吉林省双河三级水电站工程混凝土配合比设计优化研究

杨黎明，孙玉杰，李凤霞,3

(1.吉林省磐石市水利局, 磐石 132300；2. 吉林省同顺水利水电工程检测有限公司，长春 130000；3.长春工程学院水利与环境工程学院，长春 130012)

1 工程概况

混凝土配合比设计是一个逐步满足混凝土强度、工作性、耐久性、节约水泥等设计目标的过程，其优化是保证混凝土工程质量和经济性的前提。双河三级水电站工程位于吉林省抚松县仙人桥镇双河二级站厂房下游约830 m处，挡水建筑物由拦河橡胶坝、排砂闸组成，引水建筑物由进口闸室、竖井段、有压隧洞、调压井和压力管道组成。工程内容为电站装机容量6 000 kW、90 m橡胶坝安装、5 775.02 m引水隧洞、厂房及变电站土建及安装工程，施工中对温度控制要求高，受气候条件制约大。受施工方项目部委托，实验室组成专家组对混凝土配合比进行优化试验，以期取得更加良好的技术质量和经济效益。试验的主要内容是对试验所用原材料进行物理、力学性能的检验和评定；优选出二级配的粗骨料组合比例；不同工程部位的混凝土配合比试验设计；进行坝体混凝土不同参数的抗压、抗冻、抗渗等性能试验；提出满足各项设计技术指标的混凝土配合比[1-2]。

2 试验依据与主要设备

2.1 试验依据

本项试验主要依据《水工混凝土实验规程(SL352-2006)》《建设用砂(GB/T14684-2011)》《建设用卵石、碎石(GB/T14685-2011)》《水工混凝土配合比设计规程(DL/T5330—2015)》《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)(GB/T17671-1999)》《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法(GB/T1346-2011)》《水泥比表面积测定方法 勃氏法(GB/T8074-2008)》进行。试验结果的评定及有关试验参数的选取则按《水工混凝土施工规范(DL/T5144—2015)》《混凝土外加剂应用技术规范(GB50119—2013)》及《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥(GB175—2007)》等技术指标进行[3-5]。

2.2 主要设备

水泥净浆搅拌机、水泥胶砂强度搅拌机、水泥净浆标准稠度与凝结时间测定仪、KIJ5000-1电动抗折仪、60 L立轴强制式混凝土搅拌机、2000 KN压力机、100 KN万能试验机、混凝土冻融试验机、动弹性模量测定仪、自动加压混凝土渗透仪、CML-1L-16型应变&力综合测定仪等。砂颗粒级配标准方孔筛有9.5 mm、4.75 mm、2.36 mm、1.18 mm、600 μm、300 μm、150 μm。石颗粒级配方孔筛有5 mm、10 mm、20 mm、40 mm、80 mm、150(120)mm。

3 原材料品质检验

3.1 水泥

辽宁山水工源有限公司“工源”牌复合硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥，强度等级为P.C32.5、P.O42.5、P.O52.5，主要物理性能符合GB175-2007的要求。

3.2 细骨料

砂为中砂(产地：大青川砂场)，颗粒级配合格，所检各项指标符合SL352-2006和DL/5144-2001的要求。

3.3 粗骨料

二级配碎石(产地：山河石场)，所检各项指标符合SL352-2006、DL/5144-2015的要求。

3.4 外加剂

引气剂DH9和减水剂DH3G(产地：河北省混凝土外加剂厂)，所检各项指标符合GB8076-2008的要求。速凝剂DH7(产地：河北省混凝土外加剂厂)，其特点是凝结时间快，粘结性好，适宜掺入本剂胶材总量的3%～5%。

4 混凝土配合比设计原则与参数选择

4.1 混凝土配合比设计原则

混凝土配合比设计应满足混凝土配置强度及其它力学性能、拌合物性能、长期性能和耐久性能的设计及施工提出的各项技术要求，保证混凝土工程质量且经济合理。

(1)根据工程要求、结构形式、施工条件和原材料状况，配制出既满足工作性、强度等要求又经济合理的混凝土确定各项材料用料；(2)在满足工作性要求前提下，宜选用较小的用水量；(3)在满足强度及其它要求的前提下，选用合适的水灰比；(4)宜选取最优砂率；(5)宜选用最佳级配。

4.2 混凝土配合比参数选择

4.2.1 混凝土配合比强度的确定 依据《水工混凝土施工规范(DL/T5144-2015)》和《水工混凝土试验规程(DL/T5150-2001)》进行混凝土配合比设计。试验采用混凝土搅拌机搅拌，混凝土搅拌时间为2～3 min。试件采用振动台振实，静置24 h后拆模，放入标准养护室中养护至试验龄期，分别进行抗压强度、抗冻抗渗试验。抚松县双河电站工程部位的混凝土强度等级的保证率取值为P=95%。

