基于密实骨架的面板混凝土配合比优化

2024-03-13郭德龙,闫玲

四川水力发电 2024年1期

郭德龙, 闫玲

(中国水利水电第五工程局有限公司中心试验室,四川成都 610066)

1 概述

新疆阿尔塔什水利枢纽工程为叶尔羌河干流山区下游河段的控制性工程,因其在设计、施工等方面面临诸多技术难点、具有三高一深的特点(高坝、高边坡、高地震烈度、深厚覆盖层),被业内专家称为“新疆的三峡工程”。该水利枢纽工程挡水坝为混凝土面板砂砾石堆石坝,坝顶宽度为 12 m,坝长795 m,面板混凝土浇筑方量为12 1349 m3,混凝土设计强度等级为C30、抗渗标号为W12、抗冻标号为F300。面板顶部的厚度为0.40 m,面板底部的厚度为0.96 m。与普通水工大体积混凝土不同,该面板混凝土为典型薄型长条板状结构,其长、宽、厚三向尺寸相差悬殊,所产生裂缝的几率比普通水工大体积混凝土更大。笔者结合工程材料,采用配合比试验寻找最小空隙率以及各种材料的最佳填充率,旨在优化最低水泥浆富余、对面板配比进行优化以保证面板混凝土具有良好的经济性、体积稳定性和抗裂性,并对这一过程进行了阐述。

2 混凝土配合比选用的原材料

(1)水泥:采用叶城天山水泥厂生产的P.O42.5水泥进行试验。其物理性能检测稠度为25.6%、比表面积为355 m2/kg、凝结时间为初凝205 min,终凝281 min,3 d抗折强度为5.7 MPa、28 d抗折强度为7.0 MPa、3 d抗压强度为20.4 MPa、28 d抗压强度为45.6 MPa。化学成分检测结果为:SO3为2.4%,MgO为1.6%,Cl-为0.05%,碱含量结果为0.97%。所有检测结果均满足《通用硅酸盐水泥标准要求》GB 175-2007。

(2)粉煤灰:采用喀什华电粉煤灰厂生产的Ⅰ级粉煤灰进行检测,其物理性能检测细度为9.9%,需水量比为94%,含水量为0.2%。其化学性能检测结果为:烧失量为4.2%,氯离子为0.006%,碱含量为1.72%,三氧化硫为0.8%;其游离氧化钙为0.8%。所有检测结果均满足《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》DL/T 5055-2007Ⅰ级粉煤灰标准要求。

(3)细骨料:采用该水利枢纽工程现场C3料场天然骨料破碎的人工骨料,其物理性能检测表观密度为2 710 kg/m3,堆积密度为1 620 kg/m3,吸水率为1.1%,细度模数为2.66,石粉含量为7.8%,云母含量为0.1%。化学性能检测其坚固性为6.0%,硫化物及硫酸盐含量为0.39%,轻物质含量为0.20%,氯离子含量为0.02%。所有检测结果均满足《水工混凝土施工规范》SL 677-2014要求。

(4)粗骨料:采用该水利枢纽工程现场C3料场天然骨料破碎混合掺配的人工骨料,其骨料粒径分别为5～20 mm和20～40 mm,物理性能检测粒径5～20 mm的表观密度为2 720 kg/m3,粒径20～40 mm的表观密度为2 730 kg/m3;粒径5～20 mm的堆积密度为1 580 kg/m3;粒径20～40 mm的堆积密度为1 590 kg/m3;粒径5～20 mm的吸水率为0.50%,粒径20～40 mm的吸水率为0.42%;粒径5～20 mm的针片状为5%,粒径20～40 mm的针片状为3%;压碎指标为6.9;粒径5～20 mm的含泥量为0.4%,粒径20～40 mm的含泥量为0.3%;粒径5～20 mm的软弱颗粒含量为2%,粒径20～40 mm的软弱颗粒含量为2%。化学性能检测结果为:粒径5～20 mm的坚固性为2.0%,粒径20～40 mm的坚固性为1.2%;粒径5～20 mm的硫化物及硫酸盐含量为0.24%,粒径20～40 mm的硫化物及硫酸盐含量为0.27%;氯离子含量为0.002%。所有检测结果均满足《水工混凝土施工规范》SL 677-2014要求。

(5)减水剂:采用石家庄市长安育才建材有限公司生产的GK-3000磷酸基改性聚羧酸减水剂,混凝土外加剂按《混凝土外加剂高性能减水剂(缓凝型)技术指标》GB 8076-2008进行检测,其性能检测得到的混凝土外加剂减水率为32.4%,含气量为2.5%,泌水率比为65%,凝结时间差为+125 min,7 d抗压强度比为153,28 d抗压强度比为143,28 d收缩率比为60,1 h坍落度经时变化为25 mm,碱含量为3.1%,氯离子含量为0.06%。所有检测结果均满足《混凝土外加剂高性能减水剂(缓凝型)技术指标》GB 8076-2008要求。

(6)引气剂:采用石家庄市长安育才建材有限公司生产的GK-9A引气剂,混凝土外加剂按《混凝土外加剂高性能减水剂(缓凝型)技术指标》GB 8076-2008进行检测,其性能检测得到的混凝土引气剂减水率为8.6%,含气量为5.2%,泌水率比为52,凝结时间差:初凝为+50 min,终凝为55 min;3 d抗压强度比为112,7 d抗压强度比为104,28 d抗压强度比为98,28 d收缩率比为75%,1 h含气量经时变化为-0.6%,相对耐久性为95%,碱含量为4.2%、氯离子含量为0.15%。所有检测结果均满足《混凝土外加剂引气剂标准》GB 8076-2008要求。

