非連續(xù)級配骨料水工混凝土配合比設(shè)計與應用

劉 付,劉 亮,韓先宇

(1.中國水電基礎(chǔ)局有限公司,天津 301700;2.雅礱江流域水電開發(fā)有限公司,成都 610051)

0 前言

在建筑、市政、水利行業(yè)高速發(fā)展的當今,綜合工程越來越多,雖然混凝土強度指標通用,但是建筑、市政、水利行業(yè)規(guī)范要求的骨料粒徑不一樣,如水利行業(yè)骨料粒徑為5～20 mm、20～40 mm、40～80 mm等;建筑行業(yè)骨料粒徑為5～10 mm、10～16 mm、16～31.5 mm等;市政行業(yè)骨料粒徑尺寸為5～10 mm、10～16 mm等。隨著建筑、市政工程在市場中占有率越來越大,并且石子開采環(huán)境保護限制,能夠滿足水利工程標準粒徑的石子生產(chǎn)廠家越來越少。

桐子林水電站泄洪消能系統(tǒng)技術(shù)改造工程施工前對四川省攀枝花地區(qū)砂石篩分廠考察發(fā)現(xiàn),鹽邊縣周邊大規(guī)模石子生產(chǎn)廠家僅3家,分別為攀枝花顯達工貿(mào)有限責任公司,石子粒徑為10～20 mm、10～30 mm、20～31.5 mm;龍興源工貿(mào)有限責任公司,石子粒徑為10～20 mm;阿署達工貿(mào)有限責任公司,石子粒徑為5～31.5 mm,產(chǎn)能較低。通過鹽邊縣周邊石子生產(chǎn)廠家考察發(fā)現(xiàn)沒有水利行業(yè)級配碎石,但桐子林水電站建設(shè)期有庫存粒徑40～80 mm石子。

桐子林水電站泄洪消能系統(tǒng)技術(shù)改造工程為技改修復工程,需要在2020年汛前完成技改施工任務,時間緊、任務重。輔助消能工混凝土技術(shù)要求中明確提出使用三級配混凝土。在現(xiàn)有市場調(diào)查的基礎(chǔ)上,綜合考慮選擇粒徑10～30 mm的石子和水電站庫存40～80 mm石子拌制混凝土,在源頭降低混凝土水化熱,滿足施工質(zhì)量要求。

采用10～30 mm的石子和40～80 mm石子拌制非連續(xù)三級配混凝土對配合比的設(shè)計提出新的考驗[1],桐子林技改項目試拌混凝土從調(diào)整石子的比例、砂率的大小、膠凝材料的用量來最大程度地優(yōu)化配合比,并將得到的基準配合比和連續(xù)級配骨料的配合比在試驗室內(nèi)進行性能分析,得到滿足施工要求的非連續(xù)級配混凝土配合比并在現(xiàn)場應用中進行跟蹤。

1 原材料試驗

對該工程的原材料進行試驗,原材料性能指標檢測結(jié)果:水泥見表1,小石見表2,中石見表3,砂子見表4。

表1 P.LH42.5水泥性能指標檢測結(jié)果

表2 10～30 mm碎石性能指標檢測結(jié)果

表3 40～80 mm碎石性能指標檢測結(jié)果

表4 砂子性能指標檢測結(jié)果

將上述石子的試驗結(jié)果通過不同的比例合成后得到的曲線見圖1:

圖1 石子級配曲線

圖1顯示,按照比例大石∶中石=6∶4的曲線更接近標準曲線。因此粗骨料中大石和中石的比例為大石∶中石=6∶4。但是,試驗曲線與標準曲線仍存在一定差距。為研究該差距對混凝土性能的影響,在試驗室準備足夠試樣,同時,按照標準曲線制備同樣質(zhì)量的試樣,進行試驗對比。觀察試樣的坍落度、擴展度、1 h坍落度損失、抗壓強度指標。

在進行對比試驗前,先確定試驗初步用的配合比數(shù)據(jù)。確定好初步數(shù)據(jù)后,進行現(xiàn)場骨料和標準骨料比對,進而分析調(diào)整。

2 配合比設(shè)計

2.1 混凝土性能

設(shè)計文件要求:混凝土強度等級為C25,常態(tài)混凝土,三級配,強度保證率不小于95 %,水膠比最大允許值0.55,坍落度70～90 mm。使用部位為輔助消能工連續(xù)坎和加固板。

2.2 配合比設(shè)計

擬定用水量為112 kg/m3,擬定三個不同水膠比即0.48、0.45、0.42進行對比。砂率為37 %、36 %、35 %進行對比;粉煤灰摻量按綜合經(jīng)驗值為30 %;減水劑摻量為廠家推薦值0.7 %[2]。

