黄河龙口水利枢纽工程抗冲磨混凝土试验研究

王 瑛 金 琼 杨海宁 周 洁

自1995年开始,对龙口水利枢纽工程混凝土配合比试验做了大量的试验研究,对龙口抗冲磨混凝土也进行了初步研究,成果表明:利用灰岩人工砂石骨料配制的混凝土28 d抗冲磨强度仅为3 h/(g◦cm-2)左右,利用天然砂配制的混凝土28 d抗冲磨强度可达到6～8 h/(g◦cm-2)。但当时设计并未提出抗冲磨强度指标,到了2005年龙口水利枢纽工程招标设计阶段,设计提出混凝土90 d抗冲磨强度要达到12.0 h/(g◦cm-2),显而易见,之前的成果根本不能满足这一要求。为解决这一问题,试验采用铁矿石(小石)来部分替代人工碎石(小石),用以提高混凝土的抗冲磨性能。研究结果表明:利用天然砂、人工碎石与铁矿石的混合石配制的混凝土28 d抗冲磨强度可达到11～13 h/(g◦cm-2),可以满足设计要求;2009年4月龙口水利枢纽蓄水安全鉴定专家意见,要求设计对龙口右岸消能建筑物过流面尤其是高流速区过流面存在较严重抗冲磨问题的区域面层混凝土进行进一步研究。根据龙口现场混凝土骨料、胶凝材料以及外加剂等实际情况,在原试验的基础上补充有关抗冲磨混凝土试验。

1 用铁矿石替代部分人工碎石的抗冲磨混凝土配合比试验

本次试验选用的材料有(1)3种水泥:抚顺中热42.5水泥、抚顺抗磨42.5水泥、大同普硅42.5水泥。(2)粉煤灰:神头二电厂生产的Ⅰ级粉煤灰。(3)细骨料:大东梁天然砂。(4)粗骨料:20～40mm的中石采用三道沟东侧石料厂的人工碎石、5～20mm的小石采用安徽省无为县蛟矶磨料磨具厂的铁矿石。(5)外加剂:江西武冠新材料股份有限公司生产的WG-HEA抗裂型防水剂和北京翰苑技术开发公司生产的MPAE引气剂;江西省萍乡市联友建材有限公司生产的HC-HJ高效减水剂和HC-F引气剂。(6)纤维:天津市思腾纤维科技开发有限公司生产的聚丙烯改性亲水纤维。

根据设计指标的要求,利用以上的原材料,采用正交设计进行混凝土配合比优化组合试验。通过对试验数据的综合分析,得出以下结论:(1)混凝土中掺入一定的聚丙烯纤维,可降低混凝土的静力抗压弹性模量,提高混凝土的极限拉伸值,即可提高混凝土的抗裂性能。(2)采用铁矿石部分替代人工碎石,可提高混凝土的抗冲磨强度。由于设计对混凝土的抗冲磨强度要求较高,而混凝土的抗冲磨强度又与铁矿石的质量有很大关系,因此建议要严格控制铁矿石的选择。(3)采用抚顺抗磨水泥配制的混凝土与其它两种水泥配制的混凝土相比,用水量大,水泥用量也增大,但其抗压强度却明显小于后两者的抗压强度,其抗冲磨强度也没有优势;因此,建议混凝土配合比中未推荐抚顺抗磨水泥配制的混凝土。针对不同部位优选出混凝土配合比试验结果见表1。

对溢流面、闸墩、导墙、底孔周围、护坦等(C9045F200)建议选择M11、M15、M25、M29。对蜗壳周围(C2840F50W6)建议选择M8、M11、M22、M25。对排沙洞周围(C2845F50W6)建议选择M8、M22。

2 用硅粉替代部分水泥的抗冲磨混凝土配合比试验

利用天然砂、人工碎石与铁矿石的混合石配制的混凝土 28 d抗冲磨强度可达到11～13 h/(g◦cm-2),可以满足设计要求,但由于铁矿石产量有限且价格上涨,无法满足工程需要;因此根据2009年4月龙口水利枢纽蓄水安全鉴定专家意见,要求设计对龙口右岸消能建筑物过流面,尤其是高流速区过流面存在较严重抗冲磨问题的区域面层混凝土进行研究,以便2010年4月～6月进行右岸消力池面层混凝土施工时各项指标、参数更加科学合理,故根据龙口现场混凝土骨料、胶凝材料以及外加剂等实际情况,在原试验的基础上补充有关抗冲磨混凝土试验,为优化龙口三期导流期间消力池面层混凝土提供依据,为此,本次试验用硅粉替代部分水泥,用以提高混凝土的抗冲磨性能。

