九井崗水電站大壩混凝土配合比試驗(yàn)研究

張 健

（安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院 合肥 230088）

1 概況

九井崗水電站大壩為常態(tài)混凝土拋物線(xiàn)雙曲拱壩，最大壩高96.8m，為Ⅱ級(jí)建筑物，厚高比為0.176。大壩由壩體和溢流表孔和滑雪道組成，壩體C20混凝土15.90萬(wàn)m3，溢流堰及滑雪道C30混凝土0.56萬(wàn)m3。

壩體各部位混凝土的強(qiáng)度技術(shù)指標(biāo)及各部位混凝土最大水灰比的限制見(jiàn)表1。

表1 混凝土強(qiáng)度技術(shù)指標(biāo)及不同部位混凝土的最大允許水灰比值

2 原材料試驗(yàn)

為進(jìn)行混凝土配合比試驗(yàn)，對(duì)水泥、粉煤灰、粗細(xì)骨料、骨料的堿活性、外加劑等原材料進(jìn)行了一系列檢測(cè)試驗(yàn)，試驗(yàn)情況如下。

水泥：試驗(yàn)用水泥為某公司生產(chǎn)的P.O42.5普通硅酸鹽水泥。通過(guò)對(duì)水泥的化學(xué)成分、品質(zhì)檢測(cè)，水泥的品質(zhì)指標(biāo)符合GB175-1999中規(guī)定的技術(shù)要求，但水泥細(xì)度較大，45μm篩篩余僅為0.4%，比表面積為3730cm2/g，各齡期水泥膠砂抗壓強(qiáng)度超強(qiáng)較多，從水泥膠砂和新拌混凝土性能看，都有泌水現(xiàn)象，水泥的保水性能較差。

粉煤灰：試驗(yàn)用粉煤灰為某火電廠(chǎng)出品，檢驗(yàn)結(jié)果表明該粉煤灰滿(mǎn)足GB/T1596-2005以及《水工混凝土摻用粉煤灰技術(shù)規(guī)范》（DL/T5055-1996）中Ⅱ級(jí)灰的技術(shù)要求。采用選用的P.O42.5水泥，進(jìn)行了不同粉煤灰摻量下的膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)，粉煤灰選用4個(gè)摻量，分別為10%、20%、30%和40%。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨粉煤灰摻量的增加，膠砂抗壓和抗折強(qiáng)度在降低，但抗折強(qiáng)度的下降比例低于抗壓強(qiáng)度；當(dāng)粉煤灰摻量在20%以?xún)?nèi)時(shí)，膠砂強(qiáng)度下降較低。粉煤灰摻量超過(guò)30%后，強(qiáng)度下降較快，當(dāng)粉煤灰摻量為40%時(shí)，28d齡期砂漿的抗壓和抗折強(qiáng)度分別為42.1MPa和7.9MPa，強(qiáng)度比分別為0.69和0.82。

骨料：試驗(yàn)用細(xì)骨料為天然河砂。粗骨料為花崗巖人工碎石，分為三個(gè)級(jí)配，粒徑分別為5～20mm（小石）、20～40mm（中石）、40～80mm（大石）。

砂料含泥量為0.61%，細(xì)度模數(shù)2.70，由于砂料風(fēng)化比較嚴(yán)重，飽和面干吸水率偏大，達(dá)2.52%。砂料篩分試驗(yàn)及物理性能檢測(cè)，細(xì)骨料河砂滿(mǎn)足《水工混凝土施工規(guī)范》（DL/T5144-2001）的技術(shù)要求。

粗骨料的物理性能檢測(cè)檢測(cè)結(jié)果表明小石（5～20mm）級(jí)配較差，含量偏高，10mm方孔篩篩余量為25.6%，超出規(guī)范要求。另外，片狀含量偏高。

堿活性檢驗(yàn)：對(duì)工程采用的天然砂和人工花崗巖骨料都進(jìn)行了堿活性檢驗(yàn)。試驗(yàn)采用“砂漿棒快速法”，水泥采用標(biāo)準(zhǔn)水泥，檢驗(yàn)結(jié)果表明采用的天然砂和人工花崗巖粗骨料均為非活性骨料。