2.2.1 砂率確定

砂率的選擇采用固定用水量、固定水膠比0.45和粉煤灰摻量30 %,外加劑摻量0.7 %。試驗成果見表5。

從表5可得,用水量為112 kg/m3時,根據(jù)混凝土和易性等綜合因素,選擇最優(yōu)砂率為36 %。

2.2.2 水膠比確定

水膠比的確定采用固定用水量、固定砂率和粉煤灰摻量為30 %,外加劑摻量0.7 %。試驗成果見表6。

表6 水膠比選擇

按《水工混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》(DL/T 5330-2015)的規(guī)定,根據(jù)混凝土設(shè)計強度等級、強度保證率及混凝土強度標準差確定混凝土的配制強度,混凝土的配制強度計算公式為:

fcu,o=fcu,k+tσ

式中,fcu,o為混凝土配制強度( MPa),見表9;fcu,k為混凝土設(shè)計強度( MPa);t為概率度系數(shù),其值按表7選用;σ為混凝土強度標準差( MPa),其值按表8選用。

表7 保證率和概率度系數(shù)關(guān)系

表8 混凝土強度標準差參考值

表9 混凝土不同強度等級配制強度

強度等級混凝土的配制強度見表7、表8及表9。

據(jù)上述表中28 d抗壓強度及其對應的水膠比,進行混凝土抗壓強度與水膠比的線性回歸分析,28 d抗壓強度與水膠比關(guān)系為:y=-188.33x+120.35,相關(guān)系數(shù)r=0.9942,確定水膠比為0.45。

通過上述數(shù)據(jù),確定對比骨料性能采用的配合比見表10。

表10 非連續(xù)級配骨料混凝土配合比數(shù)據(jù)

2.3 試驗結(jié)果分析

按照表10中的原材料用量在試驗室內(nèi)進行試拌,在其他參數(shù)不變的情況下,只調(diào)整石子種類,試拌后進行坍落度、擴展度、泌水率比、抗壓強度等各項性能指標對比。

通過對比分析顯示(見表11):非連續(xù)級配骨料混凝土和與之對應的連續(xù)級配骨料混凝土抗壓強度幾乎沒有變化,坍落度也沒有很大變化,主要性能變化為擴展度、1 h坍落度損失、泌水率比,主要原因是因為缺少一部分5～10 mm、30～40 mm的石子,引起混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,造成混凝土流動性能下降、保水性能下降。

表11 混凝土性能統(tǒng)計分析

為了在試驗室試拌過程中得到更好工作性能的混凝土,考慮適當加入一定比例的膠凝材料,保持水膠比不變,通過增加10 %、20 %的比例膠凝材料,試拌試驗性能指標對比見表11。

通過表11數(shù)據(jù)顯示:增加10 %的膠凝材料,可以提高混凝土工作性能;增加20 %的膠凝材料,混凝土工作性能提升不明顯。

3 施工應用

根據(jù)上述4種室內(nèi)混凝土配合比的試拌情況,現(xiàn)場主要采用S-1配合比施工,局部小倉位采用S-3配合比澆筑。對S-1和S-3配合比施工使用情況比對,觀察拌制、運輸、澆筑過程中工作性能及混凝土拆模、養(yǎng)護后的表觀質(zhì)量。22倉采用S-1配合比拌制的混凝土施工,2倉采用S-3配合比拌制的混凝土澆筑。養(yǎng)護完成后,混凝土表觀質(zhì)量無明顯差異。

3.1 混凝土拌制

S-1為非連續(xù)級配混凝土,為了更好地使混凝土攪拌均勻,攪拌時間同比S-3混凝土配合比攪拌時間增加15 s(考慮S-3為連續(xù)級配,在原連續(xù)級配基礎(chǔ)上增加15 s)。攪拌后,從出機口的混凝土工作性能看:采用S-1和S-3配合比的混凝土拌合物都有較好的工作性能,其中S-1混凝土出機口坍落度為77 mm,擴展度為264 mm;S-3混凝土出機口坍落度為80 mm,擴展度為277 mm,出機口混凝土物理性能均符合施工設(shè)計要求。

3.2 混凝土運輸

考慮到S-1配合比拌制的混凝土1 h坍落度損失在試驗室內(nèi)測量結(jié)果為8 mm,為了保證混凝土穩(wěn)定的物理性能,加快混凝土入倉,縮短混凝土運輸及等待時間,運輸采用“快車少裝”的辦法。S-1比S-3配合比拌制的混凝土每車少裝2.0 m3(原連續(xù)級配基礎(chǔ)上),并且增加1輛運輸車來保證入倉強度要求。經(jīng)過運輸、性能檢測、入倉等系列流程,發(fā)現(xiàn)S-1配合比拌制的混凝土從拌制到入倉振搗的時間控制在40 min左右,有效地控制了坍落度損失,現(xiàn)場操作效果良好。

