吉林省雙河三級(jí)水電站工程混凝土配合比設(shè)計(jì)優(yōu)化研究

楊黎明，孫玉杰，李鳳霞,3

(1.吉林省磐石市水利局, 磐石 132300；2. 吉林省同順?biāo)姽こ虣z測(cè)有限公司，長(zhǎng)春 130000；3.長(zhǎng)春工程學(xué)院水利與環(huán)境工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012)

1 工程概況

混凝土配合比設(shè)計(jì)是一個(gè)逐步滿足混凝土強(qiáng)度、工作性、耐久性、節(jié)約水泥等設(shè)計(jì)目標(biāo)的過(guò)程，其優(yōu)化是保證混凝土工程質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性的前提。雙河三級(jí)水電站工程位于吉林省撫松縣仙人橋鎮(zhèn)雙河二級(jí)站廠房下游約830 m處，擋水建筑物由攔河橡膠壩、排砂閘組成，引水建筑物由進(jìn)口閘室、豎井段、有壓隧洞、調(diào)壓井和壓力管道組成。工程內(nèi)容為電站裝機(jī)容量6 000 kW、90 m橡膠壩安裝、5 775.02 m引水隧洞、廠房及變電站土建及安裝工程，施工中對(duì)溫度控制要求高，受氣候條件制約大。受施工方項(xiàng)目部委托，實(shí)驗(yàn)室組成專家組對(duì)混凝土配合比進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)，以期取得更加良好的技術(shù)質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。試驗(yàn)的主要內(nèi)容是對(duì)試驗(yàn)所用原材料進(jìn)行物理、力學(xué)性能的檢驗(yàn)和評(píng)定；優(yōu)選出二級(jí)配的粗骨料組合比例；不同工程部位的混凝土配合比試驗(yàn)設(shè)計(jì)；進(jìn)行壩體混凝土不同參數(shù)的抗壓、抗凍、抗?jié)B等性能試驗(yàn)；提出滿足各項(xiàng)設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)的混凝土配合比[1-2]。

2 試驗(yàn)依據(jù)與主要設(shè)備

2.1 試驗(yàn)依據(jù)

本項(xiàng)試驗(yàn)主要依據(jù)《水工混凝土實(shí)驗(yàn)規(guī)程(SL352-2006)》《建設(shè)用砂(GB/T14684-2011)》《建設(shè)用卵石、碎石(GB/T14685-2011)》《水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程(DL/T5330—2015)》《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)(GB/T17671-1999)》《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法(GB/T1346-2011)》《水泥比表面積測(cè)定方法 勃氏法(GB/T8074-2008)》進(jìn)行。試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)定及有關(guān)試驗(yàn)參數(shù)的選取則按《水工混凝土施工規(guī)范(DL/T5144—2015)》《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范(GB50119—2013)》及《硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥(GB175—2007)》等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行[3-5]。

2.2 主要設(shè)備

水泥凈漿攪拌機(jī)、水泥膠砂強(qiáng)度攪拌機(jī)、水泥凈漿標(biāo)準(zhǔn)稠度與凝結(jié)時(shí)間測(cè)定儀、KIJ5000-1電動(dòng)抗折儀、60 L立軸強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)、2000 KN壓力機(jī)、100 KN萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、混凝土凍融試驗(yàn)機(jī)、動(dòng)彈性模量測(cè)定儀、自動(dòng)加壓混凝土滲透儀、CML-1L-16型應(yīng)變&力綜合測(cè)定儀等。砂顆粒級(jí)配標(biāo)準(zhǔn)方孔篩有9.5 mm、4.75 mm、2.36 mm、1.18 mm、600 μm、300 μm、150 μm。石顆粒級(jí)配方孔篩有5 mm、10 mm、20 mm、40 mm、80 mm、150(120)mm。

3 原材料品質(zhì)檢驗(yàn)

3.1 水泥

遼寧山水工源有限公司“工源”牌復(fù)合硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級(jí)為P.C32.5、P.O42.5、P.O52.5，主要物理性能符合GB175-2007的要求。

