高強度抗沖磨混凝土配合比的設(shè)計和應(yīng)用

韋慶華

(廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣西 南寧 350003)

水力發(fā)電工程中，諸如導(dǎo)流孔洞、混凝土壩的中低溢流孔、沖沙閘、消力池邊墻和底板等[1-5]水工結(jié)構(gòu)的混凝土表面受到高水壓和高速水流作用，流速高達20～30 m/s。經(jīng)各種工況長期運行后，因為高速水流的強力沖刷和氣蝕，致使混凝土表面受到破壞，砼塊脫落，特別是當(dāng)高速水流中夾沙石或其它推移質(zhì)對過流表面沖擊、磨蝕和懸移質(zhì)的切削破壞作用，使得導(dǎo)流孔洞、溢流道等水工建筑物表面產(chǎn)生破壞，甚至出現(xiàn)結(jié)構(gòu)鋼筋因沒有保護層而生銹等導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效，引起嚴(yán)重后果。因此，如何提高過流表面混凝土的抗沖磨性能和耐久性，是水利工程建設(shè)必須解決的技術(shù)問題。

工程界通過不斷研究探索，目前用于提高混凝土材料抗沖耐磨性能的主要措施[6]：

① 根據(jù)建筑物所處位置的水力條件，采用C40～C60的高強度混凝土；

② 選用質(zhì)地致密和堅硬的花崗巖或石灰?guī)r作為粗骨料；

③ 采用抗沖磨高強度水泥；

④ 增大骨料表面的粗糙度，提高機械咬合作用，獲得更高的粘結(jié)力；

⑤ 混凝土內(nèi)摻入鋼屑、鋼纖維、金剛砂和硅粉等中的一種或幾種混摻，提高抗沖磨性能。

1 工程概述

國外某電站為一座高水頭、長隧洞引水式水電站。大壩區(qū)主要建筑物有堰閘壩、消力池、進水口、沉砂池和壓力引水隧洞，廠房區(qū)主要建筑物為電站廠房及開關(guān)站等。大壩由左副壩段、進水口壩段、堰閘壩段和右副壩組成，最大壩高為65 m，壩軸線長為120 m，頂寬為10 m，最大底寬為42 m。左右副壩段和墩墻的上游壩坡均為直立，下游壩坡為1∶0.8。堰閘壩段設(shè)3個泄流底孔，每孔寬7.0 m，邊墩尾端接消力池導(dǎo)流邊墻，導(dǎo)流墻長×高為55 m×16 m，墻厚為3.0m。本工程所用的混凝土強度等級如表1所示，A級是指具有低塌落度低滲透低強度的大體積混凝土，B級是指僅暴露于大氣中的特定混凝土，C級是指具有較高強度、低滲透的擋水結(jié)構(gòu)混凝土，D級是指具有高強度的預(yù)制構(gòu)件混凝土，E級是指特別高強度且耐沖磨的混凝土。

本工程河流為山區(qū)河流，推移質(zhì)顆粒大且含量高，堰閘段和消力池的溢流表面均要承受高速水流的沖刷，故堰閘段(樁號范圍為壩上0-006.200～壩下0+032.400)泄流孔底表面以及EL.1214.5高程以下閘墩側(cè)面采用t=20 mm的鋼板進行襯砌，堰閘段壩下0+032.400至壩下0+106.703(即消力池段尾坎末端)共約90 m的過流表面以及消力池導(dǎo)墻迎水側(cè)邊墻，采用高強度抗沖磨混凝土即E級混凝土，平均厚度為600 mm。

表1 各類強度等級的混凝土要求

2 E級混凝土配制

在混凝土中加入硅粉可以有效抵抗水壓和沖刷，故硅粉將用于混凝土永久性工程，硅粉的摻用量應(yīng)小于膠凝材料重量的8%。國內(nèi)外工程在設(shè)計抗沖磨混凝土?xí)r，均采用摻入一定量粉煤灰等活性顆粒的方式以求降低水化熱，避免出現(xiàn)早期裂縫。然而，多數(shù)摻合料如粉煤灰、磨細火山灰微粉、磨細磷礦渣微粉等混凝土，在齡期28 d以內(nèi)強度往往低于基準(zhǔn)混凝土，且與摻量成負相關(guān)[7]。本工程多次調(diào)整配合比參數(shù)經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，圓柱體試件均無法滿足28 d抗壓強度達到50 MPa的結(jié)果，最終放棄摻入煤灰方案。

