特高壓工程自密實混凝土性能試驗研究

劉林田，林家興，韓榮國，郝同亮，華燁，居樂

（山東送變電工程公司，山東濟南250000）

特高壓工程自密實混凝土性能試驗研究

劉林田，林家興*，韓榮國，郝同亮，華燁，居樂

（山東送變電工程公司，山東濟南250000）

自密實混凝土性能規(guī)律的研究可對不同等級變電站防火墻的施工提供重要的參考及借鑒作用。文章基于臨沂當地自自密實混凝土原材料，開展自密實混凝土工作性能及力學試驗，研究了不同水膠比、砂率和高效減水劑含量參數下自密實混凝土的性能規(guī)律，并對試驗結果在臨沂1000 kV特高壓變電站防火墻的應用進行效益分析。結果表明：當水膠比為0.39、砂率為0.39、高效減水劑為1.0% 時，自密實混凝土工作性能達到最佳狀態(tài)，流動性較好且成型密實均勻；抗壓及抗拉強度在3～7 d增長最快，抗壓強度在28 d時均值為37 MPa，滿足了防火墻C30的等級要求；臨沂1000 kV變電站自密實混凝土防火墻采用減水劑、水泥、粉煤灰、礦粉、水、砂和碎石分別為 3.7、185、130、55、144、668、1045 kg／m3的配合比，提高了經濟和社會效益，同時滿足了防火墻的耐久性能和力學性能要求。

特高壓工程；自密實混凝土；防火墻；試驗研究

0 引言

變電站防火墻通常采用普通C30混凝土澆筑，其質量強度依賴于施工工人的振搗水平，尤其容易出現漏振現象，致使混凝土的密實均勻程度差，強度達不到要求［1-3］。但是采用自密實混凝土防火墻施工可以在混凝土澆筑過程中無需振搗只靠自重便可均勻、密實地填充復雜模型，而且高性能混凝土硬化后，滿足了防火墻強度和耐久性要求［4-5］。自20世紀80年代以來，國內外學者對自密實混凝土進行了大量的研究工作。Okamura等提出了自密實混凝土概念［6］；Ozawa通過對自密實混凝土的研究，證明了自密實混凝土具有良好的流動性、間隙通過性、抗離析性［7］。試驗過程中發(fā)現自密實混凝土良好的工作性能，不僅降低了噪聲污染，節(jié)約了勞動力，縮短了工期，而且滿足了結構耐久性和強度要求［8-12］。馮乃謙提出了流態(tài)混凝土概念［13］；北京城建集團構件廠在大流動性高強度混凝土基礎上研制了免振搗高性能混凝土，并將研究成果應用到了工程實踐中［14］。綜上所述，自密實混凝土在國內外大型復雜工程上得到了充分廣泛的應用。

但是，由于特高壓防火墻結構細薄、高細，內部鋼筋稠密復雜，強度等級要求高，目前并未見到自密實混凝土應用到特高壓變電站防火墻工程。文章收集查閱臨沂當地自密實混凝土的原材料，開展自密實混凝土工作性能及力學試驗，研究不同水膠比、砂率和高效減水劑含量參數下自密實混凝土的性能規(guī)律，并對試驗結果在臨沂1000 kV特高壓變電站防火墻的應用進行效益分析，可對不同等級變電站防火墻的施工提供重要的參考及借鑒作用。

1 材料與方法

1.1 原材料的選擇

自密實混凝土原材料就地取材，水泥選用沂南中聯(lián)水泥有限公司生產的P.O42.5R普通硅酸鹽水泥；粗骨料選用石灰石碎石，5～10 mm級配和10～20 mm級配復合使用；細骨料選用級配良好的臨沂沭河中粗砂；粉煤灰選用日照海能有限公司生產的Ι級粉煤灰；礦渣粉選用日照京華；減水劑選用臨沂高強建材有限公司生產的聚羧酸系高效減水劑（SUNBO PC-1016）；水采用飲用水。

1.2 試驗內容

采用旋轉流變儀測試自密實混凝土的屈服應力和塑性黏度；通過坍落擴展度試驗、T500試驗、L型儀試驗、U型儀試驗分別測試自密實混凝土填充性、間隙通過性、抗離析性等工作性能；采用WE-30B液壓式萬能試驗機、YNS2000電液伺服壓力試驗機分別測試自密實混凝土試件的抗壓和抗拉強度。

