黄河积石峡水电站高流态混凝土试验与应用研究

郭林涛，张 龙，赵海潮，刘明云

(西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌712100)

0 引 言

积石峡水电站是黄河上游一座大型水电站工程，主体工程混凝土配合比由中国水电顾问集团西北勘测设计研究院工程科研实验分院和中国水利水电第四工程局试验中心提供。由于施工现场地形复杂，运输困难、混凝土入仓无法振捣和工期紧等条件限制，要求在压力钢管底部和有些重点部位采用高流态达到自密实效果的混凝土，原配合比中未包含此种混凝土，为解决该问题，黄河上游水电开发建设公司委托积石峡水电站中心试验室进行专项试验研究。

根据设计要求积石峡水电站主体工程高流态混凝土龄期为28 d，强度等级为C25，Ⅱ级配，扩散度 60 cm±5 cm，强度保证率为95%，抗冻等级F200，抗渗等级W8，极限拉伸值1.00×10-4。

骨料采用积石峡水电站甘河滩砂石料场生产的砂石料，其中人工破碎骨料占80%，天然骨料占20%，人工砂占40%，天然砂占60%，试验时将天然骨料和人工骨料按比例混合均匀使用。

为在确保混凝土质量的基础上，降低工程造价，指导工程设计和施工，通过试验提出经济的、满足积石峡水电站工程施工要求的高流态自密实混凝土配合比，并提供混凝土配合比的拌合物性能、力学性能和耐久性指标。

1 需要解决的问题

(1)要求生产的混凝土为高流态，但是，实际生产的骨料人工破碎比例较高，人工骨料棱角也较多，天然骨料也存在风化现象，骨料颗粒形状不规则，表面粗糙，是影响生产高流态混凝土的一个关键问题。

(2)要求生产混凝土入仓后不需要人工振捣，达到自密实。解决混凝土泌水离析问题，至关重要。

(3)试验研究任务重，时间紧，既要解决施工现场条件受限制的实际问题，又要尽快的研制出满足工程急需的高流态、自密实混凝土，确保主节点工期不受到影响。

为解决影响高流态、自密实混凝土问题，主要从以下两个方面着手试验研究，一是通过试验，根据骨料的实际情况，确定最佳骨料的比例和砂率，满足混凝土流动性要求，二是配合比中掺入增粘剂，调整混凝土和易性，保证混凝土拌和物的工作度以及解决混凝土泌水、离析问题。解决时间紧问题，提出多种试验方案，主要对初选混凝土配合比采用7 d的试验结果，通过计算，推定28 d的结果，然后进行校核试验确定最终结果。提供满足浇筑要求的混凝土配合比，指导工程施工。

2 原材料试验

2.1 水泥试验

根据任务书要求，水泥采用甘肃永登水泥厂生产的42.5级中热硅酸盐水泥，水泥物理、力学性能试验结果满足规范要求，水泥28 d抗压强度48.7MPa。抗折强度7.9MPa，密度3 150 kg/m3。

2.2 粉煤灰试验

根据任务书要求，粉煤灰采用连成电厂Ⅰ级灰。粉煤灰需水量比94.0%，烧失量1.4%，细度用45 μ m方孔筛筛余6.8%，密度2 260 kg/m3。

2.3 外加剂试验

积石峡水电站主体工程混凝土配合比试验所用外加剂分别为江苏博特新材料有限公司生产的JM-Ⅱ缓凝高效减水剂、河北石家庄外加剂厂生产的DH3G缓凝高效减水剂、DH9引气剂以及BT-ZCJ增粘剂。减水剂和引气剂的试验结果均满足规范要求，减水剂的减水率为20%。

增粘剂能够改善高流态自密实混凝土的工作度，降低混凝土扩散度的损失，提高混凝土弹性模量和极限拉伸值，防止混凝土产生裂缝。

2.4 骨料试验

骨料采用积石峡水电站甘河滩天然砂石骨料和人工破碎料，根据要求，人工破碎料在混凝土成品粗骨料中含量为80%，细骨料占40%。试验中将天然骨料和人工破碎料混合均匀后使用，天然骨料和人工破碎料的性能试验分别进行。细骨料掺配后的饱和面干表观密度2 750 kg/m3，饱和面干吸水率为1.2%，细度模数为2.87；粗骨料掺配后小石饱和面干表观密度2 830 kg/m3，吸水率0.8；中石饱和面干表观密度2 850 kg/m3，吸水率0.6%。

3 混凝土配合比试验研究

3.1 粗骨料比例试验

采用最小空隙率方法确定粗骨料的级配，选取的3～5个不同组合的中石、小石比例进行紧密堆积密度试验，确定最小孔隙率，把最小孔隙率的组合作为最优骨料级配。当紧密堆积密度最大时，小石、大石比例为60∶40。

3.2 砂率的选择

砂率选择采用固定用水量改变砂率的试验方法，根据砂的细度模数初选几个不同的砂率进行试拌，绘制砂率与扩散度关系曲线，选择粘聚性、保水性均良好而扩散度最大时的砂率值作为该混凝土拌和物的最优砂率，再根据设计要求的扩散度调整其单位用水量。初选砂率为44%～46%。

3.3 减水剂对水泥的适应性试验

减水剂在混凝土中起着相当重要的作用，尤其水泥用量的减少，大大节约工程成本，但是减水剂使用不当，或者减水剂对水泥产生相容性问题，都会对工程质量产生很大影响。所以选定水泥和减水剂后，首先应对减水剂与水泥进行适应性试验。减水剂与水泥的适应性满足工程要求。