3.2 細(xì)骨料

砂為中砂(產(chǎn)地：大青川砂場(chǎng))，顆粒級(jí)配合格，所檢各項(xiàng)指標(biāo)符合SL352-2006和DL/5144-2001的要求。

3.3 粗骨料

二級(jí)配碎石(產(chǎn)地：山河石場(chǎng))，所檢各項(xiàng)指標(biāo)符合SL352-2006、DL/5144-2015的要求。

3.4 外加劑

引氣劑DH9和減水劑DH3G(產(chǎn)地：河北省混凝土外加劑廠)，所檢各項(xiàng)指標(biāo)符合GB8076-2008的要求。速凝劑DH7(產(chǎn)地：河北省混凝土外加劑廠)，其特點(diǎn)是凝結(jié)時(shí)間快，粘結(jié)性好，適宜摻入本劑膠材總量的3%～5%。

4 混凝土配合比設(shè)計(jì)原則與參數(shù)選擇

4.1 混凝土配合比設(shè)計(jì)原則

混凝土配合比設(shè)計(jì)應(yīng)滿足混凝土配置強(qiáng)度及其它力學(xué)性能、拌合物性能、長(zhǎng)期性能和耐久性能的設(shè)計(jì)及施工提出的各項(xiàng)技術(shù)要求，保證混凝土工程質(zhì)量且經(jīng)濟(jì)合理。

(1)根據(jù)工程要求、結(jié)構(gòu)形式、施工條件和原材料狀況，配制出既滿足工作性、強(qiáng)度等要求又經(jīng)濟(jì)合理的混凝土確定各項(xiàng)材料用料；(2)在滿足工作性要求前提下，宜選用較小的用水量；(3)在滿足強(qiáng)度及其它要求的前提下，選用合適的水灰比；(4)宜選取最優(yōu)砂率；(5)宜選用最佳級(jí)配。

4.2 混凝土配合比參數(shù)選擇

4.2.1 混凝土配合比強(qiáng)度的確定 依據(jù)《水工混凝土施工規(guī)范(DL/T5144-2015)》和《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程(DL/T5150-2001)》進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)。試驗(yàn)采用混凝土攪拌機(jī)攪拌，混凝土攪拌時(shí)間為2～3 min。試件采用振動(dòng)臺(tái)振實(shí)，靜置24 h后拆模，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)齡期，分別進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、抗凍抗?jié)B試驗(yàn)。撫松縣雙河電站工程部位的混凝土強(qiáng)度等級(jí)的保證率取值為P=95%。

混凝土的配制強(qiáng)度按下式計(jì)算：Fcu·0=Fcu·k+tσ。

式中：Fcu·0——混凝土的配制強(qiáng)度，MPa ；Fcu·k——混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)，MPa；t——概率度系數(shù)；σ——混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差。

4.2.2 水灰比的選擇 水灰比是混凝土配合比設(shè)計(jì)最重要的參數(shù)之一，其值小單方水泥量高，增加了工程造價(jià)，反之則難以滿足強(qiáng)度及耐久性等技術(shù)要求。因此，《水工混凝土施工規(guī)范(DL/T5144-2015)》對(duì)其水灰比的選擇(或水膠比)作了限值規(guī)定?？箖鏊冶热≈祽?yīng)不大于0.50 ，滿足了《水工混凝土施工規(guī)范》(DL/T5144-2015)》對(duì)混凝土水灰比限制的規(guī)定。

4.2.3 粗骨料級(jí)配的選擇 骨料級(jí)配對(duì)混凝土和易性、強(qiáng)度和耐久性等都有較大的影響，合理的骨料級(jí)配是空隙率小，水泥砂漿用量少，因此可獲得較大的密實(shí)度，提高了混凝土的強(qiáng)度。本研究采用最大密度法進(jìn)行了骨料級(jí)配的摻配試驗(yàn)，以堆積密度最大碎石組合作為粗骨料的最優(yōu)組合比例。

4.2.4 砂率的選擇 最佳砂率是在滿足和易性和最大密度條件下，用水量最小時(shí)的砂子用量。根據(jù)混凝土拌合物的試配，其中和易性最好、坍落度最大、用水量最小的拌和物所對(duì)應(yīng)的砂率為最佳砂率。本研究用砂的細(xì)度模數(shù)為3.02，偏粗。通過(guò)試伴，選定二級(jí)配的最佳砂率范圍。

