系募壟洌筛淖兓炷恋男阅?，良好的砂石級配還可降低混凝土中水泥的用量。

粗骨料是混凝土的主要組成材料，其特征和性能直接影響著混凝土的質(zhì)量。顆粒級配對混凝土的和易性有很大影響，直接影響混凝土的強度、抗?jié)B性、耐久性。較好的骨料級配應(yīng)該是空隙率小、總表面積小、有少量細(xì)顆粒。

細(xì)骨料就是我們通常所說的砂，其性質(zhì)的好壞直接影響著混凝土的和易性、強度、耐久性等指標(biāo)，普通混凝土宜采用細(xì)度模數(shù)2.4～2.6之間的中砂為宜，若砂子偏細(xì)或是級配不良導(dǎo)致比表面積過大，就需要消耗更多的水泥漿，使混凝土具有一定的流動性，對混凝土的耐久性、強度、密實性都有一定的影響。

根據(jù)合同，本項目粗骨料尺寸應(yīng)大于4.75mm；粗骨料需滿足ASTM C33；骨料比重不得小于2.6；破碎骨料的抗壓強度需滿足于50mm直徑，100mm長度的芯樣不低于120MPa。合同中對混凝土粗骨料是按Size 7(4.75mm～12.5mm)、Size 5(12.5mm～25mm)、Size 3(25mm～50mm)進(jìn)行分級。粗骨料粒徑要求如表1。

表1合同對粗骨料粒徑的要求

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，粗骨料來自現(xiàn)場取水口部位開挖料經(jīng)破碎系統(tǒng)加工的人工料，巖石堅硬。細(xì)骨料由于加工料級配不良，摻配部分天然料。

5 骨料粒徑調(diào)整及配比優(yōu)化前

在項目初始階段，按照合同要求的粗骨料分級進(jìn)行混凝土配合比調(diào)配，經(jīng)試驗并獲工程師批準(zhǔn)的配合比如表2所示。

表2骨料調(diào)整前不同等級混凝土的配合比 單位：kg

項目在施工前期，現(xiàn)場混凝土主要為基礎(chǔ)大體積混凝土，澆筑采用常態(tài)混凝土，基本可以滿足要求，但混凝土內(nèi)部溫升仍比較明顯。

但對于澆筑結(jié)構(gòu)混凝土，受地形條件限制只能采用泵送料進(jìn)行澆筑，而考慮一定的骨料超徑，對于25mm～50mm這一級骨料就很難滿足泵送要求，只能使用4.75mm～12.5mm、12.5mm～25mm這兩級混凝土骨料進(jìn)行澆筑。

在不調(diào)整骨料，利用上述獲批混凝土配比進(jìn)行結(jié)構(gòu)混凝土澆筑后，發(fā)現(xiàn)所澆筑混凝土容易出現(xiàn)以下問題：

(1)混凝土泌水嚴(yán)重；

(2)混凝土表面易出現(xiàn)裂縫；

(3)混凝土內(nèi)部最高溫度易超過合同要求的55℃；

(4)每批次生產(chǎn)的粗骨料接近包絡(luò)線，骨料粒徑不利于控制。

針對施工過程中易出現(xiàn)的上述問題，項目進(jìn)行反復(fù)討論研究，并且加強與監(jiān)理工程師的溝通，大家認(rèn)為合同中要求的骨料粒徑分級比常見的混凝土骨料級配偏小，小骨料意味著更多的膠凝材料摻配，也就會增加內(nèi)部水化熱溫升，且易引起裂縫的出現(xiàn)，此外，骨料生產(chǎn)不利于控制。在這種情況下，除了采取外部的降溫措施，為了改善混凝土質(zhì)量，滿足混凝土各項性能要求，優(yōu)化混凝土粗骨料粒徑、調(diào)整配合比參數(shù)勢在必行。

6 骨料粒徑調(diào)整及配比優(yōu)化后

針對混凝土存在的質(zhì)量問題，項目與監(jiān)理工程師多次召開專題討論會，研究混凝土水化熱過大的辦法。經(jīng)反復(fù)實驗論證，在保證混凝土施工質(zhì)量的前提下，采取對粗骨料粒徑進(jìn)行優(yōu)化，且原混凝土配合比相關(guān)參數(shù)隨骨料的變化而調(diào)整如表3所示。

