通过调整骨料粒径优化配合比改善混凝土性能的研究

(中国水利水电第七工程局有限公司国际工程公司，成都，610213)

1 工程概况

塔贝拉水电站位于巴基斯坦首都伊斯兰堡西北方，本次扩建是将原用于灌溉的4号洞改建为引水发电洞，并在原4号洞出口区域扩建厂房，新增3台单机470MW的机组，改善电力供应。

本工程混凝土总量约52万m3，主要包括取水口新建进水塔混凝土、竖井衬砌混凝土及连接段混凝土、压力钢管基础混凝土及镇墩混凝土、厂房及安装间混凝土、零星结构物混凝土等。

工程土建设计及施工规范采用欧美标准，混凝土类型包括Class HS01(换算强度45MPa)，Class HS02(换算强度40MPa)，Class AA(换算强度34.5MPa)，Class A(换算强度27.5MPa)，Class C(换算强度17.7MPa)等，采用28d圆柱体测试强度。根据监理工程师的设计，主要结构物混凝土类型为Class A及Class C，本文将以Class A及Class C混凝土为基础进行混凝土质量控制的相关分析。

2 当地水文气象条件

根据合同提供的信息，工程所在区域夏季炎热，3～7月平均气温21.7℃～31.5℃，尤其是5月至9月温度陡升，非常高，甚至会突破50℃。12月至次年2月较寒冷，月平均气温13℃～15.5℃，昼夜温差大，夜间最低可至0℃。

3 合同中对混凝土的相关描述及要求

(1)混凝土各原材料需要通过试验满足相关要求；

(2)混凝土强度需满足要求，以工程量占比最大的Class A为例，要求标称强度为27.5MPa，最低24.05MPa，但是低于标称强度的比例不得超过5%；

(3)混凝土出机口温度不超过25℃，除非另有规定。混凝土浇筑后内部水化热温升不超过55℃，内外温差不超过20℃；

(4)对于最小尺寸超过5m及方量超过500m3的混凝土浇筑需要涉及温控混凝土，浇筑温度需不超过20℃，其中在高温季节，从5月至9月，厂房结构混凝土须满足5月不超过19℃，6月不超过17℃，7至8月不超过16℃，9月不超过18℃；

(5)关于浇筑分层，对于大体积底板不超过2.5m，厂房下部结构不超过1.5m，小于4m厚的墙柱结构不超过2.5m，层间间隔一般要求至少72h以上。

4 骨料对混凝土性能的影响

骨料是指在混凝土中起骨架或填充作用的粒状松散材料，分为粗骨料和细骨料。骨料在混凝土总体积中占比大，在混凝土中起着骨架作用，可减少混凝土的收缩。通过选用适当的骨料和改变骨料的级配，可改变混凝土的性能，良好的砂石级配还可降低混凝土中水泥的用量。

粗骨料是混凝土的主要组成材料，其特征和性能直接影响着混凝土的质量。颗粒级配对混凝土的和易性有很大影响，直接影响混凝土的强度、抗渗性、耐久性。较好的骨料级配应该是空隙率小、总表面积小、有少量细颗粒。

细骨料就是我们通常所说的砂，其性质的好坏直接影响着混凝土的和易性、强度、耐久性等指标，普通混凝土宜采用细度模数2.4～2.6之间的中砂为宜，若砂子偏细或是级配不良导致比表面积过大，就需要消耗更多的水泥浆，使混凝土具有一定的流动性，对混凝土的耐久性、强度、密实性都有一定的影响。

根据合同，本项目粗骨料尺寸应大于4.75mm；粗骨料需满足ASTM C33；骨料比重不得小于2.6；破碎骨料的抗压强度需满足于50mm直径，100mm长度的芯样不低于120MPa。合同中对混凝土粗骨料是按Size 7(4.75mm～12.5mm)、Size 5(12.5mm～25mm)、Size 3(25mm～50mm)进行分级。粗骨料粒径要求如表1。

表1合同对粗骨料粒径的要求

根据现场实际情况，粗骨料来自现场取水口部位开挖料经破碎系统加工的人工料，岩石坚硬。细骨料由于加工料级配不良，掺配部分天然料。

5 骨料粒径调整及配比优化前

在项目初始阶段，按照合同要求的粗骨料分级进行混凝土配合比调配，经试验并获工程师批准的配合比如表2所示。

表2骨料调整前不同等级混凝土的配合比 单位：kg

项目在施工前期，现场混凝土主要为基础大体积混凝土，浇筑采用常态混凝土，基本可以满足要求，但混凝土内部温升仍比较明显。

但对于浇筑结构混凝土，受地形条件限制只能采用泵送料进行浇筑，而考虑一定的骨料超径，对于25mm～50mm这一级骨料就很难满足泵送要求，只能使用4.75mm～12.5mm、12.5mm～25mm这两级混凝土骨料进行浇筑。