2.1 E級砼技術(shù)要求

用于大壩永久工程的E級結(jié)構(gòu)混凝土按表2所示的規(guī)定設(shè)計：采用Φ150×300 mm混凝土圓柱體試塊，設(shè)計抗壓強度為28 d的試驗強度結(jié)果，膠凝材料用量以滿足強度、水灰比和抹面等級的規(guī)定為要求，具有高耐磨性的特種高強混凝土。攪拌室溫度為17℃～25℃，濕度50%～70%，試樣養(yǎng)護條件為 23℃±2.0℃，濕度為95%～98%。

表2 E級結(jié)構(gòu)混凝土技術(shù)要求

2.2 材料要求

1) 水

混凝土攪拌和養(yǎng)護用水為飲用水，清潔，不含酸、堿和其他污染，新鮮，不含懸浮物質(zhì)，對混凝土的強度、耐久性或永久工程的外觀無不利影響，不腐蝕鋼筋，水質(zhì)符合ASTM C94第4.1.3款的規(guī)定。

2) 水泥

使用工程當(dāng)?shù)谼.G khan有限公司生產(chǎn)的D.G水泥進行本次試驗，物理和化學(xué)性能測試結(jié)果見表3，所有性能參數(shù)滿足ASTM C150 I型硅酸鹽水泥要求。

表3 D.G水泥物理和化學(xué)性能

D.G水泥其他性能：密度為3.15 g/cm3，安定性為2.5 mm，細度(0.075 mm篩余)為2.1%，標(biāo)準(zhǔn)稠度為24.1%。

3) 粗細骨料

粗骨料取自Allai khwar河床采石場，質(zhì)地堅硬、清潔，由大壩砂石加工處理系統(tǒng)提供，粒徑范圍為4.75～19 mm，骨料的測試結(jié)果和篩分曲線分別見表4、表5和圖1、圖2，滿足規(guī)范要求。

表4 粗骨料性能

表5 細骨料性能

圖1 粗骨料篩分曲線(4.75～19 mm)

圖2 細骨料篩分曲線(0.15～4.75 mm)

4) 外加劑

采用當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的Sika-520減水劑，建議用量為膠凝材料重量的2.5%。減水劑性能檢測結(jié)果如表6所示，符合規(guī)范要求。

表6 Sika-520減水劑性能檢測結(jié)果

2.3 配合比設(shè)計過程和成果

2.3.1選擇期望的塌落度和配制強度計算

本工程混凝土轉(zhuǎn)運次數(shù)較多、運距較遠等可能導(dǎo)致較大的塌落度損失，加之澆筑空間較小，初選塌落度值為7～9 cm。按《波特蘭水泥和其他膠凝材料的高強混凝土配合比選擇(ACI211 4R—2008)》指南[8](以下簡稱指南)，本次設(shè)計抗壓強度fc=50 MPa=50×145 psi，根據(jù)式(1)可計算配制強度fcr=8 675 psi。

2.3.2粗骨料的最大粒徑

按技術(shù)要求和工程現(xiàn)場備料情況， 確定粗骨料最大粒徑為19 mm。

2.3.3初選粗骨料用量，初選用水量和含氣量

根據(jù)粗骨料最大粒徑為19 mm，細骨料細度模數(shù)在2.5～3.2之間，容積密度為1 631 kg/m3即101.81 b/yd3，查指南可得每立方混凝土粗骨料用量系數(shù)VCA為0.72，結(jié)合式(2)可算出每方粗骨料用量Ca=0.72×101.81×27=1 979 b=990 kg。

根據(jù)粗骨料最大粒徑、預(yù)期的塌落度查指南得用水量W=305 b/yd3=181 kg，初選W=185 kg和含氣量選為3%。

2.3.4初選水膠比和膠凝材料用量

根據(jù)粗骨料最大粒徑、配制強度和28 d齡期查指南得W/Cm=0.30，由于初選用水量W為185 kg，則膠凝材料用量Cm為617 kg。

2.3.5水泥用量和細骨料用量

未摻硅粉時水泥用量以617 kg計，采用絕對體積法按式(3)計算細骨料用量為626 kg。

經(jīng)過上述計算，可得到初選試驗基準(zhǔn)配合比為水：水泥：細骨料：粗骨料=185:617:626:990(kg/m3)

2.3.6摻用硅粉試配配合比

查表7，以硅粉摻量8%、水膠比0.3和減水劑摻量2.5%按式(4)計算，可得高強度混凝土試配配合比為水:水泥:硅粉:細骨料:粗骨料:減水劑=185:567:50:596:990:15.4(kg/m3)。

fcr=1.10×fc+700

(1)

