莲麓三级水电站闸墩粉煤灰混凝土配合比试验研究

王正环

(甘肃省水利水电勘测设计研究院, 兰州 730000)



莲麓三级水电站闸墩粉煤灰混凝土配合比试验研究

王正环

(甘肃省水利水电勘测设计研究院, 兰州 730000)

对大体积水工混凝土来说，粉煤灰的合理使用不仅大大节约了水泥，而且能有效抑制碱骨料反应，可以缩小混凝土内外温差，有利于减少混凝土表面开裂的危险。结合工程实例，对在混凝土中掺加粉煤灰后的可泵性、抗压强度、耐久性及外加剂适应性等方面进行试验研究及分析。粉煤灰混凝土材源广、性能优、可广泛应用于大体积水工混凝土工程中。

粉煤灰;混凝土;耐久性;配合比

0 前 言

粉煤灰是火电厂燃煤燃烧之后产生的一种固体废料。据统计，我国的火电厂每年产生的粉煤灰约1.5亿t，要将这些粉煤灰排入灰场需增加占地约1 000 hm2，由此造成的经济损失每年将高达300亿元。如果不加处理，不仅会产生扬尘、污染大气，排入水系还会造成河道淤塞，而且其中的有毒有害物质还会对生物和人体造成危害[1]。然而，粉煤灰又是火山灰性质的活性材料，具有潜在的化学活性，在一定条件下，能与水发生化学反应生成类似水泥胶凝体的胶凝物质，且具有一定的强度[2]。如将粉煤灰转化为可利用资源，所取得的正反两方面的经济效益十分可观。

在混凝土中掺加粉煤灰作为掺和料可以变废为宝，改善混凝土的性能。在水工混凝土中掺加粉煤灰不仅能够显著提高混凝土的密实性和耐久性，而且还能节约水泥，增强混凝土的抗裂性、抗冻性、抗渗性以及抗硫酸盐腐蚀性；在泵送混凝土中，还能提高混凝土的可泵性[3]。因此，粉煤灰在混凝土配合比中的应用就成为建筑工程中试验检测人员不断研究探索的目标了。

下面结合工程实例，对在混凝土中掺加粉煤灰后的可泵性、抗压强度、耐久性及外加剂适应性等方面进行试验研究及分析。

1 工程概况

甘肃洮河莲麓三级水电站是洮河流域规划“九(甸峡)～海(甸峡)”河段峡城梯级规划所确定的莲麓二级电站与海甸峡电站之间的插补电站。莲麓三级水电站为一座引水式电站，由闸坝枢纽、引水系统(引水渠道)、电站厂房等组成。引水枢纽距上游正在建设的莲麓二级水电站约2.3 km，距下游已完建的海甸峡水电站约13.4 km；电站以发电为主，额定水头8.5 m，发电引水流量270 m3/s，装机容量20 MW(2×10 MW)，属Ⅳ等小⑴型工程(此工程中闸墩的混凝土方量为186 m3)。

受施工方的委托，对枢纽及厂房的混凝土进行配合比设计,并对不同粉煤灰掺量和外加剂掺量对混凝土强度的影响，以及混凝土的经济性和适用性做出试验分析。

根据设计要求及工地原材料的实际情况，为增加混凝土的耐久性、降低水泥用量，掺加粉煤灰作为掺合料，添加引气型木钙作为外加剂，选择枢纽闸墩C25W6F150的泵送混凝土进行配合比设计试验研究。

2 混凝土配合比设计

2.1 原材料性能检验

对所需的原材料进行性能检验，结果如下：

(1) 水泥。甘肃寿鹿山水泥 P·O 42.5,R28=49.8 MPa,ρ=3.10 g/cm3。

(2) 砂。莲麓砂石料场生产的天然砂，属Ⅱ区中砂，细度模数为2.70，表观密度为2.66 g/cm3，级配良好。经检验，各项指标均满足SL677-2014《水工混凝土施工规范》中对砂的要求。

(3) 石子。莲麓砂石料场生产的5～20 mm(小石)和20～40 mm(中石)粒级的卵石。小石的表观密度为2.68 g/cm3；中石的表观密度为2.68 g/cm3。经检验，各项指标均满足SL677-2014《水工混凝土施工规范》中对石子的要求[6]。石子比例按最大密度法确定[8]，选最佳比例，小石∶中石=40∶60。