1.3 試驗方法

自密實混凝土防火墻配合比按固定砂石體積含量法［15-16］設計計算。試驗方案分別選取不同水膠比（0.35、0.37、0.39、0.41、0.43）、砂率（0.35、0.37、0.39、0.41）、高效減水劑摻量（0.8%、0.9%、1.0%、1.1%、1.2%）配制自密實混凝土，并分別進行流變儀試驗、坍落擴展度試驗、T500試驗、L型儀試驗、U型儀試驗測試自密實混凝土的工作性能，分析對比數據，找出最佳自密實混凝土配合比。

自密實混凝土力學性能試驗主要包括抗壓強度和抗拉強度試驗。自密實混凝土均采用100 mm×100 mm×100 mm的標準試塊，保持適宜溫度及濕度對試塊進行養(yǎng)護，養(yǎng)護至齡期取出進行試驗。試驗中分別選取上述不同的水膠比、砂率、高效減水劑摻量配制的自密實混凝土試塊，然后多組試塊分別通過液壓式萬能試驗機和電液伺服試驗機，分別在齡期3、7、28 d情況下，進行抗壓強度和抗拉強度試驗，研究水膠比、砂率和減水劑用量3個因素對自密實混凝土力學性能的影響。

2 結果與分析

2.1 不同水膠比對自密實混凝土性能的影響

2.1.1 對自密實混凝土工作性能的影響

采用水膠比為 0.35、0.37、0.39、0.41、0.43，分別進行5組自密實混凝土工作性能試驗，其結果如圖1所示。

由圖1（a）、（b）可知，隨著水膠比的增加，自密實混凝土的屈服應力呈現逐漸下降趨勢，特別是水膠比為0.39時，屈服應力最小，塑性黏度最大。由圖1（c）～（g）可知，隨著水膠比的增加，自密實混凝土的坍落度、坍落擴展度、阻滯率、填充高度均相應的增大；而T500的時間逐漸減小，說明了水膠比含量對于自密實混凝土工作性能有很大的提高，較小的水膠比會導致混凝土工作性能的損失。特別是水膠比為0.39時，自密實混凝土的填充高度及阻滯率均有很大的拐點，表明了此時自密實混凝土的工作性能較佳。

圖1 不同水膠比下自密實混凝土的工作性能曲線圖

2.1.2 對自密實混凝土力學性能的影響

為了分析不同水膠比對自密實混凝土抗壓強度和抗拉強度的影響，試驗中采用不同水膠比，分別進行自密實混凝土試塊在齡期3、7、28 d的抗壓強度和抗拉強度試驗。不同水膠比對自密實混凝土力學性能的影響如圖2所示。

圖2 不同水膠比對自密實混凝土力學性能的影響曲線圖

由圖2（a）可知，隨著水膠比的增大，自密實混凝土的抗壓強度逐漸下降，并且在3～7 d的齡期內，自密實混凝土的抗壓強度迅速增大，而7 d后增長較緩。特別是水膠比為0.39時，自密實混凝土的抗壓強度在3～7 d增加最快，在28 d抗壓強度達到37.6 MPa，滿足了自密實混凝土防火墻C30的等級要求。由圖2（b）可知，自密實混凝土的抗拉強度隨著水膠比的增大呈現逐漸下降趨勢。同樣，自密實混凝土的抗拉強度在3～7 d的齡期內增長較快，7 d后增長較緩。

2.2 不同砂率對自密實混凝土性能的影響

2.2.1 對自密實混凝土工作性能的影響

采用砂率為 0.35、0.37、0.39、0.41，分別進行 4組自密實混凝土工作性能試驗，其結果如圖3所示。

由圖3（a）、（b）可知，隨著砂率的增加，自密實混凝土屈服應力呈現先低后高趨勢。特別是當砂率為0.39時，自密實混凝土屈服應力最小，而塑性黏度呈現上升趨勢。由圖3（c）～（g）可知，當砂率小于0.39時，隨著砂率的增加，自密實混凝土的坍落度、坍落擴展度、阻滯率及填充高度逐漸升高，而T500時間逐漸減少，表明了自密實混凝土的工作性能隨著砂率的增加逐漸得到改善；當砂率大于0.39時，自密實混凝土的坍落度、坍落擴展度、阻滯率及填充高度隨著砂率增加而降低，而T500時間逐漸增加，表明自密實混凝土的工作性能開始變差。特別是砂率為0.39時，自密實混凝土各項工作性能均到達了峰值，而T500所用時間最短，此時自密實混凝土的工作性能最佳。