Ca=VCA×BD×27

(2)

W/ρ1+C/ρ2+Sa/ρ4+Ca/ρ5=1×(1-3%)m3

(3)

W/ρ1+C/ρ2+Si/ρ3+Sa/ρ4+Ca/ρ5=1×(1-3%) m3

(4)

式中fcr為混凝土的配制強度，psi；fc為混凝體圓柱體設(shè)計抗壓強度，psi；Ca為粗骨料用量，lb，1 lb=0.5 kg；VCA為粗骨料用量系數(shù)；BD為容積密度，1 b/yd3；Si為硅粉用量，kg；W為用水量，kg；C為水泥用量，kg；Sa為砂用量，kg。

表7 材料密度

根據(jù)試配配合比試拌，觀察試拌混凝土的和易性并測量塌落度，以此為基礎(chǔ)調(diào)整配合比并提出試驗配合比，分別以水膠比為0.28、0.30和0.32和硅粉摻量為6%和8%進行組合拌制，進行7 d、14 d和28 d強度試驗。以滿足設(shè)計抗壓強度、抗沖磨性能和混凝土工作性能為主要考慮因素進行一系列試驗和調(diào)整，最終確定MP-85為E級混凝土的實驗室配合比。按照ASTM C1138采用水下鋼球法進行耐磨試驗，MP-85配合比下試樣28 d抗壓強度為52.7 MPa，72 h抗沖磨強度33.5 h/(kg/m2)，磨損率為0.87%，抗壓強度、耐磨性能和工作性能均能滿足要求。試驗結(jié)果及E級混凝土配合比參見表8。

表8 E級混凝土實驗室配合比設(shè)計成果

注：采用Φ150×300 mm圓柱體試模時，抗壓強度(fc′)與立方體抗壓強度(fcu，k)換算關(guān)系在C60以下時為fc′=0.79×fcu，k。

3 E級混凝土施工應(yīng)用

1) 與下部大體積混凝土的連接

堰閘段泄流底孔下部基礎(chǔ)為A級(相當(dāng)于C20)混凝土，基礎(chǔ)設(shè)成臺階狀，抗沖耐磨層屬于二期砼，厚度為60 cm。若耐磨層與基礎(chǔ)混凝土銜接不當(dāng)，致使層間粘結(jié)強度過小，加上高強度混凝土易干縮的性能，容易導(dǎo)致裂縫，必須對大體積混凝土的基面進行如下處理：基礎(chǔ)預(yù)埋插筋，插筋按Φ25 mm@1 000 mm，L=1 200 mm布置，外露長度約500mm，采用高壓沖毛機對基面進行沖毛，形成全毛面。

2) 混凝土施工

抗沖耐磨混凝土在拌合樓集中拌制，攪拌時間經(jīng)試驗確定為90 s，比普通混凝土攪拌時間稍長。通過3 m3攪拌車運輸至工作面前，再由塔吊轉(zhuǎn)運至工作面卸料。溢流面弧段的半徑為110 m，采用新購的標(biāo)準(zhǔn)鋼模板P3015沿著槽鋼架安裝，模板面預(yù)開進料口以便于卸料和振搗，采用直徑不大于35 mm的軟軸振搗棒仔細振搗。

抗沖耐磨混凝土設(shè)計強度達到50 MPa，未摻煤灰條件下早強水泥用量高達591 kg/m3，水化熱量大且來得快，盡管只是薄層澆筑，仍然可能出現(xiàn)表面裂縫，應(yīng)及時采取養(yǎng)護措施。底板澆筑完成5～8 h后開始灑水養(yǎng)護，拆模后覆蓋麻袋繼續(xù)養(yǎng)護，邊墻則采用養(yǎng)護劑涂抹養(yǎng)護，養(yǎng)護天數(shù)不少于28 d。拆模后立即對模板拼縫處進行打磨，使之形成較為平整光滑的曲面。

4 結(jié)語

本工程抗沖耐磨混凝土在未摻粉煤灰的前提下，通過優(yōu)選原材料、預(yù)設(shè)插筋、控制攪拌質(zhì)量和加強養(yǎng)護等辦法，確保了抗沖耐磨混凝土的施工質(zhì)量。堰閘壩和消力池過流表面經(jīng)過多個汛期的泄水考驗，承受高速水流沖刷的混凝土表面總體完好，達到抗沖耐磨效果，可為類似工程提供借鑒。