4.2.5 含氣量 按《水工混凝土施工規(guī)范(DL/T5144-2015)》有關(guān)規(guī)定，對(duì)有抗凍要求的混凝土應(yīng)嚴(yán)格控制混凝土的含氣量。

4.2.6 混凝土的坍落度和用水量 混凝土的坍落度應(yīng)根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)和施工機(jī)械情況加以選定?；炷撂涠冗^(guò)小則難以振搗密實(shí)，從而影響混凝土的密實(shí)性，坍落度過(guò)大時(shí)其用水量和單位水泥用量也隨之增加。水工混凝土主要是采用低塑性和塑性混凝土施工，故扶臂擋土墻、壩區(qū)擋土墻等部位少筋混凝土的坍落度宜控制在5～7 cm，其它泵送部位應(yīng)控制在18～20 cm。

混凝土的用水量是混凝土配合比成分設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，在滿足施工要求的和易性和坍落度的條件下，用水量最少時(shí)對(duì)提高混凝土的強(qiáng)度、耐久性和經(jīng)濟(jì)性都十分有利。因此在滿足混凝土施工性的前提下應(yīng)盡量減少混凝土的用水量。

5 混凝土配合比設(shè)計(jì)及結(jié)果

泵送混凝土配合比試驗(yàn)見(jiàn)表1，混凝土、抗凍抗?jié)B混凝土配合比試驗(yàn)見(jiàn)表2，早強(qiáng)噴射混凝土配合比試驗(yàn)見(jiàn)表3，泵送混凝土拌合物性能及硬化混凝土性能試驗(yàn)見(jiàn)表4 ，早強(qiáng)噴射混凝土拌合物性能及硬化混凝土性能試驗(yàn)見(jiàn)表5，混凝土、抗壓、抗凍、抗?jié)B混凝土拌合物性能及硬化混凝土性能試驗(yàn)見(jiàn)表6。

表1 泵送混凝土配合比試驗(yàn)

表2 混凝土、抗凍抗?jié)B混凝土配合比試驗(yàn)

表3 早強(qiáng)噴射混凝土配合比試驗(yàn)

表4 泵送混凝土拌合物性能及硬化混凝土性能試驗(yàn)

表5 早強(qiáng)噴射混凝土拌合物性能及硬化混凝土性能試驗(yàn)

表6 混凝土、抗壓、抗凍、抗?jié)B混凝土拌合物性能及硬化混凝土性能試驗(yàn)

以上配合比試驗(yàn)中，編號(hào)01、02混凝土配合比能滿足試驗(yàn)要求，在保證混凝土工程質(zhì)量且經(jīng)濟(jì)合理的情況下，推薦吉林省雙河三級(jí)水電站工程混凝土采用編號(hào)02的混凝土配合比(表7)。引氣劑摻量選定混凝土的含氣量是影響混凝土抗壓強(qiáng)度和抗凍性的重要因素;此外，不同水泥品種、砂的細(xì)度模數(shù)、坍落度大小以及混凝土的拌和與運(yùn)輸方式等因素也會(huì)引起含氣量的變化,因此施工時(shí)應(yīng)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)攪拌機(jī)出機(jī)時(shí)的含氣量值，必要時(shí)可進(jìn)行引氣劑摻量調(diào)整，使其達(dá)到設(shè)計(jì)的含氣量指標(biāo)。

6 結(jié) 論

本研究根據(jù)設(shè)計(jì)技術(shù)要求，通過(guò)混凝土配合比設(shè)計(jì)優(yōu)化試驗(yàn)，提出撫松縣雙河三級(jí)電站工程的混凝土配合比參數(shù)及其相關(guān)混凝土力學(xué)、抗凍性、抗?jié)B性等性能指標(biāo)。從推薦使用的混凝土配合比在實(shí)際應(yīng)用及現(xiàn)場(chǎng)施工情況來(lái)看，該配合比具有較高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，其拌和物性能、混凝土強(qiáng)度、變形性能、耐久性能各項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果均滿足相關(guān)要求，施工性能也有一定的提升。