2.2.2 對自密實混凝土力學性能的影響

保持砂和碎石總量恒定，通過改變砂率分別進行自密實混凝土3、7、28 d的抗壓強度和抗拉強度試驗，其結果如圖4所示。

由圖4（a）可知，自密實混凝土的抗壓強度隨著砂率的增大均降低。其抗壓強度在3～7 d迅速增大，而7 d后增長較緩。尤其是當砂率為0.39時，自密實混凝土的抗壓強度在3～7 d斜率最大，增加最快，在28 d抗壓強度達到35.2 MPa，同樣滿足了自密實混凝土防火墻C30的等級要求。因此，適當增加砂率有助于提高自密實混凝土的流動性，但同時砂率的增加也會導致混凝土硬化強度的降低。由圖4（b）可知，自密實混凝土的抗拉強度隨著砂率的增大反而減小。

2.3 不同高效減水劑含量對自密實混凝土性能影響

2.3.1 對自密實混凝土工作性能的影響

采用聚羧酸系高效減水劑含量為 0.8%、0.9%、1.0%、1.1%、1.2%，分別進行 5組自密實混凝土工作性能試驗，其結果如圖5所示。

由圖5（a）、（b）可知，隨著高效減水劑含量的增加，自密實混凝土的屈服應力和塑性黏度呈現逐漸降低的趨勢。當減水劑為1.0%時，自密實混凝土的屈服應力出現明顯的的轉折點，塑性黏度最大。此時自密實混凝土流變性能較好。由圖5（c）～（f）可知，自密實混凝土的工作性能隨著高效減水劑含量的增加呈現逐漸升高趨勢，而T500時間逐漸減少，表明了自密實混凝土的工作性能隨著高效減水劑含量的增加而逐漸得到改善。當高效減水劑含量為1.0% 時，自密實混凝土的坍落擴展度、T500、填充高度在此點的曲線斜率顯著，說明減水劑含量為1.0%時，對自密實混凝土工作性能影響較大。

圖3 不同砂率下自密實混凝土的工作性能曲線圖

圖4 不同砂率對自密實混凝土力學性能的影響曲線圖

圖5 不同減水劑含量下自密實混凝土的工作性能曲線圖

2.3.2 對自密實混凝土力學性能的影響

保持砂石用量和膠凝材料恒定，通過改變聚羧酸系高效減水劑含量分別進行自密實混凝土3、7、28 d抗壓強度和抗拉強度試驗。不同減水劑含量對自密實混凝土力學性能的影響，如圖6所示。

圖6 不同減水劑含量對自密實混凝土力學性能的影響曲線圖

由圖6（a）可知，減水劑含量為 0.8%、0.9%、1.0%時，自密實混凝土的抗壓強度逐漸增加，特別是當減水劑含量為1.0% 時，抗壓強度最大為38.2 MPa。而隨著減水劑含量的增加，自密實混凝土的抗壓強度開始出現降低趨勢，表明減水劑含量過多時，混凝土拌合物發(fā)生離析分層現象，從而使自密實混凝土的屈服應力和塑性黏度降低，改變了混凝土的力學性能，使得自密實混凝土抗壓強度降低。由圖6（b）可知，適量的減水劑可以增加自密實混凝土的抗拉強度。當減水劑含量超過1.0%時，自密實混凝土的抗拉強度開始降低。因此，自密實混凝土防火墻摻入減水劑含量為1.0%時，可達到預期的強度等級。

3 效益分析

結合自密實混凝土工作性能試驗和力學試驗結果分析，臨沂1000 kV特高壓變電站自密實混凝土防火墻采用減水劑、水泥、粉煤灰、礦粉、水、砂和碎石。分別為 3.7、185、1130、55、144、668、1405 kg／m3的配合比。

