HF抗冲磨混凝土配合比试验研究与质量控制

徐 懿 邓世超

(1.贵州建设职业技术学院，贵州 贵阳 550006； 2.贵州智华工程建设有限责任公司，贵州 贵阳 550006)

·建筑材料及应用·

HF抗冲磨混凝土配合比试验研究与质量控制

徐 懿1邓世超2

(1.贵州建设职业技术学院，贵州 贵阳 550006； 2.贵州智华工程建设有限责任公司，贵州 贵阳 550006)

阐述了水工抗冲磨混凝土研究现状，以卡基娃电站水库为例，探讨了HF混凝土配合比的设计与试配方式，并对HF混凝土的施工质量控制要点进行了分析，以促进水工抗冲磨混凝土的不断发展。

混凝土，配合比，设计，试验研究

1 水工抗冲磨混凝土研究现状

为提高水工混凝土的抗冲磨、空蚀能力，二十世纪六七十年代多采用高分子材料护面，但由于其存在与基底混凝土温度适应性不好，容易开裂脱落且有毒性、污染环境、施工不便等缺点，80年代 以来国内多家科研单位先后开展了无机胶凝材料类的水工泄水建筑物抗冲磨混凝土研究和应用，主要有:硅粉混凝土、纤维增强混凝土、粉煤灰混凝土、铁钢砂混凝土等。经过几十年的工程实践，硅粉混凝土抗冲磨性能较为突出，从70年代开始在水利水电工程中得到应用，位于黄河河道上的小浪底工程就成功地设计和应用了掺硅粉的抗冲磨混凝土。随着科技进步，90年代后期发展起来的高强耐磨粉煤灰混凝土(HF混凝土)，正逐步走向成熟，大有取代原工程中应用较多的硅粉混凝土的趋势，目前已在贵州洪家渡电站、董箐电站、四川嘉陵江金银台航电枢纽和锦屏一级电站等20多个工程中成功应用。

HF混凝土的机理是利用HF外加剂激发混凝土中粉煤灰的活性，使粉煤灰可以起到与硅粉一样的作用，使水泥水化产生的Ca(OH)2发生快速反应，生成S—C—H凝胶。由于胶凝材料与骨料之间结合力的提高，两者强度差异减小，使混凝土形成一个相对的均质材料体，不易产生应力集中破坏。在空蚀和磨损作用下，整个表面基本上被均匀磨损，形成比较光滑的表面，不会出现普通混凝土所形成的胶凝材料和砂浆被磨掉、骨料外露现象。

本文通过卡基娃电站泄水建筑物抗冲磨混凝土配合比的设计与试验，来介绍HF混凝土配制的设计和试验、优化其施工工艺，以完善HF抗冲磨混凝土施工，从而推进水工抗冲磨混凝土的发展。

2 工程概况

卡基娃电站水库正常蓄水位高程为2 850 m，相应库容3.58亿m3；校核洪水位高程为2 853.16 m，总库容3.859亿m3，具有年调节能力。电站总装机容量440 MW，单机容量110 MW。本工程采用混合式开发，枢纽建筑物主要由混凝土面板堆石坝、放空洞、1号非常泄洪洞、2号泄洪洞和引水发电系统等建筑物组成。

本工程大坝为混凝土面板堆石坝，坝顶高程2 856 m，河床段趾板建基面高程2 685 m，最大坝高171 m，坝顶长323 m，坝顶宽11 m。坝体填筑量约600万m3。电站泄水建筑物包括放空洞、1号泄洪洞和2号泄洪洞。

放空洞布置于左岸，为有压洞接无压洞，后段采用龙抬头方式与导流洞结合。进口位于左坝肩附近，进口高程2 730 m。有压段长201.958 m，衬砌断面为圆形，洞径3.5 m，末端设置闸门竖井，竖井内设平板事故门和工作门各一道，闸门底板高程2 728.00 m。闸门竖井顶部高程2 856.00 m，竖井开挖尺寸为10.2 m×7.8 m×130 m(长×宽×高)。闸门竖井后为无压洞龙抬头段，末端与导流洞相接，龙抬头段水平投影总长115 m，采用城门洞形断面，洞宽3.5 m，洞高6 m～5.07 m。洞室采用钢筋混凝土衬砌，有压段衬厚0.5 m，龙抬头段衬厚0.6 m。

1号泄洪洞布置于左岸，为竖井旋流非常泄洪洞，通过竖井后采用平面交岔方式与导流洞结合，由进水口、明流上平洞段、涡室、涡井、涡井出口压坡段和明流下平洞段组成。进水口采用开敞式，堰闸段长20 m，堰高5 m，堰顶高程2 844 m。明流上平段长83.15 m，洞宽由8 m渐变为3.82 m，洞高由10 m渐变为15 m。涡室底高程2 820 m，穹顶顶高程为2 852 m，总高为32 m。在高程2 820 m与2 806 m之间为涡室与涡井间渐变段。涡井直径为7 m，涡井底板高程2 690 m，总高为116 m，其中底部10 m为水垫塘。明流下平洞段总长295.46 m，采用平面交岔方式与导流洞结合，出洞点底板高程2 695 m。1号泄洪洞洞室全线采用钢筋混凝土衬砌，明流上平洞段衬厚0.8 m，涡室及涡井衬厚1 m，明流下平洞段衬厚0.6 m。