3.4 减水剂对混凝土的扩散度损失的影响

混凝土拌制后到浇筑入仓，需要有一段运输、停留的时间，混凝土扩散度会随时间的延长而损失，如果损失过大，会导致混凝土和易性变差，造成施工困难。

3.5 混凝土配合比试验安排

混凝土试验安排采用L638正交表，因素水平表见表1。

表1 L638因素水平表

3.6 选择水胶比

根据经验，初选水胶比为0.40，同时选取相差±0.05的三个水胶比的混凝土配合比制作混凝土强度试件，每种配合比至少应制作两组试件，标准养护到7 d、28 d时破型，通过计算，确定最佳水胶比，然后进行校核混凝土强度是否达到配置强度要求，试验结果见表2、表3和图1。

根据设计要求，混凝土保证率95%，概率度系数为1.645，设计强度等级C25W8F200，配置时标准差选取4.0 MPa，混凝土配置强度为31.6 MPa。根据经验，一般混凝土7 d抗压强度达到28 d配置抗压强度的65%～75%，选70%，故7 d抗压强度推定为31.6×0.7=22.1 MPa。

表2 初选混凝土配合比拌合物性能试验结果

图1 混凝土抗压强度与胶水比的关系曲线

用JM-Ⅱ减水剂试验，得到胶水比与7 d抗压强度的关系式(1):

表3 初选混凝土配合比和7d抗压强度试验结果

计算得到胶水比为2.371，水胶比为0.422，取0.42。

用DH3G减水剂试验，得到胶水比与7d抗压强度的关系式(2):

计算得到胶水比为2.378，水胶比为0.420，取0.42。式中:(c+F)/w为混凝土胶水比；fcu，7为混凝土7 d抗压强度推定值(MPa)。

通过试验，在满足设计及施工要求的条件下考虑到经济性，选定水胶比为 0.42进行校核试验[1，2]，并且通过校核试验提供配合比拌和物性能、力学性能、耐久性指标。

4 校核试验结果

4.1 混凝土拌和物性能试验

混凝土拌和物性能试验包括和易性、扩散度、扩散度损失、含气量、密度、凝结时间等。凝结时间是在室内按照试验规程在标准温度下进行的，现场施工由于影响因素较多，例如运输、温度变化、空气湿度、风力等因素的影响，凝结时间在现场施工中有一定的变化，试验结果见表4。

表4 C25W8F200高流态混凝土配合比拌合物性能试验结果

4.2 混凝土力学性能试验

根据设计要求，测定混凝土的抗压强度、极限拉伸(抗拉弹性模量、极限抗拉强度)等力学性能指标。通过校核，试验混凝土配合比分别成型3 d、7 d、28 d龄期的抗压强度试件，试件脱模后放在温度为20℃、相对湿度95%以上的标准养护室中养护至龄期。混凝土的极限拉伸是评定混凝土抗裂性的重要指标[3]，其值越大混凝土抗裂性越好，越有利于混凝土承受温度变形和干燥收缩变形的影响。极限拉伸试验主要测定混凝土轴向受拉试件达到破坏点的极限拉伸值、拉伸强度和拉伸弹性模量。试验结果见表5。

4.3 混凝土耐久性指标试验

混凝土耐久性是保证混凝土建筑物安全运行的重要指标。按照要求测定混凝土的抗冻性、抗渗性。

表5 混凝土力学性能试验结果

4.3.1混凝土抗冻性试验[4，5]

根据设计要求，混凝土的抗冻指标为200个冻融循环，影响混凝土的抗冻因素除混凝土强度(水胶比)外，还与混凝土的含气量有密切关系，对抗冻等级≥F200混凝土拌和物的含气量，按照设计要求控制在4%～6%，冻融试验采取快冻法，冻融试验结果应同时满足相对动弹模量≥60%，试件质 量损失率≤5%。试验结果见表6。

表6 混凝土抗冻试验结果

4.3.2混凝土抗渗试验

抗渗试验采用逐级加压进行，试件成型后养护28 d后进行试验。每组6个试件加压至设计要求抗渗等级值/10+0.2个水压时[6]，至少有4个试件未出现渗水，表明该混凝土达到设计抗渗强度要求。

5 高流态自密实混凝土配合比及其应用

5.1 高流态自密实混凝土配合比

通过以上的试验研究，确定最终混凝土配合比，见表7。

表7 C25W8F200高流态自密实混凝土配合比

5.2 高流态自密实混凝土配合比的应用

经过试验研究，满足设计要求和施工要求的高流态、自密实的混凝土在积石峡水电站主体工程中得到了成功应用，已浇筑上万方混凝土未发现裂缝现象，取得了较好的技术性能和经济效益，得到业主和施工单位的一致好评。

6 结 语

混凝土配合比一般以28 d龄期为标准抗压强度值，由于工期紧，该配合比7 d龄期试验结果出来后，就直接用到工程中，从抽检的28 d龄期抗压强度资料来看，最大值35.4MPa，最小值27.2 MPa，平均值为31.2 MPa，满足设计和规范要求。在保证质量的前提下，考虑到经济因素，用7 d龄期混凝土配合比的试验结果直接用到工程中，在试验过程中，程序应该完善，工作过程应仔细，并进行28 d的校核试验，以便及时进行调整。

[1]张 龙，郭林涛，洪 镝.水利水电工程试验数据分析计算方法[M].北京:中国水利水电出版社和知识产权出版社，2009.

[2]DL/T5330-2005.水工混凝土配合比设计规程[S].北京:中国电力出版社，2006.

[3]许建民.混凝土施工裂缝与控制[J].水利与建筑工程学报，2008，6(4):90-91.

[4]SL352-2006.水工混凝土试验规程[S].北京:中国水利水电出版社，2007.

[5]DL/T5144-2001.水工混凝土施工规范[S].北京:中国电力出版社，2002.

[6]JGJ55-2000.普通混凝土配合比设计规程[S].北京:中国建筑工业出版社，2001.