二級(jí)配混凝土擴(kuò)大粗骨料粒徑試驗(yàn)研究

吳 火 兵

(雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川 成都 610051)

1 概 述

兩河口水電站規(guī)模巨大，混凝土設(shè)計(jì)總量約360萬(wàn)m3，其中，二級(jí)配混凝土總用量約250萬(wàn)m3。兩河口水電站骨料料源為砂板巖，骨料針片狀、類針片狀顆粒含量高[1]，導(dǎo)致骨料粒形及級(jí)配差，緊密堆積狀態(tài)下的空隙率整體偏大、比表面積大，吸水量大，混凝土單位用水量和膠凝材用量高，且會(huì)降低新拌混凝土施工性能、力學(xué)性能，不利于混凝土質(zhì)量控制[2]。

2 研究目的

水工混凝土常用骨料主要?jiǎng)澐譃?～20 mm、20～40 mm、40～80 mm及80～150 mm四種[3]。針對(duì)兩河口骨料粒形選擇受限的實(shí)際情況，在施工條件允許的情況下，研究通過(guò)擴(kuò)展二級(jí)配混凝土骨料級(jí)配，適當(dāng)增大最大骨料粒徑，改善骨料級(jí)配，降低骨料空隙率，減小用水量和膠凝材用量，從而降低水化熱溫升、降低混凝土開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)、降低工程造價(jià)，保障混凝土工程質(zhì)量，擬研究分析將二級(jí)配混凝土調(diào)整為二級(jí)半混凝土(即骨料最大粒徑擴(kuò)展至40～60 mm范圍)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性。

3 主要研究?jī)?nèi)容及成果

3.1 采用的原材料

水泥為嘉華特種水泥股份有限公司生產(chǎn)的P·MH42.5中熱水泥；粉煤灰采用貴州粵黔電力有限責(zé)任公盤南電廠生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)F類粉煤灰；外加劑為江蘇博特新材料有限公司生產(chǎn)的SBTJM-ⅡC型高性能減水劑及GYQ-1型引氣劑；粗、細(xì)骨料采用兩河口水電站前期砂石骨料加工系統(tǒng)生產(chǎn)的砂、板巖骨料，其中，40～60 mm粒徑骨料為試驗(yàn)檢測(cè)中心從半成品料堆人工篩得。

3.2 骨料優(yōu)化組合試驗(yàn)

良好的顆粒級(jí)配組合可以增加骨料堆積密度、降低空隙率，進(jìn)而增加混凝土的密實(shí)度、節(jié)約砂漿，降低干縮開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，改善混凝土抗?jié)B性能等。為優(yōu)選中、小石最優(yōu)比例組合，改善顆粒級(jí)配，降低混合骨料空隙率，根據(jù)水電工程常用骨料比例，結(jié)合Fuller級(jí)配曲線開(kāi)展骨料優(yōu)化組合比選試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，5～20：20～40：40～60三種粒徑骨料比例為3∶3∶4時(shí)，緊密堆積密度為1 790 kg/m，在各種比例組合中最密實(shí)，空隙率較小，后續(xù)試驗(yàn)以5～20∶20～40∶40～60=3∶3∶4比例組合開(kāi)展研究。

3.3 混凝土配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)兩河口水電站工程常用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)，選取C30強(qiáng)度等級(jí)，坍落度70～90 mm，級(jí)配分別為二級(jí)、二級(jí)半(粗骨料最大粒徑擴(kuò)展至40～60 mm)兩種開(kāi)展混凝土配合比設(shè)計(jì)。

(1)初選配合比。粉煤灰摻量：兩河口水電站混凝土骨料有堿活性，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，根據(jù)工程可研階段開(kāi)展的試驗(yàn)研究成果，粉煤灰摻量為20%[4]。單位用水量：根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合室內(nèi)試拌確定，本次試驗(yàn)經(jīng)室內(nèi)試拌、調(diào)整，初步分別確定為125 kg/m3、140 kg/m3。砂率：結(jié)合骨料優(yōu)化組合試驗(yàn)成果，根據(jù)室內(nèi)配合比試拌成果確定。經(jīng)室內(nèi)試拌、調(diào)整，初步確定0.45水膠比下的砂率分別37%、40%。外加劑摻量：根據(jù)生產(chǎn)廠家推薦摻量，含氣量控制在3.5%～5.5%，以坍落度滿足控制指標(biāo)要求為原則。

表1 骨料摻配比例組合試驗(yàn)結(jié)果

(2)混凝土配合比。在初步配合比試驗(yàn)選定的參數(shù)基礎(chǔ)上，分別選擇0.45、0.5、0.55三個(gè)水膠比進(jìn)行試拌，在滿足混凝土坍落度、和易性要求的條件下建立膠水比， 即抗壓強(qiáng)度關(guān)系，根據(jù)混凝土抗壓強(qiáng)度與膠水比關(guān)系，計(jì)算確定混凝土配合比后，經(jīng)試拌調(diào)整，開(kāi)展混凝土性能復(fù)核試驗(yàn)，確定常態(tài)C30混凝土配合比(表2)。