(4) 掺和料。兰州西固宏大热电有限责任公司生产的Ⅱ级粉煤灰,细度为16.6%，需水量比为102%，烧失量为5.87%，含水量为0.22%，三氧化硫为0.032%。经检验，各项指标均满足GB1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》对Ⅱ级粉煤灰的标准要求。

(5) 外加剂。山西奥鑫建材有限公司生产引气型木钙。

2.2 混凝土配制强度的确定

按照下式计算配置强度[7]

(1)

式中：fcu,o为混凝土配制强度，MPa；fcu,k为混凝土立方体抗压强度标准值，MPa；t为概率度系数(当采用95%的强度保证率时，概率度系数取1.645)；σ为混凝土强度标准差(当混凝土抗压强度标准值为20～25 MPa时，取4.0 MPa)。

依据式(1)计算得出C25W6F150的配制强度为31.6 MPa。

2.3 确定砂率

由实践经验得知，原材料级配良好，掺用粉煤灰和减水剂并且有抗冻抗渗要求时的混凝土，砂率宜在40%～42%之间[4]。本次配合比试验砂率采用41%。

2.4 混凝土配合比试配

2.4.1 方法及步骤

在保证混凝土抗压强度、抗冻性和抗渗性能以及可泵性的前提下，保持坍落度(160～180 mm)不变，选择不同水灰比、不同粉煤灰掺量和不同外加剂掺量进行混凝土配合比的试配，使之既满足各项性能指标又能够节约水泥。

第1步:选定不同的水灰比进行混凝土试配，根据不同龄期的抗压强度进行线性回归分析，并得出线性方程，根据水灰比和抗压强度的关系曲线，选择符合配制强度的水灰比。

第2步:用所确定的水灰比进行不同粉煤灰掺量的试配，根据粉煤灰掺量和抗压强度的关系曲线，在曲线上选择和易性好、可泵性好且强度有保证的粉煤灰掺量。

第3步:用确定的水灰比和粉煤灰掺量进行不同外加剂掺量的试配，根据外加剂掺量和抗压强度的关系曲线，在曲线上选择强度较高的外加剂掺量。

第4步:通过确定的最佳水灰比、最佳粉煤灰掺量和最佳外加剂掺量确定泵送混凝土的推荐配合比。

2.4.2 水灰比与强度的关系

有抗冻抗渗要求的混凝土配合比最大水灰比不大于0.55，在设计混凝土配合比时不仅要考虑坍落度和强度等级，还要考虑对水灰比的限制因素。选择0.45、0.50、0.55和0.60四个不同的水灰比进行试配，按照试配成果水灰比和强度关系对照表(见表1)，以不同龄期抗压强度绘制水灰比和强度关系曲线(见图1)，拟合关系曲线为：Y28 d=-61.20x+67.13，R2=0.996 6；Y14 d=-43.20x+49.58，R2=0.996 1；Y3 d=-24.20x+28.98，R2=0.957 2。相关系数均达到0.9以上，表明线性关系好、代表性强。

从图1中分析看出，随着水灰比不断增大，混凝土3、14和28 d的抗压强度均出现下降趋势，因有抗冻抗渗要求的混凝土水灰比不大于0.55，考虑坍落度的要求和添加粉煤灰取代水泥的因素，选择水灰比为0.50。

表1 泵送混凝土水灰比与强度关系对照表

龄期/d水灰比0.450.500.550.60备注318.117.115.214.71430.028.126.023.5基准混凝土2839.836.233.530.5

图1泵送混凝土水灰比与强度关系曲线图(基准混凝土)

2.4.3 粉煤灰掺量与强度的关系

确定水灰比为0.50，粉煤灰等量取代水泥。选择粉煤灰掺量为10%、15%和20%，进行配合比试配试验，以选出最佳的粉煤灰掺量。按照试配成果粉煤灰掺量和强度关系对照表(见表2)，以不同龄期抗压强度绘制粉煤灰掺量和强度关系曲线(见图2)，拟合关系曲线为：Y28 d=-0.34x+36.23，R2=0.985 4；Y14 d=-0.24x+27.93，R2=0.980 8；Y3 d=-0.24x+17.01，R2=0.992 9。曲线相关系数均达到0.9以上，表明线性关系好、代表性强。