2号泄洪洞布置于右岸，洞室全长约600.68 m，为有压接无压泄洪洞，由进水口、有压洞段、工作闸门室、无压洞段、明槽扩散段和消力池段组成。

其中：放空洞、1号泄洪洞竖井涡室及下平段过流面混凝土设计为HF抗冲磨混凝土，标号为：C9040HFW6F100，混凝土最小衬砌厚度为50 cm。结合工程结构设计与工程施工条件，设计要求该混凝土级配形态为二级配、坍落度为12 cm～16 cm、水灰比为0.38～0.41和保证率按90%取值。

3 HF混凝土配合比设计

3.1 原材料的选择

水泥品种及强度选择：根据DL/T 5207—2005水工建筑物抗冲磨防空蚀混凝土技术规范，抗冲磨混凝土优选高强度的中热水泥。结合工程所在地水泥供应，选择丽江P.O42.5袋装水泥，其强度检验指标如表1所示。

表1 水泥强度检验结果表 MPa

粉煤灰：根据规范要求，抗冲磨混凝土应掺用Ⅰ，Ⅱ级粉煤灰。结合工程所在地粉煤灰供应情况，选择采用攀枝花宝利源Ⅱ级粉煤灰，其质量检验结果见表2。根据设计及规范要求，粉煤灰掺量最大不超过25%。掺量通过优化试验后按20%掺用。

表2 粉煤灰质量检验结果表

细集料：采用本工程砂石标生产的人工砂，岩性为砂岩，粒径为0 mm～5 mm。

粗集料：采用本工程砂石标生产的人工碎石，岩性为砂岩。小石粒径：5 mm～20 mm，中石粒径：20 mm～40 mm。结合混凝土施工工艺，粗集料最大粒径为40 mm。

水：采用生活用水。

HF外加剂：采用甘肃巨才电力技术有限公司生产的HF型抗冲耐磨剂(袋装)，掺量为2%～3%。

引气剂：采用江苏博特引气剂，掺量为1/10 000。

3.2 混凝土配合比的设计与试配

根据DL/T 5150—2001水工混凝土试验规程、JGJ 55—2011普通混凝土配合比设计规程和DL/T 5207—2005水工建筑物抗冲磨防空蚀混凝土技术规范等规程规范和工程条件，卡基娃1号泄洪洞及放空洞C9040HFW6F100混凝土配合比相关参数确定如下：

1)配合比设计。

a.混凝土试配强度按下式计算：

fcu,0≥fcu,k+1.28σ=40+1.28×5.0=46.4 MPa(其中，σ取5.0 MPa)。

b.计算水胶比：

采用P.O42.5级水泥，计算水胶比：

W/C=αa×fce/(fcu,0+αa×αb×fc)=0.46×42.5/(46.4+0.46×0.07×42.5)=0.41。

本次混凝土配合比试验，选择基准水胶比为0.38。

c.确定用水量：

根据规范及施工要求，初步确定用水量为mw0=223 kg/m3。

外加剂减水率23%，在掺加外加剂时用水量mwa=223×(1-0.23)=172 kg/m3。

d.计算水泥用量：

粉煤灰用量按20%掺加，则水泥用量为胶凝材料的80%，用量计算如下：

mc=mwa/(W/C)×80%=172÷0.38×80%=362 kg/m3。

e.计算粉煤灰用量:

MF=172÷0.38×20%=91 kg/m3。

f.砂率:

根据设计及施工规范要求、原材料检验结果，初步选定砂率为38%。

g.砂石用量:

由已确定的用水量、水泥、粉煤灰用量和砂率，根据重量法计算1 m3混凝土中砂、石用量。按混凝土拌合物假定容重2 400 kg/m3，分别计算砂石用量如下：

砂子重量：(2 400-172-362-91)×0.38=675 kg/m3。

小石用量：(2 400-172-362-91)×0.62×0.45=495 kg/m3。

中石用量：(2 400-172-362-91)×0.62×0.55=605 kg/m3。

h.外加剂:

HF按胶凝材料用量的2.5%掺加：(362+91)×2.5%=11.33 kg/m3。

江苏博特引气剂掺量1/10 000：(362+91)×1/10 000=0.045 kg/m3。

最终确定本次试验C9040HFW6F100混凝土的二级配混凝土的标准配合比见表3。

表3 C9040HFW6F100混凝土的二级配混凝土标准配合比

2)HF混凝土配合比试配及试验结果。

a.配合比试配参数。

试拌时，在0.38基准水胶比基础上增加0.41和0.35两个水胶比进行混凝土试配，以进行优选比较，确定最优配合比。三种不同水胶比混凝土试配配合比见表4。

表4 C9040HFW6F100混凝土的二级配混凝土试配配合比

b.试拌结果。

根据现场试拌结果，0.35，0.38，0.41三种水胶比混凝土均无泌水。0.35坍落度13.1 cm，含气量2.9%；0.38坍落度15.2 cm，含气量3.0%；0.41坍落度18.2 cm，含气量2.9%；初步判断0.38水胶比拌和物的和易性、坍落度和可泵性良好，符合设计、施工工艺要求，待强度和相关性能验证合格即可使用。