表1 推荐的混凝土配合比

按照设计对混凝土的要求,结合龙口现场实际情况,本次试验选用的材料有(1)水泥:内蒙古冀东水泥有限公司生产的 “盾石”牌普通硅酸盐P.O42.5水泥。(2)粉煤灰:河曲二电厂生产的Ⅱ级粉煤灰。(3)硅粉:山西黄河新型化工有限公司生产的硅粉。(4)细骨料:施工现场的人工砂、天然砂。(5)粗骨料:人工碎石,其粒径分为:5～20mm和20～40mm。(6)外加剂:山西黄河新型化工有限公司生产的HJSX-A型聚羧酸高性能减水剂、石家庄市中伟建材有限公司生产DH-9A引气剂。(7)纤维:试验采用4种纤维进行混凝土配合比设计,通过比较选择最优的纤维推荐用于施工。①天津思腾纤维科技开发有限公司生产的聚丙烯亲水性纤维(以下简称聚丙烯纤维),单丝纤维长度19mm,直径0.48 μ m。②天津思腾纤维科技开发有限公司生产的胶粘成排钢纤维(以下简称钢纤维),单丝纤维长度30mm,直径0.50mm。③上海罗洋新材料科技有限公司生产的UF500纤维素纤维(以下简称UF500纤维)。④上海瑞高实业发展有限公司生产的CTF850纤维素纤维(以下简称CTF850纤维)。

2.1 混凝土的技术要求

混凝土的设计技术指标列于表2。

表2 混凝土的设计技术指标

2.2 抗冲磨混凝土配合比试验

由于施工现场有较多的人工砂,设计最初建议选用人工砂进行混凝土配合比试验。采用人工砂进行混凝土配合比试验时,发现用人工砂配制的混凝土28 d的抗冲磨强度较低,远小于9.0 h/(g◦cm-2)的设计要求。而采用原龙口工程大东梁天然砂掺用硅粉后配制的混凝土(L21),其28 d抗冲磨强度可以满足设计要求。经与设计协商后改用施工现场的天然砂再次进行混凝土配合比试验。

2.2.1 混凝土抗压强度试验结果

根据设计技术要求和试验选用的原材料,利用正交设计进行混凝土配合比优化组合试验。通过试验看出:水灰比为0.35时,混凝土90 d抗压强度均不能满足设计要求。只有水灰比小于0.32并在混凝土中掺入硅粉后,混凝土90 d的抗压强度才能达到设计要求C50的配制强度59.0mPa。采用人工砂配制的混凝土,编号为L3、L11配合比的混凝土90 d抗压强度为60.0MPa和61.2MPa;采用施工现场天然砂配制的混凝土,编号为L24、L25、L27、L28配合比的混凝土90 d的抗压强度可达到59.2～62.3 MPa,均可满足C50混凝土的配制强度。水胶比≤0.32的混凝土配合比试验结果列于表3。

2.2.2 混凝土抗冲磨强度试验结果

采用人工砂配制的混凝土,混凝土28 d的抗冲磨强度为3.0～5.4 h/(g◦cm-2),均低于设计要求9.0 h/(g◦cm-2);混凝土90 d的抗冲磨强度为5.9～8.2 h/(g◦cm-2),均小于设计要求 10.0 h/(g◦cm-2)。采用天然砂配制的混凝土,混凝土28 d的抗冲磨强度为11.0～13.3 h/(g◦cm-2),均可满足设计要求;混凝土90d的抗冲磨强度为12.3～13.8 h/(g◦cm-2),均可满足设计要求。

表3 抗冲磨混凝土配合比试验结果

用纤维种类(聚丙烯纤维、钢纤维、UF500纤维、CTF850纤维)、水灰比(0.32、0.35)、粉煤灰掺量(10%、15%)和硅粉掺量(0、5%)构成 L8(41×24)的正交设计表对人工砂混凝土抗冲磨强度进行直观分析:影响混凝土抗冲磨性能的主要因素是纤维种类。用UF500纤维配制的混凝土的抗冲磨性能优于其它纤维配制的混凝土。

用纤维种类(聚丙烯纤维、UF500纤维)、和硅粉掺量(0、5%)构成 L的正交设计表对天然砂混凝土抗冲磨强度进行直观分析:(1)影响混凝土抗冲磨性能的主要因素是纤维种类。用UF500纤维配制的混凝土比用聚丙烯纤维配制的混凝土的抗冲磨强度高一些。(2)影响混凝土抗冲磨性能的次要因素是硅粉掺量。随着硅粉掺量的增加,其抗冲磨性能提高。

综合分析上述结果,可以看出:只有编号L24、L25、L27和L28的混凝土既能满足抗压强度,又能满足抗冲磨强度等的设计要求。考虑到利用现场的天然砂及人工粗骨料、用UF500纤维配制的混凝土比用聚丙烯纤维配制的混凝土的抗冲磨强度高一些,且以5%硅粉和10%粉煤灰作为掺和料配制的混凝土既经济,又便于施工。因此推荐编号L28的配合比作为现场施工用配合比。2010年4月,经施工单位将现场施工的抗冲磨混凝土取样,其混凝土28 d抗冲磨强度为9.2 h/(g◦cm-2),可以满足设计对工程的技术要求。

3 结 语

对于龙口水利枢纽工程泄水建筑物过水部位、溢流坝面、消力池、蜗壳周围和排沙洞周围等部位有较高抗冲磨要求的混凝土,细骨料要选用天然砂,利用铁矿石替代部分人工碎石,或用硅粉替代部分水泥,同时掺入纤维,可以配制出满足设计要求的抗冲磨强度的混凝土。

[1]DL/T 5150—2001、SL 352—2006,水工混凝土试验规程[S].

[2]DL/T 5144—2001,水工混凝土施工规范[S].

[3]DL/T5207—2005,水工建筑物抗冲磨防空蚀混凝土技术规范[S].