廈門蓮花水庫主壩碾壓混凝土配合比優化研究

沈志超

(廈門市交通建設工程檢測有限公司,福建 廈門 361000)

1 工程概述

廈門蓮花水庫工程位于廈門市同安區,中型工程規模,正常蓄水位25.5m,設計總庫容3286萬m3,年均供水8776萬m3,工程投資約為2.5億元人民幣。工程主要建筑物有主壩、副壩和溢洪道、取水口建筑物、灌溉隧洞、擴容護砌、上壩公路等。其中主壩為碾壓混凝土重力壩,從左至右分15個壩段,壩頂高程為30.45m,最大壩高29.45m,壩頂長度333.0m,寬度7.0m。

因受地材中粗集料超遜徑含量高、級配不良的限制,我們在進行蓮花水庫主壩碾壓混凝土現場試驗段碾壓試驗中發現,可碾性較差,且單方水泥用較高,故需對施工單位選定的原配合比進行優化。以下敘述碾壓混凝土設計要求、原材料、配合比調整和優化和優化后碾壓混凝土性能等內容。

2 碾壓混凝土設計要求

主壩碾壓混凝土為：C10W4F50三級配碾壓混凝土,技術要求見表1。

表1 碾壓混凝土技術要求表

3 原材料

3.1 水泥

選用福建省龍巖永定閩福水泥廠生產的“閩福”牌P.0 42.5水泥,經檢測該水泥密度為3090kg/m3,比表面積為352m2/kg,初凝時間為215min、終凝時間為294min,28天抗折強度為8.7MPa,28抗壓強度為55.8MPa。

3.2 粉煤灰

采用漳州金源建材廠生產的粉煤灰(Ⅱ級F類),經檢測該粉煤灰細度為22.9%,需水量比為101%,燒失量為2.3%,含水量為0.8%,三氧化硫為1.5%,密度為2100kg/m3,28天活性指數為66.4%。

3.3 骨料

粗、細骨料均選自廈門同安區汀溪鎮四林村國輝石料開采場。

3.3.1 細骨料

采用天然砂,經檢測細度模數為3.0,級配區屬為Ⅱ區,表觀密度為2540kg/m3,吸水率為2.6%,堆積密度為1480kg/m3,緊密密度為1550kg/m3,含泥量為0.7%,泥塊含量為0.0%。

3.3.2 粗骨料

本工程共有5～10(mm)、5～20(mm)、20～40(mm)和40～80(mm)四種規格碎石,其中5～10(mm)是配合比優化時新增的粗集料,20～40(mm)則在配合比優化時被取消。對各規格碎石分別進行了篩分析及物理性能檢測,檢測結果詳見表2、表3。

表2 粗骨料顆分檢測結果

表3 粗骨料品質檢測結果

從檢測結果可見,四種規格碎石骨料所測物理性能滿足《水工混凝土施工規范》DL/T 5144-2015中相應的技術要求,但40.0～80.0(mm)粗骨料偏細,并且混有遜徑顆粒,其中40mm以下顆粒占59.4%,63.0～80.0(mm)骨料極少；20～40(mm)粗骨料主要集中在25.0～31.5(mm), 25.0～31.5(mm)占64.4%；5.0～20(mm)粗骨料偏粗,大于20mm的顆粒含量占56.1%,小于10mm顆粒只占6.6%。說明粗骨料顆粒級配較不連續、存在顆粒集中現象和較大的超遜徑顆粒含量。

3.4 外加劑

外加劑采用廈門帝翔實業有限公司生產的JYQ-B緩凝型高效減水劑和JYQ-D引氣劑。

3.5 拌和用水

采用廈門地區的自來水。

4 混凝土配合比調整和優化

4.1 施工單位選定的碾壓混凝土配合比詳見表4

由表4可見,該碾壓混凝土配合比中水泥用量相對較大,不利于降低混凝土水化熱,不利于碾壓混凝土溫控與抗裂；骨料級配不良,骨料間孔隙率大,沒有足夠多的砂漿包裹并填充粗骨料間的空隙、易產生離析。這在試驗段碾壓時也得到了驗證,即：碾壓后混凝土表面質量較差,在攤鋪后的混凝土VC值較大,與出機時的VC值相比損失嚴重,在振動碾現場碾壓后,混凝土的出漿效果較差,表面凹凸不平,不同位置的壓實度偏差較大。期間也通過適當的增加減水劑的用量,來改善混凝土的可碾性,但發現其效果不明顯,所存在的問題依然突出。