3.3 混凝土配合比强度验证与配合比确定

现场试验严格按DL/T 5150—2001水工混凝土试验规程执行，抗冲磨试验采用水砂冲刷试验仪，测定混凝土在含砂水流冲刷下的抗冲磨强度；抗冻试验采用快速试验机，按快冻法进行试验。

1)强度验证。

各配合比经现场试拌，成型试件养护后测定，不同水胶比对应的混凝土配合比7 d,28 d,90 d抗压强度及抗冲磨强度见表5。养护90 d，经过100次循环后，混凝土的相对损失均大于60%，重量损失小于5%，均满足规范要求；混凝土抗渗试验结果表明，混凝土的抗渗标号均大于W6。

表5 各水胶比混凝土配合比试验成果表

2)配合比确定。

根据现场试拌结果及强度验证结果，水胶比0.38的配合比的拌和物和易性、坍落度和可泵性更好，90 d强度满足配制强度要求，能最大程度满足设计和施工工艺要求。因此，选定水胶比0.38的配合比作为C9040HFW6F100施工配合比，其配比如表6所示。

表6 C9040HFW6F100混凝土的二级配混凝土施工配合比

4 混凝土强度统计结果

截止目前，卡基娃电站泄水建筑物C9040HFW6F100混凝土共取样71组，经统计，平均强度44.80 MPa，标准差σ=3.1 MPa，满足规范要求的小于4.0 MPa；强度保证率为97.2%，满足规范要求的不小于95%。现场混凝土生产质量优良。

5 HF混凝土的施工质量控制要点

1)进料次序及拌和时间。

按小石、砂子、水泥、粉煤灰、HF外加剂、中石的次序投料，拌后加水搅拌。HF混凝土的拌和时间应比普通混凝土的拌和时间延长90 s或总拌和时间控制在不少于180 s。

2)HF外加剂投放。

须直接以干粉状与水泥或粉煤灰一起加入搅拌机中，也可直接投入混凝土搅拌机的干料中，但应避免直接加入无料或仅有拌和用水的料筒中。最好将HF外加剂在施工之前按每次拌和需用量称重分装备用。施工中应不定期进行抽检。

3)合理施工分层。

底板HF混凝土厚50 cm应一层施工完成，边墙HF混凝土应合理分层，注意施工缝处理。结构设计时，尽可能避免边墙结构混凝土出现过流面贴薄层HF混凝土的现象，不利施工，使HF混凝土与普通混凝土混浇，混凝土质量无法保证。

4)混凝土表面成型与保护。

底板过流面收面时应采取遮阳、防风措施，以免混凝土表面水分蒸发过快，影响收面，甚至引起混凝土表面龟裂。收面后，应采用塑料薄膜覆盖，覆盖时应小心，以免在混凝土表面造成压痕。边墙混凝土施工时，应选用表面光洁、平整的模板，模板安装时须注意接缝，加强混凝土振捣；最后注意做好混凝土的养护，以保证混凝土过流面的成型。

5)混凝土表面缺陷修补。

如成型混凝土面存在缺陷，可用环氧砂浆等材料进行修补，保证混凝土过流面平整。

6 结语

据统计，已建大中型水电工程有近70%由于高速含砂水流的冲刷磨损和空蚀作用，存在着不同程度的冲磨空蚀破坏问题，导致建筑物过流面产生破坏，给建筑物带来安全隐患。目前工程中常用的硅粉混凝土、纤维增强混凝土、铁钢砂混凝土等几种抗冲磨混凝土，在施工时都一定程度上存在不足，而近年发展起来的HF混凝土除能获得必须的抗冲磨强度和抗冲磨性能外，还一定程度上解决了原常规抗冲磨混凝土存在的拌和工艺复杂、半成品质量稳定性差、施工和易性差、易裂、难以作面、成本高等缺点，其因具有水泥用量较少、具有良好的施工和易性、拌和物质量均匀、成型混凝土表面不易产生干缩裂缝和龟裂现象等优点而正在逐步被更多工程应用，也是对水工抗冲磨混凝土研究的一种成功补充。

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On research on proportion ratio test of HF anti-abrasion concrete and quality control

Xu Yi1Deng Shichao2

(1.GuizhouConstructionSchool,Guiyang550006,China;2.GuizhouZhihuaEngineeringConstructionCo.,Ltd,Guiyang550006,China)

The paper indicates the research on hydraulic anti-abrasion concrete, taking kajiwa hydropower station reservoir as an example, explores the design and test approaches of HF concrete proportional ratio, and analyzes the construction quality control points of HF concrete, so as to enhance the development of the hydraulic anti-abrasion concrete.

concrete, proportional ratio, design, test research

2015-01-09

徐 懿(1974- )，男，高级工程师; 邓世超(1980- )，男，工程师

1009-6825(2015)08-0130-03

TU528

A