表3骨料調(diào)整前后對比

也就是將粗骨料中小石的最大粒徑調(diào)整為19mm，中石的最大粒徑調(diào)整為38mm。

經(jīng)過與監(jiān)理工程師的反復(fù)溝通，其同意按調(diào)整后的骨料分級同步進(jìn)行配比試驗，在保證強度等級不變和混凝土工作性能的前提下，相應(yīng)地調(diào)整混凝土配合比各原材料的含量。經(jīng)過對混凝土骨料加工系統(tǒng)的篩網(wǎng)更換，并進(jìn)行粒徑變更后的粗骨料生產(chǎn)，實驗室再對篩分出的骨料進(jìn)行現(xiàn)場取樣和試驗，經(jīng)試驗，4.75mm～19mm的骨料過19mm的篩網(wǎng)過篩率為93%，19mm～38mm的骨料過38mm的篩網(wǎng)過篩率為98%，骨料生產(chǎn)滿足了合同規(guī)范要求，且級配良好。

在生產(chǎn)的新骨料滿足要求后，試驗室設(shè)計了六組混凝土配合比進(jìn)行試驗，對各原材料合理組配，在同級強度的前提下，優(yōu)化混凝土的工作性能、增加粘聚性、降低大流動度下的泌水率，求得滿足工程施工要求技術(shù)指標(biāo)的混凝土。經(jīng)過反復(fù)試驗，滿足要求并獲工程師批準(zhǔn)的混凝土配合比如表4所示。

表4骨料調(diào)整后不同等級混凝土的配合比 單位：kg

在運用骨料調(diào)整后的配合比進(jìn)行結(jié)構(gòu)混凝土澆筑后，混凝土可泵性得到提高、泌水現(xiàn)象得到改觀和消除、混凝土表面裂縫現(xiàn)象不再顯現(xiàn)、每方混凝土使用水泥量較之前有所減少、混凝土內(nèi)部最高溫度較之前有所降低并滿足合同要求。類似結(jié)構(gòu)倉號混凝土內(nèi)部溫升最高溫度對比如表5所示。

表5骨料變更前后混凝土內(nèi)部最高溫度

7 骨料調(diào)整前后效益分析

7.1 直接經(jīng)濟效益

通過對骨料調(diào)整并優(yōu)化混凝土配合比，在滿足強度和現(xiàn)場施工需要的情況下，膠凝材料使用量相應(yīng)減少，以項目占比最大的Class A(軸心抗壓強度平均值為28MPa)、坍落度為140mm～180mm的混凝土為例，骨料調(diào)整并優(yōu)化配合比后，水泥用量減少約60kg，涉及到的混凝土量約35萬m3，節(jié)約水泥用量2.1萬t，經(jīng)濟效益非常可觀。

此外，調(diào)整粒徑后，砂石系統(tǒng)骨料生產(chǎn)更易控制，效率更高，級配更優(yōu)，增效明顯。

7.2 技術(shù)效益

采用優(yōu)化后的最終混凝土配合比方案，改進(jìn)了骨料的級配，施工工期能更好地得以保證，混凝土可泵性得到提高、泌水現(xiàn)象得到改觀和消除、混凝土表觀裂縫不再顯現(xiàn)、混凝土膠凝材料使用量較之前有所減少、混凝土內(nèi)部最高溫度較之前有所降低并滿足合同要求，對后續(xù)施工具有重要的意義。

7.3 社會效益

本次混凝土骨料變更及相應(yīng)的配合比優(yōu)化方案得到了咨詢工程師的肯定。新的混凝土配合比在現(xiàn)場使用效果良好，保證了現(xiàn)場施工快速、有條不紊地進(jìn)行，為項目按期實現(xiàn)發(fā)電目標(biāo)奠定了堅實的基礎(chǔ)。

8 結(jié)語

混凝土是工程建設(shè)過程中的常用材料，混凝土的質(zhì)量控制對工程最終質(zhì)量至關(guān)重要，而混凝土配置及澆筑質(zhì)量與多方面因素有關(guān)，在混凝土配置施工過程中，要對原材料進(jìn)行科學(xué)合理的選擇，并根據(jù)出現(xiàn)的問題，進(jìn)行分析論證，最終確定滿足要求的配合比。本文結(jié)合塔貝拉項目在混凝土施工過程中，通過與工程師加強溝通，采取調(diào)整優(yōu)化合同中的骨料粒徑分級，并優(yōu)化配合比的方式，有效改善混凝土性能的做法和思路進(jìn)行了介紹，希望對后續(xù)工程有啟發(fā)和借鑒意義。