大岗山水电站改性硅粉混凝土配合比设计研究与应用

李祚全

（中国水利水电第八工程局有限公司 长沙市 410004）

许 航

（湖南省水利厅 长沙市 410007）

1 工程概述

大岗山水电站水垫塘断面采用复式梯形断面，底部开挖宽度47.70，开挖基底高程926.00 m～925.00 m，底板顶高程930.00 m～928.96 m，底板厚4m，边墙厚3.0 m，边墙坡度为1∶0.5，在953.00 m 高程处设有5 m 宽的马道，水垫塘顶高程为971.00 m，塘顶设有1 m 高的导浪墙。水垫塘在边墙933.00 m 高程以下表面50 cm 范围内，采用C50 改性硅粉混凝土，其余混凝土均采用C9030 混凝土衬砌。

2 混凝土设计技术指标

本次配合比设计试验主要为大岗山水电站水垫塘表面部位改性硅粉混凝土，混凝土设计指标见表1。

表1 混凝土技术指标

3 原材料试验

3.1 水 泥

水泥选用峨胜中热42.5、嘉华中热42.5 两种水泥。中热硅酸盐水泥物理力学性能均符合《中热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥》GB 200-2003 标准及大岗山水电站技术要求。

3.2 粉煤灰

粉煤灰选用云南宣威厂家的Ⅰ级粉煤灰。其品质符合《水工混凝土掺用粉煤灰技术规程》DL/5055-2007 标准及大岗山技术指标，属Ⅰ级粉煤灰。

3.3 骨 料

（1）细骨料。细骨料为大岗山厂房人工砂，品质均满足《水工混凝土施工规范》DL/T 5144-2001 的标准及大岗山技术要求。

（2）粗骨料。粗骨料为大岗山厂房人工骨料，品质均满足《水工混凝土施工规范》DL/T 5144-2001的标准及大岗山技术要求。

3.4 外加剂

在混凝土中掺入适应性好的外加剂，可有效改善混凝土的性能，一般以掺量低、流动度大且流动度损失小的掺量为外加剂的最佳掺量。本次试验主要采用JM-PCA（Ⅰ）聚羧酸高性能减水剂、山东银凯NOF-AE 引气剂。

3.5 硅 粉

硅粉为成都东蓝星科技发展有限公司生产的微硅粉，其品质均满足GB/T 18736-2002 标准要求。

3.6 拌和用水

拌和用水为大岗山水厂生产的施工用水，完全满足相关规范要求。

4 改性硅粉混凝土配合比试验

4.1 试验基本条件

（1）原材料为上述所选原材料；

（2）骨料均以饱和面干状态为基准；

（3）硅粉混凝土湿筛含气量控制在3%～5%，塌落度控制在（70～90）mm；

（4）配合比计算采用绝对体积法；

（5）混凝土试验采用60 L 强制式混凝土搅拌机。

4.2 硅粉混凝土配合比参数的选择

（1）骨料最佳级配选择。不同比例的骨料级配与振实密度有直接关系，一般密度越大，空隙率越小，所需填充包裹的砂浆越少，所以常把紧密密度最大的骨料级配作为最优级配。骨料级配与紧密密度关系试验结果见表2。试验结果表明：二级配的最优石子比例为小石∶中石=40∶60；三级配的最优石子比例为小石∶中石∶大石=20∶30∶50。

表2 骨料级配与紧密密度关系试验结果

（2）混凝土最佳砂率选择试验。最佳砂率选择试验采用固定水胶比和煤灰掺量，采用嘉华中热42.5水泥、宣威Ⅰ级灰，掺1.2%的JM-PCA 减水剂，含气按3%～5%控制；将坍落度控制在（70～90）mm，进行比较试验。最佳砂率选择试验结果见表3。

通过对混凝土拌和物坍落度及和易性综合评定： 当水胶比为0.33 时，二级配最佳砂率为37%，三级配最佳砂率为29%。

（3）外加剂掺量选择。在混凝土中使用硅粉，如不掺减水剂，想保持相同的动度，则必然要增加用水量，水灰比增加，掺硅粉混凝土的强度也上不去，这也是过去硅粉未在混凝土中推广使用的原因之一。硅粉与减水剂联合使用，特别是与高效减水剂联合使用，掺用硅粉水灰比不变，用水量不增加，也能达到与未掺硅粉的混凝土具有相同的流动度，硅粉混凝土强度等性能得到大幅度提高。采用江苏博特生产的高效减水剂JM-PCA，根据厂家推荐掺量，结合外加剂适应性试验，选择本工程硅粉混凝土JM-PCA 掺量为1.2%。引气剂掺量按混凝土含气量3%～5%确定。

