兩河口水電站二級(jí)配擴(kuò)大粗骨料粒徑(二級(jí)半)混凝土性能試驗(yàn)

王 媛,張東明,施召云

(1.成都大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院,四川 成都 610106;2.雅礱江流域水電開發(fā)有限公司,四川 成都 610056)

0 引 言

兩河口水電站是雅礱江中下游的控制性龍頭水庫電站，壩址位于雅礱江干流與支流鮮水河的匯口下游約為3 km處，距雅江縣城約為25 km，壩址控制流域面積為65 700 km2，多年平均流量為666 m3/s，水庫正常蓄水位為2 865.0 m，正常蓄水位以下庫容為10.167×109m3，調(diào)節(jié)庫容為6.56×109m3，具多年調(diào)節(jié)性能，電站裝機(jī)容量為3 000 MW.

兩河口水電站施工用混凝土總量約為3.6×106m3，且多為結(jié)構(gòu)混凝土，其中二級(jí)配混凝土總量約為2.5×106m3.同時(shí)，兩河口水電站骨料料源為砂板巖加工，骨料針片狀、類針片狀顆粒含量高、波動(dòng)大，其中針片狀含量約為7%～30%；緊密堆積狀態(tài)下的空隙率在40%～44%之間.骨料條件差這一狀況致使骨料粒形及級(jí)配差、空隙率大，比表面積大，與水泥漿體接觸面增加，表面吸水量增加，摩阻力增大，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土單位用水量和膠凝材料用量高，澆筑過程易產(chǎn)生問題.

兩河口水電站砂板巖骨料在粒形選擇受限的情況下，本試驗(yàn)通過擴(kuò)展骨料級(jí)配，適當(dāng)增加最大骨料粒徑，進(jìn)一步改善級(jí)配，將原來二級(jí)配混凝土最大粒徑擴(kuò)展至40～60 mm范圍，從而降低骨料空隙率，減小用水量和膠凝材料用量，在施工性能相當(dāng)?shù)臈l件下，降低水化熱溫升、提高混凝土綜合性能、降低了混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)、降低了工程造價(jià).

水工混凝土用骨料，目前主要?jiǎng)澐譃?～20 mm、20～40 mm、40～80 mm及80～120 mm(150 mm)4種，其中40～80 mm及80～120 mm(150 mm)主要用于水工大壩混凝土.5～20 mm及20～40 mm兩種骨料多組合使用，用于水工其它結(jié)構(gòu)性混凝土.因?yàn)槭苁┕r(shí)鋼筋保護(hù)層厚度、鋼筋間距等因素影響，骨料粒徑不宜太大，一般不超過40 mm，部分混凝土甚至采用一級(jí)配骨料，最大粒徑僅為20 mm.

水工混凝土中骨料所占體積較高，由于不參與水泥復(fù)雜的水化反應(yīng)，一直被視為一種簡單的惰性填充料.隨著混凝土研究的不斷深入，工程界越來越認(rèn)識(shí)到骨料對(duì)于混凝土性能的重要性.在骨料品質(zhì)中通常被看重的是骨料強(qiáng)度和含泥量等指標(biāo)，而忽視骨料級(jí)配和粒形的重要性，認(rèn)為后者無外乎增加用水量和水泥用量的問題，很少從耐久性角度去重視骨料級(jí)配等品質(zhì)問題.

根據(jù)Fuller最大密實(shí)度曲線理論，固體顆粒按粒度大小有規(guī)則地組合排列，按照優(yōu)化組合試驗(yàn)結(jié)果粗細(xì)搭配，可以得到密度最大、空隙最小的組合骨料，由此降低配合比用水量和膠凝材料用量，改善混凝土工作性能，提高其強(qiáng)度和體積穩(wěn)定性.通過擴(kuò)展骨料級(jí)配，由原來的5～20 mm及20～40 mm二級(jí)配擴(kuò)展至40～60 mm(50 mm)范圍，進(jìn)而降低骨料空隙率，使得混凝土制備時(shí)用水量和膠凝材料用量降低，從而提高混凝土綜合性能.

為解決兩河口水電站混凝土采用砂板巖制骨料引起的問題，進(jìn)一步降低混凝土單位用水量和膠凝材料用量，改善混凝土施工性能及硬化力學(xué)、耐久性能，通過擴(kuò)展粗骨料級(jí)配范圍，以期降低骨料空隙率及比表面積，進(jìn)而降低混凝土單位用水量和膠凝材用量，由此改善混凝土性能.可為其它工程解決類似問題提供借鑒和參考意義.