外加劑：減水劑共選用兩款，分別為某建材有限公司生產(chǎn)的HT-3型緩凝高效減水劑和某廠(chǎng)生產(chǎn)的緩凝高效減水劑（簡(jiǎn)稱(chēng)為“HN”），根據(jù)檢測(cè)結(jié)果：HT-3型緩凝高效減水劑的減水率較低，僅為10.8%，屬于合格品，為低濃型萘系緩凝高效減水劑。HN型的減水率為17.9%，也為低濃型萘系緩凝高效減水劑，緩凝組分摻量較多，其凝結(jié)時(shí)間差比對(duì)比樣延長(zhǎng)近6h，不滿(mǎn)足《水工混凝土外加劑技術(shù)規(guī)程》（DL/T5100-1999）的技術(shù)要求，為超緩凝型，終凝時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。試驗(yàn)選用HT-3型緩凝高效減水劑。

引氣劑為某混凝土外加劑有限公司生產(chǎn)的ZX-YQ型引氣劑，技術(shù)指標(biāo)滿(mǎn)足要求。

3 混凝土配合比優(yōu)選試驗(yàn)

配合比優(yōu)選試驗(yàn)的目的是在滿(mǎn)足壩體結(jié)構(gòu)要求的強(qiáng)度、耐久性和施工和易性的條件下，通過(guò)試驗(yàn)優(yōu)化選擇各設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)混凝土的配合比參數(shù)，經(jīng)濟(jì)合理地確定每立方米混凝土中各組成材料的用量。混凝土配合比的參數(shù)包括水灰比、用水量、砂率、骨料級(jí)配、外加劑摻量以及粉煤灰摻量等。

混凝土配合比的優(yōu)化設(shè)計(jì)依據(jù)《水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（DL/T5330-2005），配合比計(jì)算采用絕對(duì)體積法，含氣量按3%計(jì)算，砂石骨料以飽和面干狀態(tài)下的質(zhì)量計(jì)算。

混凝土分為壩體三級(jí)配常態(tài)混凝土（C20）和溢流表孔、滑雪道等抗沖刷部位的三級(jí)配常態(tài)混凝土（C30）。各級(jí)混凝土的配制強(qiáng)度根據(jù)強(qiáng)度保證率系數(shù)，按下式計(jì)算：

fcu，o＝fcu，k＋tσ

各部位混凝土的標(biāo)準(zhǔn)差及混凝土的配制強(qiáng)度：大壩常態(tài)混凝土，三級(jí)配、設(shè)計(jì)指標(biāo)為C2820W6F50、保證率為95%、標(biāo)準(zhǔn)差為4.0MPa、配制強(qiáng)度為26.6MPa；溢流表孔、滑雪道等抗沖刷部位，三級(jí)配、設(shè)計(jì)指標(biāo)為C2830W8F100、保證率為90%、標(biāo)準(zhǔn)差為5.0MPa、配制強(qiáng)度為36.4MPa。

3.1 用水量

混凝土的用水量采用試拌法確定，固定骨料級(jí)配、外加劑摻量和粉煤灰摻量，調(diào)整用水量使混凝土的坍落度滿(mǎn)足施工要求。通過(guò)試拌，確定設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C20的混凝土的用水量為120kg/m3，設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30的混凝土的用水量為124kg/m3。

3.2 最優(yōu)砂率

最優(yōu)砂率采用試驗(yàn)法確定，通過(guò)試驗(yàn)選取。試驗(yàn)時(shí)固定混凝土用水量、水灰比、外加劑摻量和粗骨料級(jí)配等參數(shù)，通過(guò)測(cè)試不同砂率下混凝土的坍落度值，觀(guān)察其工作性以及振動(dòng)泛漿情況等，選擇坍落度值大、和易性好的一組作為最優(yōu)砂率。通過(guò)試驗(yàn)，選定兩種設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)混凝土的最優(yōu)砂率均為29%。