3 研究采用的配合比试验方法

混凝土配合比所用的骨料、粉煤灰搭配的紧密堆积密度和混凝土拌和物和易性测试以及空隙率计算方法均按照《水工混凝土试验规程》SL 352-2020进行。

文中所述所有试件均采用标准养护,试件成型后的温度为室内20±5 ℃,静置24 h,然后拆模放入标准养护室,待其3 d,7 d和28 d龄期达到后取出进行混凝土性能测试。对混凝土性能的测试均采用《水工混凝土试验规程》SL 352-2020进行。混凝土性能包括:抗压强度、劈拉强度及自由体积变形。

对混凝土抗裂性能进行了评定。其早期抗裂采用《混凝土结构耐久性设计与施工指南》CCES01-2004中的平板法进行。

4 试验结果与分析

4.1 粗骨料空隙率优化

将粒径为5～20 mm和粒径20～40 mm的粗骨料按图1进行搭配,测试其堆积密度以寻找最低空隙率的搭配比例。石子的搭配与空隙率关系见图1。

图1 石子的搭配与空隙率关系图

对测试数据进行二次函数模拟(图1,拟合度为0.9), 然后对函数进行一次求导,确定导数为0的极值点。由此可得:粒径为5～20 mm骨料的用量为44%时,粗骨料空隙率最低为32.1%。

4.2 细骨料、粉煤灰填充优化

将细骨料与粗骨料进行搭配并测试其紧密堆积密度。研究选定砂率为33%～42%进行测试,所取得的数据为39%。

对图1进行二次函数拟合(拟合度为0.94)后得到二次函数,对该函数求导,寻找导数为0的极值点得到砂率为39%时其粗细骨料搭配具有最紧密的堆积密度。在此基础上,添加2.5%～4.5%(粉煤灰重量/(粉煤灰重量+粗细骨料))的粉煤灰,测试粉煤灰和粗细骨料搭配的最紧密堆积密度可以得到拟合函数网络。砂率与紧密堆积关系见图2.

图2 砂率与紧密堆积关系示意图

图3 粉煤灰搭配骨料的紧密堆积密度关系图

同理:对图2中的抛物线函数进行了一阶求导,并令其为0,找到极值为粉煤灰用量的4.2%,达到最大堆积密度2 038 kg/m3。

4.3 浆体体积的确定

混凝土中的浆体需要填充骨料中的空隙并提供富余浆体以保证施工混凝土的和易性,但因其水泥浆用量过高,在施工过程中得到优化后其体积稳定性和经济性均会下降,因此,需要找到在保证施工现场混凝土和易性良好的前提下的最低水泥浆用量。但是,混凝土致密正填配合比设计中的浆体富余系数均是基于流态混凝土[4-5]的,其不适用于面板混凝土。因此,此次研究优化采用试配法用以筛选最低水泥浆体体积用量。浆体体积试验配合比见表1。

表1 浆体体积试验配合比表 /(kg·m-3)

笔者对以上试配进行了强度和工作性测试,取得的数据见表2。不同水泥浆体的工作性和强度情况见表2。

表2 不同水泥浆体的工作性和强度表

注:减水剂掺量为1%,引气剂掺量为0.08%。掺量均为胶凝材料的质量百分比;骨料均为饱和面干。

由表2可以看出:不同水泥浆体的体积对混凝土强度的影响不大,但其对坍落度有一定影响。随着浆体体积的增加,坍落度从65 mm增加到85 mm,其用水量为126 kg时与129 kg时的和易性相同,强度相近,故该工程最终选择的用水量为126 kg/m3、水泥为249 kg/m3、粉煤灰为85 kg/m3(编号3)作为推荐配合比。

5 实际工程应用效果

在该水利枢纽工程施工过程中,笔者对面板混凝土优化前后的配合比进行了抗裂性与经济性对比,并将优化后的配合比在实体施工过程中进行了应用。混凝土配合比优化前后的胶材用量及力学性能见表3。

表3 混凝土配合比优化前后的胶材用量及力学性能表

优化前后的配合比在力学性能上未出现明显的变化,均满足强度等级C30的要求。优化后的配合比能够节约水泥14 kg/m3,粉煤灰4 kg/m3,每m3共计节约约8元。

笔者采用平板法对混凝土抗裂性能进行了对比。

混凝土配合比优化前后的抗裂性能对比见表4。从表4可以看出:虽然混凝土抗裂等级在其优化前后不加入纤维与抗裂防水剂的前提下均属于Ⅱ级,但其开裂时间延长了118 min,开裂面积下降了61%,单位开裂面积下降了50%,总体而言配合比优化提高了混凝土抗裂性能。笔者根据《大体积混凝土施工标准》GB 50496-2018附录B对配合比优化前后进行了绝热温升验算,优化后的配合比降低了绝热温升3℃,意味着面板混凝土(线性膨胀率10-5/℃)降低收缩为30×10-6。并对配合比优化前后进行了干缩测试,测试结果见表5。