3.4 兩種骨料級(jí)配混凝土性能試驗(yàn)

為進(jìn)一步研究不同骨料級(jí)配對(duì)于混凝土性能影響，針對(duì)二級(jí)配和二級(jí)半混凝土之間差異開(kāi)展了較系統(tǒng)的比較試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。

3.5 二級(jí)半混凝土相關(guān)配套措施

根據(jù)兩河口水電站砂石系統(tǒng)及混凝土拌和系統(tǒng)的實(shí)際情況，如果應(yīng)用二級(jí)半混凝土，需要采取以下工程措施：

(1)混凝土骨料加工系統(tǒng)改造。為增加40～60 mm大尺寸混凝土骨料，在混凝土骨料系統(tǒng)設(shè)計(jì)中增加相應(yīng)40～60 mm大尺寸骨料篩分系統(tǒng)(相應(yīng)粒徑的振動(dòng)篩和輸送皮帶)及相應(yīng)的成品骨料堆存料倉(cāng)。

(2)混凝土拌和系統(tǒng)改造。對(duì)高線、低線2座混凝土拌和系統(tǒng)調(diào)整，增設(shè)40～60 mm大尺寸骨料存貯罐及相應(yīng)的骨料上料、稱量系統(tǒng)。

3.6 二級(jí)半混凝土應(yīng)用范圍研究

結(jié)合混凝土施工規(guī)范、設(shè)計(jì)要求，在滿足鋼筋保護(hù)層、鋼筋間距與骨料最大粒徑尺寸比例前提下，在投標(biāo)階段混凝土澆筑方式不變的條件下，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)混凝土入倉(cāng)、振搗等施工條件，研究確定二級(jí)半混凝土可應(yīng)用的范圍主要是泄水建筑物各洞室襯砌及引水發(fā)電系統(tǒng)尾水洞及尾水連接管襯砌邊墻和底板，混凝土總量約50萬(wàn)m3。

3.7 試驗(yàn)成果分析

表2 混凝土配合比

表3 兩種骨料級(jí)配混凝土試驗(yàn)結(jié)果

(1)配合比參數(shù)變化。兩種骨料級(jí)配下的混凝土單位用水量試驗(yàn)結(jié)果顯示：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變寬，單位用水量降低15 kg；骨料表面積及其混合空隙率由于粒徑增加而降低，進(jìn)而導(dǎo)致砂率降低。

(2)混凝土和易性。水工混凝土坍落度僅適用于骨料最大粒徑不超過(guò)40 mm[5]，本次試驗(yàn)過(guò)程中坍落度和含氣量檢測(cè)了濕篩除40 mm以上骨料前后的對(duì)比試驗(yàn)。濕篩除40 mm骨料顆粒后，混凝土含氣量檢測(cè)結(jié)果略呈增加趨勢(shì)，混凝土坍落度增加。但是，坍落度擴(kuò)展度試驗(yàn)結(jié)果不受影響，說(shuō)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。從坍落度試驗(yàn)過(guò)程來(lái)看，二級(jí)半混凝土黏聚性較好，無(wú)浸水、離析、板結(jié)等現(xiàn)象。

(3)混凝土強(qiáng)度。在相同水膠比(0.45)條件下，隨著骨料粒徑范圍的變化，混凝土抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度無(wú)顯著趨勢(shì)變化。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)骨料優(yōu)化組合試驗(yàn)、混凝土配合比設(shè)計(jì)、兩種骨料級(jí)配混凝土性能試驗(yàn)、應(yīng)用二級(jí)半混凝土相關(guān)配套措施及可應(yīng)用范圍研究，對(duì)二級(jí)半混凝土代替?zhèn)鹘y(tǒng)二級(jí)配混凝土方案從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)方面進(jìn)行了綜合研究。

以0.45水膠比為基礎(chǔ)的C30常態(tài)混凝土，骨料粒徑由二級(jí)配擴(kuò)展至二級(jí)半后，通過(guò)配合比參數(shù)適當(dāng)調(diào)整，新拌混凝土和易性較好，混凝土強(qiáng)度未現(xiàn)明顯波動(dòng)；隨著骨料粒徑的擴(kuò)展，混凝土單位用水量減少15 kg，單位混凝土膠凝材料用量減少33 kg，對(duì)降低水化熱溫升、降低混凝土開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)、保障工程質(zhì)量有利；在經(jīng)濟(jì)效益方面，二級(jí)半混凝土總量約50萬(wàn)m3，水泥單價(jià)以500元/t估算，直接經(jīng)濟(jì)效益約700萬(wàn)元，考慮到砂石加工系統(tǒng)及混凝土拌和系統(tǒng)改造等因素產(chǎn)生的成本投入估算約600萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益基本可行。