表2 28d齡期抗壓強(qiáng)度與水灰比的關(guān)系

3.3 粗骨料級(jí)配

粗骨料級(jí)配通過(guò)新拌混凝土的性能試驗(yàn)調(diào)整確定，試驗(yàn)選擇三個(gè)級(jí)配進(jìn)行試驗(yàn)，大石∶中石∶小石比例分別為4∶3∶3、5∶3∶2 和 5∶2.5∶2.5，用水量均為 118kg/m3，水灰比均為0.5，砂率為29%和31%，從新拌混凝土看，三個(gè)粗骨料級(jí)配對(duì)混凝土的和易性影響差別不大，塌落度為3.0～3.2cm，含氣量為3.7～5.0。推薦粗骨料最優(yōu)級(jí)配采用4∶3∶3（堆積密度最大，達(dá)到1770kg/m3，空隙率最小，為34.1%）。

3.4 水灰比和粉煤灰摻量

混凝土的最大水灰比和粉煤灰最大摻量首先要滿(mǎn)足耐久性要求，其次滿(mǎn)足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，取其中的較小值作為推薦配合比參數(shù)。試驗(yàn)選擇3個(gè)水灰比、2個(gè)粉煤灰摻量，根據(jù)不同齡期混凝土的抗壓強(qiáng)度與水灰比的關(guān)系，以及抗凍和抗?jié)B耐久性試驗(yàn)結(jié)果，確定C20混凝土的最大水灰比為0.55，粉煤灰最大摻量為30%，C30混凝土的最大水灰比為0.55，粉煤灰最大摻量為20%。混凝土不同齡期抗壓強(qiáng)度與水灰比的回歸關(guān)系見(jiàn)表2。

依據(jù)表2中28d齡期抗壓強(qiáng)度與水灰比的回歸分析方程計(jì)算，28d齡期達(dá)到配制強(qiáng)度的水灰比分別為0.570和0.513，參照表1對(duì)不同部位混凝土水灰比的限制，對(duì)水流沖刷部位的C30混凝土，推薦試驗(yàn)的水灰比為0.45，考慮到粉煤灰為Ⅱ級(jí)灰，推薦摻量為20%；對(duì)大壩混凝土，考慮到耐久性要求，以及本次試驗(yàn)用水泥強(qiáng)度超強(qiáng)較多，推薦試驗(yàn)的水灰比為0.53，粉煤灰摻量為30%，該配合比用于大壩水下及基礎(chǔ)部位（210m高程以下）和水上部位（229m高程以上），水位變化區(qū)（210～229m高程）可采用水灰比0.50，粉煤灰摻量30%。推薦的各部位混凝土配合比見(jiàn)表3。

表3 各部位混凝土配合比

4 結(jié)語(yǔ)

九井崗水電站大壩從2007年底開(kāi)始混凝土澆筑，至2010年初結(jié)束。施工期間未能做凍融和抗拉、抗折試驗(yàn)，也未能大范圍進(jìn)行實(shí)體強(qiáng)度回彈和抽芯檢測(cè)，僅從混凝土拌合性能和試塊抗壓強(qiáng)度看，混凝土的和易性和保水性和試驗(yàn)情況基本相似，所選配合比基本滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。C20混凝土試塊強(qiáng)度值為20.2～25.4MPa，推算保證率為95.5%～98%，標(biāo)準(zhǔn)差為 1.23～1.29 MPa；C30混凝土試塊強(qiáng)度值為 31.01～33.0MPa，推算保證率為96%～98%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.44～0.86MPa。混凝土試塊強(qiáng)度未出現(xiàn)超強(qiáng)較多情況，主要原因是：骨料和砂料未能達(dá)到試驗(yàn)樣品要求，砂料不是從設(shè)計(jì)選定料場(chǎng)而是從雷公井庫(kù)尾取料，庫(kù)尾砂料含泥量為1.1%～2.2%，部分含有泥塊、雜物等，雖采取過(guò)篩處理，但未能徹底清除，而且細(xì)度模數(shù)只有2.4左右；骨料為泄洪隧洞洞挖料和壩基開(kāi)挖料的加工料，針片狀含量偏大，粗骨料未能沖洗干凈，含泥量為0.6%～0.7%。由于溫控措施較為得當(dāng)，大壩混凝土未出現(xiàn)大的開(kāi)裂情況，混凝土的耐久性有待在運(yùn)行中進(jìn)一步檢驗(yàn)