（4）硅粉掺量的选择。硅粉在混凝土中掺量太少，对混凝土性能改善不大，但是掺量太多，则混凝土太粘，且干缩变形大，抗冻性差，因此，掺硅粉时，应找出最优掺量才能获得最佳结果。厂家推荐掺量为5%～10%，本次试验在厂家推荐掺量范围内，选择几个硅粉掺量，5%、7%、9%进行混凝土性能试验。试验成果见表4。

试验结果表明：在水胶比、减水剂不变的情况下，混凝土强度随硅粉掺量的增加而增加。确定硅粉的最佳掺量时，在满足设计要求的前提下，考虑到施工易裂的因素，所以我们选硅粉掺量5%为施工推荐掺量。

4.3 硅粉混凝土配合比及性能试验

改性硅粉混凝土的强度等级为C9050。考虑混凝土设计强度等级、耐久性要求，室内拌制混凝土时选择0.36、0.33、0.30 三个水胶比，原材料采用两种中热42.5 的水泥，粉煤灰掺量为15%，减水剂掺量为1.2%，硅粉掺量为5%，混凝土坍落度按（70～90）mm 控制，含气量按3%～5%控制。

（1）混凝土拌和物性能试验。混凝土拌和物性能试验见表5，试验结果表明：混凝土拌和物的坍落度、含气量均满足设计要求和规范要求。

表3 混凝土最佳砂率选择试验结果

表4 硅粉掺量选择试验结果

表5 硅粉混凝土拌和物性能试验结果

（2）混凝土力学性能试验。硅粉混凝土力学性能试验见表6，由试验结果可以看出：二、三级配混凝土抗压强度及劈拉强度相差不大。

表6 硅粉混凝土力学性能试验结果

硅粉混凝土抗压强度与胶水比的关系式见表7。

由混凝土抗压强度与胶水比线性回归方程计算水胶比，选定水垫塘C9050 混凝土90 d 水胶比：C9050 二、三级配均取值0.33。

（3）硅粉混凝土抗渗性能试验。硅粉混凝土抗渗性能试验结果见表8，由试验结果表明：硅粉混凝土抗渗等级均满足设计要求。

（4）硅粉混凝土抗冻性能试验。硅粉混凝土抗冻性能试验结果见表9、表10，由试验结果表明：硅粉混凝土抗冻等级均满足设计要求。

（5）硅粉混凝土抗冲磨性能试验。

5 推荐硅粉混凝土配合比

5.1 混凝土配制强度

根据混凝土设计指标，混凝土强度保证率按照《水工混凝土施工规范》DL/T 5144-2001 规定，硅粉混凝土配制强度按以下公式计算：

式中 fcu,0——混凝土配制强度（MPa）；

fcu,k——混凝土设计强度等级（MPa）；

t——概率度系数，依据保证率P 选定；

σ——混凝土强度标准差（MPa）。

保证率和概率度系数见表12，混凝土强度标准差按表13 取值。经计算，混凝土配制强度见表14。

5.2 计算水胶比

根据混凝土试验成果及回归关系式，计算满足设计强度等级要求的水胶比，结合设计要求中耐久性的指标要求，混凝土各强度等级计算水胶比见表15。

5.3 推荐混凝土配合比

根据试验结果，大岗山水电站水垫塘推荐硅粉混凝土配合比见表16。

表7 硅粉混凝土抗压强度与胶水比关系式

表8 混凝土抗渗性能试验结果

表9 混凝土抗冻性能试验结果

表10 混凝土抗冻性能试验成果表

6 结 语

此次进行大岗山水电站水垫塘混凝土配合比试验所采用的水泥、粉煤灰、引气剂等均能满足相应规程规范的要求；品质检验合格。骨料各项指标均满足《水工混凝土砂石骨料试验规程》DL/T 5151-2001的标准。混凝土抗压强度指标均满足设计要求；混凝土抗冻、抗渗性能指标均能满足设计要求。硅粉混凝土的搅拌时间应比普通混凝土的延长（0.5～1）min,以便使混凝土拌和得更均匀，防止硅粉在混凝土中成团。混凝土掺用硅粉后，必须加强早期养护，防止混凝土产生塑性收缩裂缝。

表11 硅粉混凝土的抗冲磨试验成果表

表12 保证率和概率度系数关系

表13 标准差σ 值

表14 混凝土配制强度

表15 硅粉混凝土计算水胶比表

表16 大岗山水电站水垫塘推荐常态混凝土施工配合比