表2 泵送混凝土粉煤灰掺量与强度关系对照表

龄期/d粉煤灰掺量/%0101520备注317.114.413.612.31428.125.124.523.2水灰比0.502836.232.631.629.1

图2 泵送混凝土水灰比与强度关系曲线图 (水灰比：0.50)

从图2可以分析看出，随着粉煤灰掺量的不断增加，混凝土抗压强度在3、14和28 d均出现下降趋势。但在试拌过程中，混凝土拌和物的和易性也在相应增加。因此，在满足强度和和易性的前提下，选择15%作为粉煤灰的最佳掺量。

2.4.4 外加剂掺量与强度的关系

本次配合比试验采用引气型木钙作为外加剂。木钙是一种多组分高分子聚合物阴离子表面活性剂，它在混凝土中主要起高效减水剂作用。引气型木钙作为一种复合型外加剂，集引气减水、缓凝、高强于一体。

确定水灰比为0.50，粉煤灰掺量为15%，选择0.15%、0.20%、0.25%和0.30%四个不同的木钙掺量进行混凝土配合比试配，按照试配成果木钙掺量和强度关系对照表(见表3)，以不同龄期抗压强度绘制木钙掺量和强度关系曲线(见图3)，用多项式拟合曲线为：Y28 d=-870.00x2+423.70x-21.34，R2=0.999 2；Y14 d=-410.00x2+201.50x-1.02，R2=0.998 4；Y3 d=-510.00x2+236.50x-16.88，R2=0.998 2。相关系数均达到0.9以上，表明相关性强。

表3 泵送混凝土木钙掺量与强度关系对照表

龄期/d木钙掺量/%0.150.200.250.30备注37.110.110.38.2水灰比0.50;1420.122.823.822.5粉煤灰2822.628.730.127.5掺量15%。

图3 泵送混凝土木钙与强度关系曲线图 (粉煤灰掺量：15%、水灰比：0.50)

从图3中可以分析看出，木钙掺量从0.15%到0.25%阶段，强度出现上升趋势；从0.25%到0.30%阶段，强度出现下降趋势。但掺量在0.25%时,混凝土拌和物在满足和易性和坍落度的前提下，减水率达到14%,含气量达到4.5%,均能达到抗渗性和抗冻性对混凝土拌和物的要求，且抗压强度最高,因此选择0.25%作为木钙的最佳掺量。

3 混凝土配合比性能检验

依据确定的水灰比为0.50,粉煤灰掺量为15%,外加剂掺量为0.25%成型的混凝土试块，做3、14和28 d龄期的混凝土抗压强度试验，结果显示28 d抗压强度值达到30.1 MPa，比试配强度31.6 MPa低1.5 MPa。考虑到粉煤灰混凝土后期强度增长空间较大，目前有些规范已经把粉煤灰混凝土的标准龄期定为90 d[5]。因此，该配合比的强度能够满足C25的设计要求；对龄期达到28 d的混凝土试块做抗渗和抗冻性能试验，其各项指标均满足W6F150的泵送混凝土要求,见表4。

表4 泵送混凝土配合比性能检验表

龄期/d检验项目抗压强度/MPa抗渗等级抗冻等级备注310.3--水灰比0.50;1423.8--粉煤灰掺量15%;2830.1W6F150木钙掺量0.25%。

4 粉煤灰混凝土配合比试验分析讨论及推荐配合比

根据试验结果，对试验数据进行对比分析：通过对比图2中相同水灰比混凝土强度关系图不难看出，掺加粉煤灰的混凝土强度较未掺加粉煤灰的混凝土强度要低，同时由于粉煤灰的水化速率低于水泥，因此掺加粉煤灰之后的混凝土的早期强度也低于普通混凝土，但掺加粉煤灰的混凝土在养护14 d之后的混凝土强度能达到养护28 d之后强度的75%以上(见表2)，因此掺加粉煤灰的混凝土为保证足够的强度发展，需将混凝土养护至少14 d以上。同时由于掺入粉煤灰之后混凝土的早期强度偏低，对于早期强度要求较高的构件，比如在冬季施工中就不宜采用粉煤灰混凝土配合比进行强度设计。