表4 施工單位選定的碾壓混凝土配合比

4.2 混凝土配合比調整和優化

針對以上問題我們進行了全面的分析和研究,在工地現場,我們分別抽取了細集料和5-20mm、20-40mm,、40-80mm的粗集料進行相關性能的檢測,發現問題的關鍵在于粗集料的級配；從改善粗集料的級配入手,并相應調整混凝土用水量、粉煤灰摻量和砂率。

4.2.1 粗骨料最佳比例確定

由于粗骨料顆粒級配不良、存在顆粒集中現象和較大的超遜徑顆粒含量,中間顆粒較多,未能形成大骨料的間隙由小顆粒填充,孔隙率較低,密度較低。

我們通過加入“豆石”5～10(mm)骨料、取消20～40(mm)骨料和采用4種摻配比例進行振實密度和空隙率比對試驗,發現最佳的振實密度范圍在1660～1690kg/m3之間,孔隙率在35.0～36.0%之間,比對試驗結果詳見表5。

表5 粗骨料組合容重試驗結果

從表5可見,摻用“豆石”5～10(mm)骨料后,容重明顯增加,空隙率明顯減小。“豆石”5～10(mm)對控制混凝土和易性、混凝土空隙率和骨料分離起關鍵作用。

其中,振實密度最大,孔隙率最小的最優比例為：5～10(mm)：5～20(mm)：40～80(mm)=15∶40∶45。其篩分結果見表7。

通過改善粗骨料的顆粒級配,后試驗證明,碾壓混凝土的可碾性得到明顯的提高。

4.2.2 用水量調整

在施工單位選定的三級配碾壓混凝土配合中,水泥用量相對較大,對碾壓混凝土溫控與抗裂不利。經過調整與優化,骨料間的空隙率減少、抗分離能力提高,可碾性增強。在保證滿足其它性能要求的情況下,對用水量進行調整,每方混凝土中用水量較原選定配比減少8kg。在水膠比不變的情況下,從而降低了水泥用量,降低了生產成本,有利于碾壓混凝土的溫控與抗裂。

4.2.3 粉煤灰摻量調整

水泥用量相對較大,而180d強度有較多的富余,在保證可碾性的情況下,粉煤灰摻量調整為60%,同時將粉煤灰等質量代替砂的比例調整為10%,從而進一步的控制水化熱的產生,提高混凝土的抗裂能力；單方水泥用量降低了26%,進一步降低了生產成本。

4.2.4 砂率調整

三級配碾壓混凝土配合比的砂率在原配合比基礎上增大3%,砂率的增大使得砂漿包裹并填充粗骨料間空隙,從而減少骨料的分離,能夠明顯的提高碾壓混凝土的可碾性。

4.3 優化后的配合比見表7。

表6 摻用5-10mm碎石后篩分試驗結果

表7 優化后的碾壓混凝土配合比

5 優化后碾壓混凝土性能試驗結果

5.1 拌合物性能

優化后碾壓混凝土配合比拌合物的VC值、容重、含氣量及凝結時間等性能見表8。

表8 碾壓混凝土拌和物性能試驗結果

由此可見,經過優化后,碾壓混凝土的容重、VC值和含氣量滿足要求。

5.2 物理力學性能及耐久性能

兩種碾壓混凝土的7d、28d、90d抗壓強度、28d、90d的軸心抗壓強度、抗滲結果和抗凍結果見表9。

表9 碾壓混凝土力學性能試驗結果

由此可見,優化后的碾壓混凝土其力學性能和耐久性能均能滿足設計要求。

5.3 現場試驗段碾壓結果

碾壓采用 BW202AD自行式雙筒振動碾,振動碾倉面行走速度為 1.O～1.5km/h 。碾壓遍數為靜碾2遍+振動碾6遍+靜碾 2遍；并用核子密度儀測定混凝土壓實后的實際密度。具體結果見表10。

表10 碾壓混凝土現場試驗段試驗結果

由此可見,優化后的碾壓混凝土可碾性良好,碾壓后的表面質量較優化前得到了很大的改觀,各位點的壓實密度均勻,壓實度均符合設計要求。

6 結語

蓮花水庫碾壓混凝土配合比以調整優化粗集料規格和級配入手,對配合比用水量粉煤灰用量和砂率進行優化調整,解決了混凝土可碾性偏差、容重較低、混凝土水化熱較高的問題,又減少了水泥用量,降低了生產成本,各項性能指標均滿足設計要求,為今后其他類似工程碾壓混凝土的設計和優化提供了借鑒。