3.1 經濟效益

臨沂1000 kV特高壓變電站防火墻采用自密實混凝土施工工藝符合國家電網公司“兩型一化”和“綠色環(huán)保”的要求。自密實混凝土的高流動性保證了混凝土穿過高細復雜鋼筋結構，均勻充分地填充模板，達到混凝土防火墻良好的密實效果；自密實混凝土的高穩(wěn)定性保證了混凝土質量均勻一致，不泌水、骨料不離析［17］。采用自密實混凝土防火墻，不僅提高了工作效率，改善了工作環(huán)境，而且降低了工人的勞動強度，縮短了工期，實現了防火墻的耐久性和高強度要求。

采用C30自密實混凝土防火墻的結合經濟效益主要表現為

（1）成型密實均勻，表觀質量較佳，減少了修補氣泡和麻面等修復費用。

（2）無需振搗，節(jié)省了勞動力和工器具，減少了電費、機械費及人工費。

（3）施工荷載降低，危險源隱患減少，降低了搭設腳手架及腳手板的費用。

（4）依靠自重密實成型，無需振搗，縮短了施工工期，保證了預埋管件、鋼筋位置，減少了相應的加固費用。

3.2 社會效益

臨沂1000 kV特高壓變電站采用C30自密實混凝土防火墻的社會效益主要體現為

（1）自密實混凝土原材料采用粉煤灰、礦渣，有利于廢物的利用和環(huán)境的保護。

（2）自密實混凝土無需振搗，降低了噪音污染，縮短了工程建設周期。

（3）自密實混凝土施工工藝榮獲山東送變電工程公司2016年度科學技術進步一等獎。

4 結論

通過上述研究可知：

（1）當水膠比為 0.39、砂率為 0.39、高效減水劑為1.0%時，自密實混凝土屈服應力最小，塑性黏度逐漸增大，工作性能達到了最佳狀態(tài)，呈現出較好的流動性及密實均勻程度。自密實混凝土抗壓強度在3～7 d增加最快，在28 d時抗壓強度均值為37 MPa，滿足了防火墻C30的等級要求。同時，抗拉強度在3～7 d迅速增加，在28 d時抗拉強度為4.4 MPa。

（2）臨沂1000 kV特高壓變電站自密實混凝土防火墻采用減水劑、水泥、粉煤灰、礦粉、水、砂和碎石分別為3.7、185、130、55、144、668、1045 kg／m3的配合比。混凝土依靠自重及高流動性能夠均勻、密實地填充模板，節(jié)省勞動力和工器具費用，提高了經濟和社會效益，同時滿足了防火墻耐久及力學性能要求，并且墻面色澤均勻密實，美觀漂亮。

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Experimental study on performance of self-compacting concrete of UHV engineering

Liu Lintian，Lin Jiaxing*，Han Rongguo，et al.
（Shandong Electrical Power Supply＆Transformation Engineering Co.，Ltd.，Jinan 250000，China）

The research on thematerial performance regularity of self-compacting concrete can provide important reference for the construction of differentgrade substation firewall.Based on Linyi local selfcompacting raw materials，to carry out the performance and mechanical tests of self-compacting concrete，the properties of self-compacting concrete under differentwater-cement ratio，sand rate and superplasticizer content were studied.And the benefits of the test results applied to Linyi 1000kV substation firewallwere analysed The test results were applied to Linyi 1000 kV substation firewall.The results show that when the water-cement ratio is 0.39，the sand rate is 0.39 and the superplasticizer is 1.0%，self-compacting concrete working performance has reached the best condition with better liquidity forming dense uniform.The compressive and tensile strength grows fastest during 3～7 d，and the compressive strength is at average of 37 MPa in 28th d，meeting the requirements of the firewall C30.Linyi1000 kV substation self-compacting concrete firewall is at the following ratio：water reducing agent3.7 kg／m3，cement185 kg／m3，fly ash 130 kg／m3，slag 55 kg／m3，water 144 kg／m3，sand 668 kg／m3，gravel 1045 kg／m3，improving the economic and social benefits and meeting the requirements of the durability and mechanical performance of the firewall.

UHV engineering；self-compacting concrete；firewall；experimental study

TU502

A

1673-7644（2017）05-0447-08

10.12077／sdjz.2017.05.007

2017-09-21

劉林田（1982-），男，工程師，學士，主要從事變電站工程施工及管理等方面的研究.E-mail：38183771＠qq.com

*：林家興（1989-），男，助理工程師，碩士，主要從事變電站工程施工等方面的研究.E-mail：980860359＠qq.com

（學科責編：趙成龍）