1 研究思路

1.1 粗骨料優(yōu)化組合比例研究

粗骨料各級(jí)比例不同可使組合骨料空隙率不同，良好的顆粒級(jí)配組合不僅可以增加骨料堆積密度、降低空隙率，提高混凝土的密實(shí)度，還能節(jié)約砂漿，降低干縮開裂風(fēng)險(xiǎn)，改善混凝土抗?jié)B性能.基于上述原因，開展粗骨料不同級(jí)配下的組合試驗(yàn)，根據(jù)緊密堆積理論比選最優(yōu)骨料組合是本試驗(yàn)關(guān)鍵工作.

1.2 粒級(jí)擴(kuò)展前后的配合比參數(shù)對(duì)比試驗(yàn)研究

粗骨料粒徑的變化，必然導(dǎo)致骨料粒形、級(jí)配等因素變化，進(jìn)而導(dǎo)致不同粒徑下同一混凝土配合比參數(shù)的變化.隨著骨料粒徑范圍的增加，骨料粒徑的增大，水膠比如何調(diào)整，混凝土性能如何變化，需要結(jié)合骨料粒徑擴(kuò)展前后，開展強(qiáng)度—膠水比關(guān)系試驗(yàn)，建立強(qiáng)度—膠水比關(guān)系曲線，以確定推薦水膠比.

2 骨料粒徑優(yōu)化組合試驗(yàn)

2.1 骨料制備及品質(zhì)檢測

試驗(yàn)用骨料粒徑為5～20 mm、40～60 mm，均為人工篩分加工，20～40 mm顆粒為砂石骨料加工系統(tǒng)生產(chǎn)的成品骨料.各級(jí)骨料性能檢測結(jié)果如表1所示.

表1 粗、細(xì)骨料性能檢測結(jié)果

2.2 Fuller理論與工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)條件下的摻配比例選擇

根據(jù)Fuller最大密度理論曲線方程式(式1)設(shè)計(jì)的骨料級(jí)配，混凝土能獲得最大密度的理論曲線.

(1)

式中，P為骨料通過篩孔孔徑為d的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)；d為篩孔的孔徑,/mm；Dmax為骨料最大粒徑,/mm.

本試驗(yàn)中根據(jù)Fuller最大密度理論曲線計(jì)算的粗細(xì)骨料摻配比例如表2所示.

表2 粗、細(xì)骨料摻配比例Fuller級(jí)配曲線計(jì)算結(jié)果

水電工程常用骨料比例與Fuller曲線級(jí)配不盡相同，本試驗(yàn)擬在Fuller級(jí)配曲線和工程經(jīng)驗(yàn)級(jí)配中選擇密實(shí)度高的級(jí)配組合，不同骨料摻配比例及物理性狀如表3所示.

表3 基于Fuller級(jí)配曲線的粗、細(xì)骨料摻配及經(jīng)驗(yàn)摻配比例與物理性狀

可見，骨料比例在(5～20)mm∶(20～40)mm∶(40～60)mm約為2∶3∶5，(5～20)mm∶(20～40)mm∶(40～60)mm約為3∶3∶4情況下，緊密堆積密度分別為1 790 kg/m3和1 780 kg/m3，在各種比例組合中較密實(shí)，空隙率較小，因此，混凝土配合比試驗(yàn)中骨料組合選擇(5～20)mm∶(20～40)mm∶(40～60)mm=3∶3∶4.

3 混凝土配合比試驗(yàn)

3.1 混凝土強(qiáng)度等級(jí)及配合比設(shè)計(jì)參數(shù)選取

本試驗(yàn)根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)選取1種水電工程常用強(qiáng)度等級(jí)混凝土(C25)，拌制試驗(yàn)用2.5級(jí)配C25混凝土，該強(qiáng)度等級(jí)下配合比設(shè)計(jì)參數(shù)見表4.

表4 混凝土強(qiáng)度等級(jí)及其配合比設(shè)計(jì)參數(shù)

3.2 混凝土配制強(qiáng)度

混凝土C25配制強(qiáng)度計(jì)算如下.

fcu,o=fcu,k+1.645×σ

=25+1.645×4.5

=32.4 MPa

(2)

3.3 確定水膠比

根據(jù)混凝土抗壓強(qiáng)度與水膠比關(guān)系，常態(tài)C25混凝土計(jì)算水膠比及推薦水膠比如表5所示.