在不调整骨料，利用上述获批混凝土配比进行结构混凝土浇筑后，发现所浇筑混凝土容易出现以下问题：

(1)混凝土泌水严重；

(2)混凝土表面易出现裂缝；

(3)混凝土内部最高温度易超过合同要求的55℃；

(4)每批次生产的粗骨料接近包络线，骨料粒径不利于控制。

针对施工过程中易出现的上述问题，项目进行反复讨论研究，并且加强与监理工程师的沟通，大家认为合同中要求的骨料粒径分级比常见的混凝土骨料级配偏小，小骨料意味着更多的胶凝材料掺配，也就会增加内部水化热温升，且易引起裂缝的出现，此外，骨料生产不利于控制。在这种情况下，除了采取外部的降温措施，为了改善混凝土质量，满足混凝土各项性能要求，优化混凝土粗骨料粒径、调整配合比参数势在必行。

6 骨料粒径调整及配比优化后

针对混凝土存在的质量问题，项目与监理工程师多次召开专题讨论会，研究混凝土水化热过大的办法。经反复实验论证，在保证混凝土施工质量的前提下，采取对粗骨料粒径进行优化，且原混凝土配合比相关参数随骨料的变化而调整如表3所示。

表3骨料调整前后对比

也就是将粗骨料中小石的最大粒径调整为19mm，中石的最大粒径调整为38mm。

经过与监理工程师的反复沟通，其同意按调整后的骨料分级同步进行配比试验，在保证强度等级不变和混凝土工作性能的前提下，相应地调整混凝土配合比各原材料的含量。经过对混凝土骨料加工系统的筛网更换，并进行粒径变更后的粗骨料生产，实验室再对筛分出的骨料进行现场取样和试验，经试验，4.75mm～19mm的骨料过19mm的筛网过筛率为93%，19mm～38mm的骨料过38mm的筛网过筛率为98%，骨料生产满足了合同规范要求，且级配良好。

在生产的新骨料满足要求后，试验室设计了六组混凝土配合比进行试验，对各原材料合理组配，在同级强度的前提下，优化混凝土的工作性能、增加粘聚性、降低大流动度下的泌水率，求得满足工程施工要求技术指标的混凝土。经过反复试验，满足要求并获工程师批准的混凝土配合比如表4所示。

表4骨料调整后不同等级混凝土的配合比 单位：kg

在运用骨料调整后的配合比进行结构混凝土浇筑后，混凝土可泵性得到提高、泌水现象得到改观和消除、混凝土表面裂缝现象不再显现、每方混凝土使用水泥量较之前有所减少、混凝土内部最高温度较之前有所降低并满足合同要求。类似结构仓号混凝土内部温升最高温度对比如表5所示。

表5骨料变更前后混凝土内部最高温度

7 骨料调整前后效益分析

7.1 直接经济效益

通过对骨料调整并优化混凝土配合比，在满足强度和现场施工需要的情况下，胶凝材料使用量相应减少，以项目占比最大的Class A(轴心抗压强度平均值为28MPa)、坍落度为140mm～180mm的混凝土为例，骨料调整并优化配合比后，水泥用量减少约60kg，涉及到的混凝土量约35万m3，节约水泥用量2.1万t，经济效益非常可观。

此外，调整粒径后，砂石系统骨料生产更易控制，效率更高，级配更优，增效明显。

7.2 技术效益

采用优化后的最终混凝土配合比方案，改进了骨料的级配，施工工期能更好地得以保证，混凝土可泵性得到提高、泌水现象得到改观和消除、混凝土表观裂缝不再显现、混凝土胶凝材料使用量较之前有所减少、混凝土内部最高温度较之前有所降低并满足合同要求，对后续施工具有重要的意义。

7.3 社会效益

本次混凝土骨料变更及相应的配合比优化方案得到了咨询工程师的肯定。新的混凝土配合比在现场使用效果良好，保证了现场施工快速、有条不紊地进行，为项目按期实现发电目标奠定了坚实的基础。

8 结语

混凝土是工程建设过程中的常用材料，混凝土的质量控制对工程最终质量至关重要，而混凝土配置及浇筑质量与多方面因素有关，在混凝土配置施工过程中，要对原材料进行科学合理的选择，并根据出现的问题，进行分析论证，最终确定满足要求的配合比。本文结合塔贝拉项目在混凝土施工过程中，通过与工程师加强沟通，采取调整优化合同中的骨料粒径分级，并优化配合比的方式，有效改善混凝土性能的做法和思路进行了介绍，希望对后续工程有启发和借鉴意义。