混凝土的配制强度按下式计算：Fcu·0=Fcu·k+tσ。

式中：Fcu·0——混凝土的配制强度，MPa ；Fcu·k——混凝土设计强度等级，MPa；t——概率度系数；σ——混凝土强度标准差。

4.2.2 水灰比的选择 水灰比是混凝土配合比设计最重要的参数之一，其值小单方水泥量高，增加了工程造价，反之则难以满足强度及耐久性等技术要求。因此，《水工混凝土施工规范(DL/T5144-2015)》对其水灰比的选择(或水胶比)作了限值规定。抗冻水灰比取值应不大于0.50 ，满足了《水工混凝土施工规范》(DL/T5144-2015)》对混凝土水灰比限制的规定。

4.2.3 粗骨料级配的选择 骨料级配对混凝土和易性、强度和耐久性等都有较大的影响，合理的骨料级配是空隙率小，水泥砂浆用量少，因此可获得较大的密实度，提高了混凝土的强度。本研究采用最大密度法进行了骨料级配的掺配试验，以堆积密度最大碎石组合作为粗骨料的最优组合比例。

4.2.4 砂率的选择 最佳砂率是在满足和易性和最大密度条件下，用水量最小时的砂子用量。根据混凝土拌合物的试配，其中和易性最好、坍落度最大、用水量最小的拌和物所对应的砂率为最佳砂率。本研究用砂的细度模数为3.02，偏粗。通过试伴，选定二级配的最佳砂率范围。

4.2.5 含气量 按《水工混凝土施工规范(DL/T5144-2015)》有关规定，对有抗冻要求的混凝土应严格控制混凝土的含气量。

4.2.6 混凝土的坍落度和用水量 混凝土的坍落度应根据建筑结构和施工机械情况加以选定。混凝土坍落度过小则难以振捣密实，从而影响混凝土的密实性，坍落度过大时其用水量和单位水泥用量也随之增加。水工混凝土主要是采用低塑性和塑性混凝土施工，故扶臂挡土墙、坝区挡土墙等部位少筋混凝土的坍落度宜控制在5～7 cm，其它泵送部位应控制在18～20 cm。

混凝土的用水量是混凝土配合比成分设计的一项重要指标，在满足施工要求的和易性和坍落度的条件下，用水量最少时对提高混凝土的强度、耐久性和经济性都十分有利。因此在满足混凝土施工性的前提下应尽量减少混凝土的用水量。

5 混凝土配合比设计及结果

泵送混凝土配合比试验见表1，混凝土、抗冻抗渗混凝土配合比试验见表2，早强喷射混凝土配合比试验见表3，泵送混凝土拌合物性能及硬化混凝土性能试验见表4 ，早强喷射混凝土拌合物性能及硬化混凝土性能试验见表5，混凝土、抗压、抗冻、抗渗混凝土拌合物性能及硬化混凝土性能试验见表6。

表1 泵送混凝土配合比试验

表2 混凝土、抗冻抗渗混凝土配合比试验

表3 早强喷射混凝土配合比试验

表4 泵送混凝土拌合物性能及硬化混凝土性能试验

表5 早强喷射混凝土拌合物性能及硬化混凝土性能试验

表6 混凝土、抗压、抗冻、抗渗混凝土拌合物性能及硬化混凝土性能试验

以上配合比试验中，编号01、02混凝土配合比能满足试验要求，在保证混凝土工程质量且经济合理的情况下，推荐吉林省双河三级水电站工程混凝土采用编号02的混凝土配合比(表7)。引气剂掺量选定混凝土的含气量是影响混凝土抗压强度和抗冻性的重要因素;此外，不同水泥品种、砂的细度模数、坍落度大小以及混凝土的拌和与运输方式等因素也会引起含气量的变化,因此施工时应检测现场搅拌机出机时的含气量值，必要时可进行引气剂掺量调整，使其达到设计的含气量指标。

6 结 论

本研究根据设计技术要求，通过混凝土配合比设计优化试验，提出抚松县双河三级电站工程的混凝土配合比参数及其相关混凝土力学、抗冻性、抗渗性等性能指标。从推荐使用的混凝土配合比在实际应用及现场施工情况来看，该配合比具有较高的技术经济性，其拌和物性能、混凝土强度、变形性能、耐久性能各项检测结果均满足相关要求，施工性能也有一定的提升。