3.3 混凝土入倉

桐子林水電站連續(xù)坎、加固板混凝土澆筑采用“挖機+布料機”入倉,以布料機為主(傳輸帶傳輸),挖機為輔?？紤]到S-1配合比拌制的混凝土級配不連續(xù),在對S-1配合比拌制的混凝土澆筑時,同比S-3配合比拌制的混凝土傳送速度放緩8 %(原連續(xù)級配基礎(chǔ)上)。傳輸速度放緩后,S-1配合比拌制的混凝土入倉狀態(tài)良好,沒有產(chǎn)生骨料分散、泌水的情況,和易性較好。S-3配合比拌制的混凝土在正常的傳輸速度下表現(xiàn)良好的黏聚性、和易性。

3.4 混凝土振搗

規(guī)范的振搗作業(yè)對混凝土實體質(zhì)量起到關(guān)鍵性作用,現(xiàn)場進一步加強了對S-1配合比拌制的混凝土振搗作業(yè):挑選經(jīng)驗豐富的熟練工負責振搗,安排專業(yè)扎實的質(zhì)檢員負責監(jiān)督,嚴格執(zhí)行先平倉后振搗、直線行列1.2倍作業(yè)半徑內(nèi)直上直下、快插慢拔、徐徐提出的要領(lǐng)。同比S-3配合比拌制的混凝土,對S-1配合比拌制的混凝土振搗時間在避免過振的原則下,振搗時間適當延長5 s(原連續(xù)級配基礎(chǔ)上)。振搗后,混凝土粗骨料不再顯著下沉,不再出現(xiàn)氣泡、表面開始泛漿。S-3配合比拌制的混凝土同樣具有良好的“出漿”效果。

3.5 混凝土實體質(zhì)量情況

在拌制、運輸、入倉、振搗等環(huán)節(jié)采取一系列措施和成熟的施工工藝,最大限度地彌補了非連續(xù)級配混凝土自身物理性能的局限,保證了實體混凝土的質(zhì)量。

S-1配合比和S-3配合比拌制的混凝土拆模、養(yǎng)護后,混凝土表面均無蜂窩、麻面,表面光滑,觀感質(zhì)量良好。實際回彈強度S-1配合比拌制的混凝土平均值為30.4 MPa,S-3配合比拌制的混凝土平均值為30.8 MPa,均滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)論

(1)非連續(xù)級配骨料混凝土配合比的設(shè)計中要著重考慮骨料級配不連續(xù)對混凝土工作性能的影響[3],在本次試驗中可以看到,非連續(xù)級配骨料混凝土和同等參數(shù)下的連續(xù)級配混凝土相比,強度差別不大、坍落度差別不大、坍落度損失變大、擴展度變小、泌水率變大。

(2)非連續(xù)級配骨料混凝土的工作性能下降,對現(xiàn)場的施工水平提出了新要求。為了更好地保證施工質(zhì)量,現(xiàn)場施工會放緩澆筑速度,而從施工技術(shù)層面考慮彌補,最終混凝土的實體質(zhì)量依然可以達到優(yōu)良水平。

(3)對于特殊澆筑部位,可以調(diào)整配合比,通過采用增加10 %的膠凝材料技術(shù)措施保持水膠比不變來滿足施工進度要求,但是增加膠凝材料會增加混凝土生產(chǎn)成本。

(4)“變廢為寶”“因地制宜”是本次非連續(xù)級配骨料混凝土配合比設(shè)計的初衷,經(jīng)過一系列試驗,最后的非連續(xù)級配骨料混凝土配合比在本次桐子林水電站泄洪消能系統(tǒng)技術(shù)改造工程施工中的應用效果良好,現(xiàn)場連續(xù)坎及加固板實體觀感質(zhì)量良好,無蜂窩麻面、表面光滑。最終應用效果和試驗室試拌研究、拌合站控樓拌制、現(xiàn)場入倉澆筑施工工藝分不開。

(5)本次非連續(xù)級配骨料混凝土配合比的成功應用,也是對未來國內(nèi)水電市場萎縮,砂石供應商因市場需求大量生產(chǎn)房建類、市政類級配骨料,以致水利級配骨料缺失的情況下,為更好的拌制應用水利三級配混凝土提供了一種全新的思路和方法。