从图3中可以看出，当粉煤灰掺入量为15%时，木钙的掺入量对混凝土强度有一定影响，当木钙掺入量为0.25%时混凝土强度值最大。因此，在满足多方条件情况下选定粉煤灰掺量为15%。木钙掺量可选定为0.25%，使之既有较高强度又起到一定的缓凝引气作用。

依据以上对水灰比、粉煤灰和外加剂掺量的配合比试配试验，选择出最佳的水灰比、粉煤灰和外加剂的最佳掺量，试验成果表明各项性能指标均能达到配合比的设计要求，在此基础上提出C25W6F150泵送混凝土推荐配合比,见表5。

表5 莲麓三级水电站闸墩C25W6F150泵送混凝土推荐配合比表

5 结 语

生态环保型混凝土是当代建材工业发展主要方向之一，废物的开发利用符合国家提出的可持续发展战略要求。粉煤灰混凝土具有材源广、性能优等各方面优势，在水工结构中与普通混凝土相比，工作性好、后期强度高、安全储备大、耐久性好，起着延长结构寿命、确保结构安全的积极作用。对大体积混凝土来说，一方面，粉煤灰的合理使用不仅大大节约了水泥，而且能有效抑制碱骨料反应。同时，粉煤灰水化消耗大量Ca(OH)2，混凝土中不耐蚀成分减少，粉煤灰高性能混凝土有比基准混凝土大的耐化学腐蚀能力[9]；另一方面可以缩小混凝土内外温差，有利于减少混凝土表面开裂的危险。因此，粉煤灰混凝土的应用前景十分广阔。

[1] 冷发光,张仁瑜,邢锋 .绿色建材和绿色高性能混凝土的开发和应用[C]//中国混凝土技术交流会,2012.8.2.

[2] 吕亚楠,罗毅,汤荣平. 对混凝土中有关粉煤灰几个重要问题的探讨[J]. 西北水电,2009(06): 57-60.

[3] 黄海燕.绿色高性能商品混凝土简述[J]. 广西城镇建设,2011(02): 82-84.

[4] 张应立.现代混凝土配合比设计手册[M]. 北京：人民交通出版社，2002.

[5] 中华人民共和国住房和城乡建设部.粉煤灰混凝土应用技术规范：GB/T50146-2014[S]. 北京：中国标准出版社， 2015.

[6] 中华人民共和国水利部.水工混凝土施工规范：SL677-2014[S]. 北京：中国水利水电出版社，2015.

[7] 中华人民共和国住房和城乡建设部.普通混凝土配合比设计规程：JGJ55-2011[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2011.

[8] 中华人民共和国水利部.水工混凝土试验规程：SL352-2006[S]. 北京：中国水利水电出版社，2006.

[9] 李中原.高掺量粉煤灰高性能混凝土试验及应用[J]. 天中学刊, 2007(05):58-59.

[10] 中国标准化委员会.用于水泥和混凝土中的粉煤灰：GB1596-2005[S]. 北京：中国标准出版社，2015.

Study on Tests of Mix Ratio of Flyash Concrete for Piers, Lianlu 3 Hydropower Project

WANG Zhenghuan

(Gansu Water Resources and Hydropower Investigation Design Research Institute, Lanzhou 730000,China)

The reasonable application of flyash in the mass hydraulic concrete not only largely reduces cement consumption but also effectively restrains alkali aggregate reaction and benefits to avoid risks of cracks in concrete surfaces. In combination with engineering practice, studies and analysis on tests of flyash concrete are performed in terms of pumping ability, compressive strength, durability and additive adaptability. The flyash concrete featuring vast availability of raw materials and superior performance may be widely applied in the mass hydraulic concrete engineering.Key words: flyash; concrete; durability; mix ratio

1006—2610(2016)05—0086—04

2016-04-14

王正环(1973- )，女，甘肃省永靖县人，工程师，主要从事混凝土工程和岩土工程试验.

TV42+3

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.05.022