表5 常態(tài)C25混凝土計(jì)算水膠比和初步推薦水膠比表

考慮到現(xiàn)場原材料波動(dòng)，實(shí)際制備的水膠比在計(jì)算水膠比基礎(chǔ)上提高0.04強(qiáng)度等級(jí)，即0.49.在該水膠比水平上，粗骨料形狀對(duì)于混凝土抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度影響較小[1-2].

3.4 初選配合比

選擇P·MH42.5中熱水泥，粉煤灰摻量依據(jù)能夠有效抑制砂板巖骨料堿活性為原則，初步確定為20%；根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)并經(jīng)室內(nèi)試拌、調(diào)整，粉煤灰具體摻量初步確定為125 kg/m3；制備過程中，添加高性能聚羧酸系減水劑及引氣劑.

結(jié)合骨料優(yōu)化組合試驗(yàn)成果，經(jīng)室內(nèi)試拌、調(diào)整，初步確定為0.45水膠比下的砂率為37%；根據(jù)生產(chǎn)廠家推薦摻量，混凝土的含氣量控制在3.5%～5.5%，坍落度以滿足控制指標(biāo)要求為原則[3-7].本次常態(tài)C25混凝土初步推薦配合比如表6所示.

表6 常態(tài)C25二級(jí)半混凝土初步推薦配合比表

在該配合比下的制備的混凝土強(qiáng)度如表7所示.

表7 常態(tài)C25二級(jí)半混凝土強(qiáng)度

4 混凝土比較試驗(yàn)

為進(jìn)一步研究不同骨料比例、不同骨料級(jí)配對(duì)于混凝土配合比參數(shù)及其強(qiáng)度的影響，本研究對(duì)于不同級(jí)配和不同骨料組合比例混凝土之間差異開展了系統(tǒng)常態(tài)C25混凝土比較試驗(yàn).

4.1 不同骨料比例的比較試驗(yàn)

針對(duì)(5～20)mm∶(20～40)mm∶(40～60)mm約為2∶3∶5和(5～20)mm∶(20～40)mm∶(40～60)mm約為3∶3∶4的骨料組合比例，參與比較的混凝土配合比如表8所示.

表8 不同骨料比例混凝土比較試驗(yàn)配合比參數(shù)表

不同骨料比例混凝土實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表9所示.

表9 不同骨料比例混凝土試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表

上述結(jié)果表明，(5～20)mm∶(20～40)mm∶(40～60)mm骨料比例為3∶3∶4時(shí),混凝土強(qiáng)度指標(biāo)較好.

4.2 不同級(jí)配的比較試驗(yàn)

針對(duì)二級(jí)配半混凝土與原二級(jí)配混凝土的試驗(yàn)配合比如表10所示.

表10 不同骨料級(jí)配混凝土比較試驗(yàn)配合比參數(shù)表

5 結(jié) 語

混凝土單位用水量試驗(yàn)結(jié)果表明：二級(jí)半混凝土相對(duì)于二級(jí)配混凝土，由于骨料粒徑范圍的增加，單位用水量降低約為15～20 kg.濕篩后，混凝土含氣量檢測結(jié)果略呈增加趨勢(shì)，混凝土坍落度增加明顯，但是倒坍落度桶擴(kuò)展度試驗(yàn)結(jié)果不受影響，說明常態(tài)混凝土在保證相同和易性下，隨著粒徑范圍的變寬，混凝土施工性能未受顯著影響[8].隨著骨料粒徑范圍的變化，混凝土強(qiáng)度略有提高.骨料水洗前后混凝土單位用水量差異較大，骨料水洗后外加劑塑化效能發(fā)揮更加明顯，本研究對(duì)混凝土配合比綜合優(yōu)化措施中的砂石系統(tǒng)建設(shè)、選型等可起到一定參考作用.可考慮進(jìn)一步深入開展骨料水洗前后的混凝土配合比室內(nèi)相關(guān)試驗(yàn)工作.

本試驗(yàn)探索了砂板巖混凝土骨料條件下，通過擴(kuò)大二級(jí)配混凝土最大骨料粒徑、改善不同級(jí)配骨料比例以及完善相應(yīng)配套施工措施，從而降低傳統(tǒng)二級(jí)配混凝土單位用水量和膠凝材料用量，達(dá)到降低混凝土水化熱溫升、改善混凝土綜合性能指標(biāo)以及節(jié)約投資等.同時(shí)，也為其他水電工程混凝土設(shè)計(jì)、施工提供經(jīng)驗(yàn)借鑒.